贴敷宏纤维复合材料片的飞机壁板振动响应预测

传统的有限元模型存在计算成本高、黑箱操作多、缺乏自主知识产权等问题。采用解析法研究基础谐波激励下贴敷宏纤维复合材料(MFC)片的飞机壁板振动响应的预测问题;基于经典层合板理论、机电耦合本构方程和能量法,建立基础谐波激励下MFC-壁板的解析模型;利用速度反馈法和模态叠加原理,实现对该激励条件下结构系统在主动控制前后振动响应的求解;结合文献和组建的振动测试系统获得的实验数据,对该解析模型及其预测结果进行详细验证。结果表明:相较于文献结果,模型等固有频率计算偏差最大不超过2%,模型预测获得的前两阶共振响应的最大误差不超过8.6%,均在误差允许的范围内。

宏纤维复合材料对弧板结构的作动方程

为了得到宏纤维复合材料(MFC,macro fiber composite)对弧板结构的精确作动力与作动弯矩以及提高MFC的振动控制效果,提出了一种MFC复合弧板结构的作动方程计算方法。基于MFC的第一类压电方程,建立了考虑MFC与受控结构的复合作用和MFC受弧板曲率影响的P1型MFC复合弧板结构作动方程,得到了MFC对弧板结构的作动力与作动弯矩。将推导的计算结果与官方数据进行比较,两者偏差在4%以内;完成了MFC复合弧板结构的振动控制试验,采用该作动方程的有限元仿真结果与试验数据的偏差在8.5%以内。研究结果表明,文中推导的P1型MFC作动方程是正确的,完全可以用于MFC对弧板结构的减振控制仿真计算中。

宏纤维复合材料作动器非对称迟滞建模与前馈线性化控制研究

宏纤维复合材料(Macro fiber composite,MFC)具有柔性高、驱动力大、机电响应快等优点被广泛应用于柔性结构精密变形控制,但其固有的非对称迟滞非线性特征严重影响控制精度。基于Sigmoid函数的凹凸形特征构造了非对称改进Bouc-Wen模型,采用信赖域反射法和异步粒子群优化相结合的混合算法对模型参数进行辨识,开展MFC作动器前馈线性化控制应用研究。结果表明,改进Bouc-Wen模型能够准确描述MFC作动器非对称迟滞特征,相对经典Bouc-Wen模型,改进Bouc-Wen模型对MFC在0.1 Hz、1 Hz、5 Hz下迟滞曲线拟合的相对均方误差分别降低了73%、71%、52%。非对称修正算子在电压加载和卸载阶段均呈现出凹凸组合修正方式,在电压加载阶段以凹修正为主,卸载阶段以凸修正为主。基于修正Bouc-Wen迟滞逆模型的前馈补偿方法对正弦波和三角波位移跟踪均具有较高的控制精度。

宏纤维复合材料对拉索振动的模糊控制

采用MFC作为作动器对拉索振动进行主动控制,首先推导出宏纤维复合材料粘贴于拉索上的驱动弯矩表达式,并建立MFC-拉索的控制系统模型;然后结合拉索振动特点以及模糊控制规则设计出模糊控制器;最后对拉索在不同形式激励下进行主动控制的仿真计算。结果表明,采用MFC作为作动器进行拉索的振动控制是完全可行的,运用模糊控制算法对拉索振动有良好的控制效果。

考虑剪切变形的宏纤维复合材料驱动力方程

针对经典板理论(CPT)未考虑宏纤维复合材料(MFC)的剪切变形使得计算结果产生较大误差的问题,运用正弦剪切变形理论(SSDT),引入局部位移分布函数,推导了新的MFC驱动力方程.以MFC层合板结构的端部位移为例,将基于SSDT的MFC驱动力计算结果与基于CPT的计算结果进行了比较.研究表明:采用基于SSDT的MFC驱动力方程计算的端部位移结果优于基于CPT的MFC驱动力计算的端部位移结果,且具有更好的精度和适用性,可以推广到MFC对平板结构的减振与驱动控制领域.

宏纤维复合材料MFC作动器迟滞非线性分析与补偿方法研究

作为一种新型的压电纤维复合材料作动器,宏纤维复合材料MFC(Macro fiber composite)具有响应迅速、机电换能效率高、封装完备和环境适应性强等特点,广泛应用于工程结构的振动、主动变形控制的领域。然而压电材料所固有的迟滞非线性特性直接影响着作动器的控制精度和驱动效果。构造MFC作动器驱动的悬臂梁结构的试验系统,建立基于试验数据的PI(Prandtl-Ishlinskii)和修正PI迟滞模型,进而开展针对主动控制的迟滞逆补偿模型研究。通过试验对这两种模型的准确性和逆补偿的有效性进行比较,结果表明修正的PI迟滞模型对MFC作动器的迟滞非线性特性具有良好的补偿结果,修正的PI逆模型的拟合位移是未进行电压补偿控制的2.14倍,是PI逆模型补偿控制的1.56倍。所发展的修正PI迟滞模型研究方法可以推广到其他压电材料迟滞行为的模拟。

压电纤维复合材料作动行为研究

宏纤维复合材料(MFC)是一种出力大、环境适应性强的新型高性能压电纤维复合材料。目前,MFC的作动性能多基于经典板理论(CPT)计算得到且无法得到MFC的作动力分布与精确的作动力施加位置。为此,在考虑MFC复合平板结构剪切变形的基础上,采用三阶剪切变形理论(TSDT)推导了MFC作动力公式,并以MFC复合梁结构为例,完成了不同幅值电压下基于CPT和TSDT的MFC复合梁结构作动仿真。结果表明:基于TSDT的MFC作动力计算精度更高且可以准确地反映出MFC作动力的分布特点。

宏压电纤维致动的水下推进器性能及机理

提出了一种宏压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)致动的仿鲹科身体/尾鳍(body or caudal fin,简称BCF)水下推进器。利用搭建的实验平台测试了不同驱动电压条件下推进器的摆动性能,推进器在峰峰值为1000V,频率为17.7和3Hz的激励电压下分别取得空气中最大摆幅峰峰值为45mm,水下最大摆幅峰峰值13mm。借助计算流体力学(computational fluid dynamics,简称CFD)研究了仿生推进器在稳定摆动过程中流场特性和尾迹旋涡的分布情况,从推进器端部观察到的“反卡门涡街”结构揭示了仿生推进器的流体动力学机制和摆动式推进机理。推进器端部在x方向上的平均推进力可达1.5mN。研究成果对压电纤维致动器在仿生推进器的优化设计和提高其推进效率提供技术支持。

压电纤维复合材料驱动的机翼动态形状控制

利用压电材料实现柔性机翼的主动形状控制,能够有效提高机翼结构效率和气动性能;要实现连续、光滑的高精确形状控制效果,机翼变形过程必须满足一定的动态要求。本文利用在上下翼面反对称铺设的新型压电纤维复合材料——宏纤维复合材料(MFC)提供驱动力矩,研究了机翼扭转变形的前馈轨迹跟踪控制。首先建立了机翼结构有限元模型和气动力载荷模型,采用载荷比拟法得到MFC作动器的控制载荷向量,给出了气动弹性控制方程及其状态空间表达形式。为跟踪预设的变形参考轨迹,以跟踪误差的时域积分为目标函数,对MFC作动器的电压加载历程进行了优化设计。结果表明,采用规划后的电压加载历程,机翼气动弹性响应很好地跟踪了预期参考轨迹,实现了连续、光滑的动态形状控制效果,提高了控制精度。

基于Bouc-Wen前馈及模糊PID反馈的三层MFC-PBP并联变形翼大位移控制

三层预压缩压电宏纤维复合材料双晶片(MFC-PBP)并联变形翼存在较强的迟滞非线性,严重影响变形控制精度。为了实现对其的精确变形控制,本文提出了以Bouc-Wen逆模型为前馈补偿,以模糊PID作为反馈控制器的三层MFC-PBP并联变形翼的大位移跟踪控制策略。首先,利用遗传算法对Bouc-Wen模型进行参数识别,构建前馈模型并对变形翼进行开环控制;其次,加入模糊PID反馈控制器,得到可以自适应改变PID参数的闭环控制。变形跟踪控制试验结果表明,BoucWen前馈控制的相对误差(RE)约为13.5%,将Bouc-Wen前馈模型与模糊PID结合后控制的相对误差在4%以内,提高了变形控制精度。

压电柔性结构形状复合控制方法研究

以宏纤维复合材料(MFC)驱动柔性悬臂结构为研究对象,着重开展其动态形状控制理论研究。基于有限单元法、均匀化理论和载荷比拟方法,建立了压电驱动层合结构力-电耦合动力学方程,并结合模态降阶法得到其状态空间形式控制模型。同时,针对压电材料作动器迟滞蠕变非线性特征对控制精度影响严重的问题,开展了依据实验数据的迟滞蠕变建模及其前馈逆补偿控制方法的研究,并构建了面向压电驱动柔性结构动态形状控制的迟滞-蠕变前馈补偿与自抗扰反馈控制相结合的复合控制系统。结果表明,该复合控制法能够在保证系统稳定性的前提下有效提高系统动态形状控制精度。

宏纤维复合平板结构的作动方程与试验验证

宏纤维复合材料(MFC)对板壳结构具有很好的治振效果,为了得到更为精确的MFC力电关系及提高MFC的振动控制效果,提出了一种新的MFC复合平板结构作动方程计算方法.在MFC的第1类压电方程基础上,建立了考虑泊松比与MFC薄膜应变对MFC作动力与作动弯矩影响的P1型MFC复合平板结构作动方程,得到了MFC对结构的作动力与作动弯矩.模型计算结果与公认数据进行比较,偏差在5%以内;完成了MFC复合平板结构的振动控制试验,控制前后的加速度仿真结果与试验结果之间的偏差在7.5%以内,表明本文推导的P1型MFC作动方程是适用的,可以用于MFC对平板结构的减振控制仿真计算.

MFC驱动主动反射器形面的有限时间动态变形控制

利用智能压电作动器可实现反射面天线的形面主动调整,提升形面精度和信号传输性能。常规的静态形面控制策略仅能估计作动器的末端电压值,实际电压加载过程易引发柔性反射面结构的瞬态动力学响应和残余振动,难以实现高精度动态形面控制效果,且影响系统稳定性。为此,该研究以宏纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)驱动的抛物面形反射器为对象,研究有限时间的动态形面控制算法。首先,基于有限元模型推导控制方程,并将控制问题转化为有限时间的时变LQ终端控制和跟踪控制问题,进而通过求解微分Riccati方程组(differential Riccati equations, DREs)得到反馈–前馈时变控制律。结果表明,利用所提有限时间动态变形控制算法,可实现连续、平滑的反射器动态形面调整效果,避免了电压加载过程激发的结构附加振动,可有效提升这类主动反射器的静态、动态控制性能。

压电致动的谐振式水下柔性结构动态迟滞建模及前馈补偿

具有运动灵活且操作方便优点的宏压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)致动水下柔性结构广泛应用于水下仿生推进和变形控制系统中,但是MFC的迟滞非线性严重影响了系统的定位精度和操控性能。提出了一种改进Prandtl-Ishlinskii(PI)静态迟滞和传递函数动态模型串联的复合式模型来描述MFC致动水下柔性结构谐振状态下的动态迟滞行为。首先基于所提出水下结构的准静态迟滞特性辨识得到改进PI迟滞模型参数,然后通过传递函数串联馈通环节的动态模型捕捉MFC致动柔性结构的水下谐振特性。实验结果表明所建立的复合式动态迟滞模型能够很好地描述MFC致动水下柔性结构在谐振状态下的动态迟滞行为,并且在固有频率附近一定带宽范围内仍具有较高准确性。基于复合式逆模型的前馈补偿下,水下柔性结构在谐振状态下跟踪正弦轨迹的实测位移与期望位移基本重合,补偿后二者线性度较高,显著提升了MFC致动柔性结构谐振状态下的动态定位和跟踪精度,证实了所提出动态迟滞模型和补偿方法的有效性。

基于MFC的结构静态形状控制研究

宏纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)具有体积小、主动控制适用性强、作动效果好等特点。本文开展了宏纤维复合材料MFC对结构静态形状主动控制研究。建立了悬臂梁结构有限元模型,并采用载荷比拟法计算得到了MFC压电作动器的驱动载荷。基于数值分析结果,搭建了悬臂梁结构主动控制实验平台,分析了不同加载电压下的悬臂梁的弯曲变形效果,进而分析MFC结构在静态形状控制中的力学性能。数值仿真和实验结果表明:在不同的静态电压加载下,结构的变形和加载电压近似呈线性关系;仿真和实验结果对比中呈现出较好的一致性,其最大位移误差为12.45%。最后讨论了MFC压电作动器自身时间蠕变特性对静态变形控制实验结果产生的影响,结果表明在大电压作用下MFC材料存在蠕变效应,在实际使用过程中需要关注。本文采用以悬臂梁为载体的实验和仿真研究方法对在其他横观各向同性材料的压电材料力学性能分析具有普遍适用性。

用于MFC驱动的双极性任意波形驱动器设计

设计了一种适合于宏纤维复合材料(MFC)等容性负载的双极性,且各极性电压单独可调的高压驱动电源。主电路由两个单极性放大电路构成。通过耦合电桥,实现系统的双极性交流驱动信号输出。采用嵌入式芯片作为主处理器,结合数字合成技术,使得信号波形更纯正。放大电路由运算放大级及基于MOSFET的功率放大级组成,通过电压负反馈形成闭环控制;并通过multisim对其进行了仿真分析。将驱动电源应用于MFC仿生鱼尾。系统工作稳定,取得较好的实验效果。

Theoretical and Experimental Studies of Active Vibration Control for Beams Using Pole Placement Method

The vibration control in the frequency domain is significant.Therefore,an active vibration control in frequency domain is studied in this paper.It is generally known that piezo-intelligent structures possess satisfactory performances in the area of vibration control,and macro-fiber composites(MFCs)with high sensitivity and deformability are widely applied in engineering.So,this paper uses the MFC patches and designs a control method based on the pole placement method,and the natural frequency of the beam can be artificially designed.MFC patches are bonded on the top and bottom surfaces of the beam structure to act as the actuators and sensors.Then,the finite element method(FEM)is used to formulate the equation of motion,and the pole placement based on the out-put feedback method is used to design the active controller.Finally,the effectiveness of the active control method is verified.

基于最小控制合成自适应算法的曲板结构振动控制研究

采用MCS算法,计算宏纤维复合材料(MFC)作动器经简化后的最优作动力,作用于小型曲板结构上,达到减小曲板结构在外部激励作用下的振动响应的目的。结果表明:MCS算法与MFC作动器组成的控制系统,能使曲板结构的加速度响应减小27%~30%,且无需曲板结构精确的模型参数。对该控制过程进行仿真计算与试验验证,两者相差7.4%,验证了MCS算法的有效性和鲁棒性,为曲面板的振动控制提供了新的控制策略。