Finite element modeling and feedback control of piezoelectric smart structures

Presents the general formula derived with a smart beam structure bonded with piezoelectric material using the piezoelectricity theory, elastic mechanism and Hamilton principle for electromechanically coupled piezoelectric finite element and dynamic equations, the second order dynamic model built, and the expression of state space, and the analysis of conventional speed and position feedback and the design of optimum feedback controller for output, the finite element models built for a piezoelectric cantilever beam, and the feedback controller designed eventually, and concludes with simulation results that the vibration suppression obtained is very satisfactory and the algorithms proposed are very useful.

微加速度计电磁力反馈系统设计与仿真分析

针对电容式加速度传感器的闭环控制需求,设计了一种电磁反馈系统,以满足用于惯性导航的高精度加速度传感器的需求。该系统保证了加速度传感器具有高机械灵敏度的同时,还能拓宽其量程。建立了电容式微机电系统(MEMS)加速度传感器的闭环控制模型,并对电磁结构进行了有限元分析。仿真结果表明:线圈电流为277.3μA时,电磁力达到了1.509 mN。当输入反馈电压为-19.1~19.1 mV时,反馈系统能实现加速度传感器在±5g(g=9.8 m/s^(2))范围内的闭环控制。计算表明加速度传感器敏感结构的机械噪声为1.22×10^(-8)g/Hz^(1/2)。利用Simulink分析可知,在±5g范围内,电容式MEMS加速度传感器闭环控制系统的反馈电压与输入加速度具有良好的线性关系,其灵敏度为3.8 mV/g。

改进VSG有功和无功双回路的协同反馈控制策略

为了减缓可再生能源入网时会产生的功率振荡问题,提出了一种虚拟同步发电机(VSG)控制回路的改进方法.分析了现有模型,并对有功和无功控制回路进行了详细说明.在传统下垂控制的基础上引入协同控制理论,设计了有功和无功部分的协同控制器,将对应控制器的输出以负反馈的形式分别添加到2个控制回路中,完成了对原有模型的改进.该方法通过宏变量中的状态变量建立了有功和无功控制回路之间的参数联系,实现了2个回路的协同控制.与原有模型的控制结果进行了对比,结果表明,增加反馈环节可以减小虚拟同步发电机的输出功率和频率振荡,证明了该策略的有效性.与单反馈协同控制相比,双反馈协同控制形式在三相短路故障情况下能进一步减小系统的输出超调量,且状态变量均能在0.5 s内实现稳定控制.对协同控制参数影响的分析为后期参数的选取提供了参考.

基于VMD-ICA的水下激光雷达抗散射信号处理方法

提出一种基于变分模态分解(VMD)与独立元分析(ICA)相结合的水下信号处理方法.该方法运用VMD将一组回波信号分解为多组按照频率高低顺序排列的本征模态信号.然后,将这些模态信号作为ICA的观测矩阵,以确保分离所得目标回波信号的完整性.该方法提出将分解所得的各层模态信号与原信号进行相关性和信杂比比较,以确定其分解层数.应用ICA方法对散射与目标回波进行分离,从而恢复强散射水体中的微弱目标回波,大大提高其测距精度.进行不同衰减长度水体的532 nm调频连续光水下测距实验.经实验验证,该信号处理方法在激光输出功率2.3 W时,成功实现对9个衰减长度内目标的测量,使用算法将测距精度由16 cm提升至5 cm以内.

数据要素乘数效应的内涵与实现逻辑

数据是数字经济时代的关键生产要素,国家高度重视发挥数据要素乘数效应、赋能经济社会发展。基于凯恩斯主义经济学框架分析数据要素乘数效应的内涵,结合数据要素乘数效应的有利条件和制约因素分析其实现逻辑。研究发现,数据要素乘数效应的内涵包括溢出效应和反馈效应两方面,数据要素的开发利用可以提升投资水平、消费水平、供需匹配效率和政府调控能力等,从而实现溢出效应。研究还发现,数据要素开发利用过程中,可以通过干中学不断提高原始数据积累水平、畅通数据流通渠道、提高数据分析能力,从而实现反馈效应。数据要素乘数效应的实现逻辑包括:非竞争性可以使数据要素实现报酬递增和正反馈循环,是数据要素可以发挥乘数效应的根本原因;规模经济、正外部性、干中学效应和生产力跃迁是数据要素发挥乘数效应的有利条件;低数据质量、隐私负外部性、数据共享机会成本、数据安全保护成本等可能制约数据要素发挥乘数效应。研究表明,要促进企业数字化转型,构建跨界融合的数据要素应用生态;加强数商生态体系培育,畅通数据要素流通渠道;完善数据要素安全保护制度和公共服务,培育数据安全风险管理产业生态;以效率和公平为目标,完善数据要素收益分配机制。

考虑转向延迟特性的自动驾驶车辆路径跟踪控制方法

自动驾驶路径跟踪系统是实现L2级以上自动驾驶的重要支撑技术。线控转向系统存在的延迟响应特性会降低路径跟踪控制器的鲁棒性和控制精度,甚至在高车速下存在失稳现象。针对以上问题本文设计了前馈加有限时域全状态反馈的误差跟踪控制架构,在此基础上将转向系统延时作为1阶惯性环节进行模型化表达,并作为状态变量增广融合到误差跟踪控制架构中。本文利用联合仿真试验对提出的跟踪控制器进行了对比验证,验证结果证明本文提出的控制器在直角弯道和高速换道场景下,最大横向误差小于0.3 m,转向盘的转角均方差分别降低1.93%和64.22%。最后的实车试验结果表明,本文提出的控制器在高速换道场景下能够有效提升横向控制精度,最大横向误差小于0.11 m。

工科专业构建课程思政评价反馈激励机制探索

构建课程思政的评价反馈激励机制是确保课程思政教育可持续发展的关键一环。针对工科专业特点,论述实施课程思政的作用和必要性,提出将课程思政的评价反馈激励机制融入已有的教学评价制度中,一可避免重复建立评价机制,增加评价机制的有效性;二可避免重复评价,不增加实施成本;三可确保各方面评价的一致性。

基于改进Elman神经网络的光功率预测方法

提出了一种改进的Elman神经网络的光功率趋势预测方法。增加了输出层与承接层之间的反馈环节,引入了附加动量和变学习率算法,建立了基于改进Elman神经网络的预测模型。实验表明,BP和传统Elman神经网络相比,改进后的Elman神经网络具有良好的动态性能,训练速率快,实现了对光纤线路状态趋势的预测。

双线圈永磁接触器拓扑电路数学建模与仿真

在研究双线圈永磁操动机构的结构形式与工作原理的基础上,提出了适用于双线圈永磁接触器的分合闸过程的拓扑电路结构。建立了双线圈永磁接触器的分合闸过程的拓扑电路数学模型,并分别采用了C语言编程和MATLAB仿真软件实现对未引入反馈环节和引入反馈环节的双线圈永磁接触器的拓扑电路模型进行了仿真计算。仿真与实验结果表明所提出的双线圈永磁接触器拓扑电路的数学建模方法的正确性,同时,在引入反馈环节的拓扑电路中,分合闸过程的线圈电流平均值明显减小,可有效改善永磁接触器的动态特性。

混凝土拱坝温控的动态分析理论与实践

温控防裂是混凝土高拱坝的关键技术问题和难题之一。以小湾超高拱坝为背景,从混凝土材料、理论方法、施工及工程措施等方面系统地研究与温控防裂有关的核心技术问题,制定温度场仿真分析的合理、可行、科学的技术路线,建立拱坝温控的动态跟踪仿真反馈分析系统及信息化动态设计方法,提出抗裂安全度取值建议、合理的温控设计方案,实现拱坝施工期全过程仿真反馈分析及温控措施的动态优化设计。实践表明,该研究成果对指导小湾拱坝的设计、施工具有十分重要的理论意义和现实意义。

压电悬臂梁的动力学建模与主动控制

为计及压电层的刚度特性,基于一阶剪切变形理论推导压电层合梁的抗弯刚度,由Hamilton变分原理建立压电层合梁的有限元模型,采用模态叠加方法对有限元模型降阶。在应变最大处配置制动器和传感器,基于鲁棒极点配置算法对低阶系统设计状态反馈,配置极点至期望位置。把针对低阶系统设计的控制器作用于原系统以实现振动主动控制。数值算例验证了这种力学建模方法和控制器设计方法的有效性。

压电悬臂梁振动的模态控制

结合有限元分析方法与模态控制来抑制悬臂梁的振动.采用有限元分析方法研究悬臂梁的动态特性,建立其动力方程.在悬臂梁振动时应力最大或次最大处的上、下表面同位配置压电片,作为抑制悬臂梁振动的致动器.基于模态控制方法,设计了模态传感器和模态致动器.采用模态速度负反馈进行反馈控制,以此计算出各个作为致动器的压电片的控制电压,以抑制悬臂梁的振动.通过算例进行数值仿真,结果表明,以此方法布置压电片和输入控制电压,能迅速抑制悬臂梁的振动,可单独或同时控制几阶模态振动.

振动条件下楔形垫圈的防松性能研究

螺纹松动是影响机械产品可靠性和安全性的重要因素之一,楔形垫圈是一种特殊结构的防松产品,越来越得到工业界的重视,但是其防松机理没有完全得到揭示。采用有限元仿真与试验分析相结合方法,评估了振动条件下楔形垫圈的防松性能,从正负反馈调节的角度分析了楔形垫圈的防松机理,并系统研究了楔形角、垫圈外径、摩擦因数和材料特性对楔形垫圈防松性能的影响规律。研究结果表明:楔形垫圈在振动条件下具有良好的防松性能,这主要因为楔形垫圈的使用导致螺纹松动时预紧力增加,螺纹面滑移面积减少、松动减弱,这是一个负反馈调节的过程,最终导致螺纹松动停止、预紧力不变;同时楔形角、垫圈外径和材料刚度越大,楔形垫圈的防松性能越好;另外上下放射状齿形表面的摩擦因数也是影响楔形垫圈防松性能的重要因素,为了保证楔形垫圈的防松性能,上下放射状齿形表面的摩擦因数要比上下垫圈摩擦因数大0.06以上。最后进行了横向振动试验,验证了仿真结果的可靠性。

能动薄镜面的有限元分析

介绍了我们采用有限元法对能动薄镜面进行计算分析的一些结果：（１）利用“ＡｌｇｏｒＦｅａｓ”有限元软件系统建立了直径厚度比为６２．４：１薄镜面的有限元模型，并利用该模型进行了以下的工作；（２）计算了在重力作用下，不同驱动器支撑数量时薄镜自身的变形量；（３）计算了该镜面在不同的驱动器排布方式下拟合准Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式几个低阶象差时薄镜面的应力分布情况和薄镜对不同象差的拟合误差，并从得到的计算数据中分析了薄镜面对象差的拟合误差、驱动器数量和驱动器排布方式之间的关系，以及薄镜的应力分布同驱动器排布方式的关系；（４）计算并得出了薄镜厚度值不同时的应力分布以及厚度对薄镜面拟合象差能力的影响。

三峡工程船闸边坡的反馈分析

建立了岩石高边坡力学参数的联合位移反分析模型，该模型可以预测复杂区域材料的弹粘塑性力学参数，且可考虑施工爆破及卸荷的影响。依据反分析得到的力学参数，对三峡工程船闸边坡进行施工过程追踪预报分析，结果表明：边坡整体是稳定的，但存在局部失稳的可能性；边坡直立墙的最大变位可控制在 ５０ｍｍ以内，风化层的最大变位可控制在８０ｍｍ以内：开挖完成后有最大为２．６３ｍｍ的时效位移增长，发生于中隔墩直立墙的顶部，该变形在７～８个月内完成。

主动约束层阻尼梁结构复杂耦合振动的多层谱有限元法

针对全主动约束层阻尼(ACLD)覆盖的梁结构复杂耦合振动特性,采用一种新型的多层谱有限元法(MLSFEM)进行研究.该方法的特点是可避开采用谱有限元法时须求解带未知参数的高阶特征方程的困难,同时又保持谱有限元法使用很少单元却高精确度的优点.对典型算例使用该法的计算结果与采用谱传递矩阵法(STMM)获得的相应精确结果作了比较,证实了MLSFEM用于ACLD梁结构的有效性与精确性.还分别采用位移负反馈和速度负反馈两种控制策略,研究控制增益与ACLD梁结构动力特性之间的关系.结果表明,两种反馈控制策略对ACLD梁结构动力特性有着显著不同的影响.

射流管式伺服阀反馈弹簧组件分析

为了获得最优化的射流管电液伺服阀反馈组件设计,对射流管伺服阀的反馈组件结构性能进行了理论推导。鉴于数学推导反馈杆刚度的不精确性,重点对弯曲反馈杆的弯曲度对反馈性能的影响进行了有限元分析。确定了射流管阀中使用的弯曲反馈杆的弯曲角度在135°左右时反馈力的影响效果较好,比其他角度反馈力提高了8.6%,进而明确了反馈组件的设计思路。在最优弯曲角度的条件下,利用有限元分析模型分析了力矩马达产生的电磁力矩作用于衔铁组件时,反馈杆与阀芯有一定相互作用力的情况下,阀芯以及射流管喷嘴偏移的位移大小变化。总结出了力矩、反馈力与阀芯位移、射流管喷嘴位移之间的关系。

永磁无刷直流直线电机齿槽力补偿控制研究

永磁无刷直流直线电机的齿槽定位力对其低速性能影响很大,而单纯的设计方法不可能完全消除齿槽力的影响,为此,必须在控制系统中对齿槽力进行补偿。针对包含齿槽力模型的理想电机控制系统进行了理论分析,指出通过引入位置反馈环节可以消除齿槽力的不良影响。利用有限元分析方法计算了电机的推力和齿槽力波形,验证了低速条件下推力波动主要由齿槽力引起,并说明可以通过位置反馈来补偿推力波动。最后,提出将一个齿槽力周期分为多个区间,然后分段进行线性补偿的简易控制方法。该方法无需高精度的定位装置和复杂的控制算法即可实现对电机齿槽力的补偿,实验结果表明,所提方法能够有效抑制电机的推力波动。

基于接触有限元模型的虚拟手指力建模研究

触觉反馈是虚拟现实应用中使人获得沉浸感的重要方式。随着现实设备和显示技术的日趋成熟，触觉和力反馈的研究已成为研究的焦点之一，如何度量虚拟手在接触物体时反馈的力的大小，将是力反馈中的首要一步。对此，该文在研究了力反馈类型的基础上，给出了虚拟手指与虚拟物体间的接触数学模型，提出了基于接触有限元的接触数学模型，并采用ＡＮＳＹＳ对基于非均匀有理Ｂ样条的手指表面和虚拟按钮间的接触变形和力分布情况进行了计算，得出了力反馈所需要的接触力大小。

用压电元件实现复合材料层合板振动控制的数值分析

采用板的一阶剪切变形理论,对含有压电材料层的复合材料层合板,从机电耦合的变分方程及 Hamilton 原理出发,建立起求解其动态响应的有限元方程。同时也给出了压电材料层作为传感元件时的传感方程及作为作动元件时的作动方程。并采用速度反馈控制实现了层合板的主动振动控制。最后给出了计算实例。