含脱胶压电传感器/驱动器的智能结构的有限元分析

将压电传感器、驱动器粘贴在复合材料结构的表面可实现结构的振动主动控制 ,但若传感器、驱动器部分脱开会对结构的静、动态特性产生显著影响。建立了一个新的加强假定应变压电固体单元 ,用于压电自适应层合结构振动主动控制的模拟仿真。与现有的压电固体单元相比 ,所建单元性能更优越 ,精度和计算效率更高 ,并能用于壳体结构的分析。采用相同坐标值但不同的节点号的方法模拟脱层 ,利用该单元分析了传感器、驱动器脱开对结构动力学特性的影响。     

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件，但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响，因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性，采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模，并采用粒子群算法（PSO）辨识模型参数，与实际测量迟滞曲线进行了对比，在10~60 Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于Bouc-Wen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，实验结果显示该控制策略能够在10~60 Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型，并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真，仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能，而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。     

利用压电传感器/驱动器的柔性结构主动振动控制研究

 以粘贴有压电传感器/驱动器的柔性梁主动振动控制为例，论述了进行柔性结构传感器/驱动器及控制系统一体化研究的方法。给出了压电传感器的检测方程和驱动器的的驱动方程，以玻璃钢材料的柔性梁为实验对象，并采用自适应滤波技术来实现主动振动控制，控制系统有TMS320C25及486计算机组成的主从机系统来实现，实验结果表明此种控制方法是有效的。     

应变反馈式压电陶瓷微位移驱动器的研制

介绍了采用应变片测量压电陶瓷微位移驱动器位移的原理和设计思想，介绍了实验装置的结构，给出了实验结果，证明将应变片直接粘贴在压电陶瓷基体表面测量其位移的方法是可行性的；通过对压电陶瓷滞回特性的测定，提出了建立压电陶瓷的控制模型的基本思路。     

用于直升机振动控制的主动调谐式吸振器研究

振动问题是直升机设计中的难题,会导致机体结构疲劳、舒适性降低和高噪声等问题。通常的单桨叶控制方案由于受压电驱动器机电性能的限制而难以实现。智能弹簧是一种采用单桨叶控制原理的主动调谐式吸振器,它通过压电驱动器自适应控制桨叶根部的结构阻抗,达到振动控制目的。建立了智能弹簧的简化模型,对其谐波响应控制特性进行研究;采用频率分析和数字信号合成技术产生参考信号,在DSP平台上设计自适应陷波算法对智能弹簧驱动器组件进行控制;模拟和风洞实验结果均表明智能弹簧能够在较宽频率范围内对桨叶的谐波响应进行有效控制,验证了通过主动阻抗控制实现直升机桨叶振动控制的可行性。     

智能结构模糊振动控制的在环仿真

提出了采用压电材料作为传感器和驱动器,基于模糊逻辑的柔性结构主动振动控制方法,并在嵌入式微处理器上实现模糊控制策略.柔性智能梁结构为例,以单片机为控制器,采用数值方法在计算机上模拟柔性结构模型,利用计算机与单片机的串行通讯技术实现了梁结构振动控制的硬件在环仿真,并编制出良好的人机界面和硬件接口程序.仿真结果表明本文提出的模糊控制方法能够很好的实现对智能梁结构的振动抑制.     

基于数学建模的压电传感器动态特性补偿方法

近年来,基于压电传感器和Lamb波的结构健康监测技术因其对小损伤敏感以及监测范围广等优点被广泛地研究并应用于飞行器上。由于材料特性以及其它复杂因素的影响,压电传感器采集的信号与原始信号并不能够完全一致,需要后续补偿处理。针对圆形压电传感器,从其工作机理出发,推导了其动态特性的理论公式,建立起传感器数学模型。利用MATLAB建立数学建模仿真得到传感器模型的动态特性曲线,并与实验获得的标定曲线进行了对比,验证了模型的合理性。为了改善压电传感器的动态特性,采用零极点配置法设计了动态补偿滤波器。结果表明,经过补偿的压电传感器的各方面动态指标较未补偿前有了很大的改善,响应速度得到了很大的提高,工作频带从315.9 kHz拓宽到609.1 kHz,说明经过补偿后的压电传感器可以应用到工程实践当中。     

压电驱动器的气动弹性应用

 随着压电智能材料与结构的发展,压电驱动器在气动弹性控制领域占据重要地位。使用压电驱动器控制翼面变形,利用而不是抵抗气动弹性效应可以控制升力、力矩以及它们的分布。采用基本相同的智能结构翼面控制系统,根据不同的控制目标需求,使用压电智能材料驱动器可以达到多种目的,包括静态的形状控制与动态的颤振抑制、抖振控制与阵风响应控制。静态控制方面例如改变翼面形状获得附加空气动力以增加升力、提供横滚力矩、改变升力分布以减小诱导阻力或减小翼根弯矩等;动态控制例如利用改变翼面形状产生的附加空气动力作为控制载荷,改变气动弹性系统的耦合程度,根据控制效果要求可作为气动阻尼、气动刚度或气动质量。这种控制方法可以减轻结构重量,提高操纵效率,扩大飞行包线,提高材料利用率,已成为可变形飞行器的重要研究内容。本文主要阐述压电驱动器气动弹性应用的动机与机理、发展与成就以及问题与展望。     

利用压电驱动器改善飞机横滚性能的试验验证

利用分布粘帖在矩形机翼上下两面的压电驱动器,探索使用该类结构提高飞行器横滚能力的可能性。通过风洞模型设计、材料性能测试、模型固有特性测试、压电柔度矩阵测试等试验项目,保证了有限元模型的计算精度,最终通过模型的风洞试验验证了利用气动弹性效应,获得了附加升力与横滚力矩的方案。该原理性试验说明利用分布式压电驱动器改善横滚性能是可行的。     

压电陶瓷驱动器的迭代学习逆补偿混合控制

由于压电驱动器具有迟滞、蠕变等非线性特征,在精密定位中存在较大的位移跟踪误差。本文对此提出了一种逆补偿和迭代学习控制算法相结合的控制方法。利用逆补偿器作为前馈,使压电陶瓷驱动器的位移跟踪误差得到一定的补偿,再利用迭代学习控制方法进行反馈,进一步减小压电驱动器的位移跟踪误差。仿真实验结果表明,该方法具有良好的控制效果,能够将驱动器的输出位移误差由37.26%减小到0.51%以内。     

航空发动机控制系统性能恢复设计:H_∞/PR

对于航空发动机这样一类状态及输出矩阵存在摄动的系统,提出了一种直接根据性能指标作为恢复的目标的性能恢复理论设计方法。首先进行具有稳定及性能鲁棒性的状态反馈的H∞控制设计,然后通过设计一个状态观测器使得上述状态反馈控制的特性得以恢复。     

Modeling and flapping vibration suppression of a novel tailless flapping wing micro air vehicle

This paper establishes and analyzes a high-fidelity nonlinear time-periodic dynamic model and the corresponding state observer for flapping vibration suppression of a novel tailless Flapping Wing Micro Air Vehicle(FWMAV), named NPU-Tinybird. Firstly, a complete modeling of NPU-Tinybird is determined, including the aerodynamic model based on the quasi-steady method, the kinematic and dynamic model about the mechanism of flapping and attitude control,combined with the single rigid body dynamic mod...     

永磁直线同步电机无传感驱动系统全速范围位置估计新方法

为了适应直线电机速度变化范围大的特点,针对永磁直线同步电机(PMLSM)无传感驱动系统中难以在全速范围内精确提取动子位置信息这一问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波法(EKF)和位置闭环观测器的复合新型位置估计算法。在电机起动与低速时采用EKF,在中高速时采用位置闭环观测器,在速度承接区域采用EKF和闭环观测器算法的加权复合,以实现PMLSM从起动到高速全速范围内高精度的位置估计。仿真试验结果表明,提出的方法在全速范围内能较准确地估计出电机的位置信息。     

基于电压电流混合模型的新型磁链观测器

针对传统磁链观测器存在的积分饱和及直流漂移等问题,提出一种改进的电压电流混合模型磁链观测器。通过对定子磁链观测器的理论分析,对传统电压模型积分方法进行改进并结合电流模型磁链观测器,提出了基于电压电流混合模型的磁链观测器,可以在全速范围内观测到精确的定子磁链,解决了在不同转速下,直流偏置、幅值衰减和相位偏移等问题。混合磁链观测器在中速区存在相位误差,引进补偿环节,对混合模型的输出结果进行相位补偿,降低了饱和效应引起的误差影响,提高了磁链观测器的动态性能。通过仿真对比,验证了改进混合模型磁链观测器在永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制中的可行性和优越性。     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题，基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子，基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程，求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性，构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型，预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明，提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近，因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。     

考虑多边界状态约束的飞翼布局无人机姿态控制

以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,针对强扰动环境下多边界状态约束时的飞行姿态控制问题,提出一种指令-控制律联合限制的全状态约束控制方法。该控制方法分别独立设计了指令边界限制器、过渡指令产生器和指令跟踪控制器3个部分。首先,基于无人机动力学特性设计的指令边界限制器,利用无人机的各个状态边界来限制姿态控制器的指令,实现了将非受控状态的约束问题转化为受控状态的约束问题;其次,基于"安排过渡过程"的思想并考虑约束限制环节,设计了过渡指令产生器,为无人机在线生成从当前姿态到期望跟踪姿态的过渡指令;最后,基于障碍Lyapunov函数和扩张状态观测器,设计了指令跟踪控制器,使无人机能够克服干扰且快速稳定地跟踪过渡指令。通过采用Lyapunov稳定性理论分析,该控制方法能够保证姿态跟踪误差收敛有界,且始终处于给定区间内部。仿真结果表明,该控制方法能够保证无人机飞行状态在不超出约束边界的同时,实现对姿态指令的准确跟踪。     

基于滑模的多无人机系统协同编队控制

针对具有非完整约束的多无人机系统编队控制问题，提出了一种基于滑模的协同编队控制算法。控制目标是使多无人机系统能够收敛到期望编队，并且能够跟踪上期望的运动轨迹。在领导-跟随结构中，编队的期望运动轨迹由一个动态的虚拟领导者来表示，仅部分跟随者先验已知虚拟领导者信息，并且所有跟随者之间只能局部交互信息。首先，采用分布式状态观测器，使所有跟随者能够在有限时间内估计出虚拟领导者的状态。然后，利用该观测器的估计状态，提出了基于滑模的协同编队控制算法。最后，基于李雅普诺夫稳定性理论证明了多无人机系统的稳定性,并且通过5架无人机的仿真验证了所提算法的有效性。     

用于涡轴发动机传感器故障诊断的未知输入观测器干扰矩阵估算

针对处理涡轴发动机控制系统传感器故障诊断问题时有着良好性能的未知输入观测器展开研究,分析了与系统建模误差相关的干扰矩阵对未知输入观测器观测出的系统状态准确度的影响,提出了一种基于全阶状态观测器的涡轴发动机系统模型干扰矩阵的估算方法,该方法对某一固定工况下的干扰矩阵估算十分准确,使得根据此干扰矩阵设计出的未知输入观测器可以完全不受系统建模误差的影响.在此基础上,又给出了一种适应于更广泛工况范围的干扰矩阵近似方法,使得变工况下的未知输入观测器一样不受建模误差的影响.仿真结果表明:基于该方法估算出的干扰分布矩阵可以保证观测器具有良好的性能,在变工况下对发动机输出量估计残差的二范数不大于2.      

基于扩张状态观测器的动态逆过失速机动飞行控制

针对飞机过失速机动飞行控制问题,提出了一种将动态逆与扩张状态观测器相结合进行扰动估计补偿的新思路。根据时标分离原则将飞机状态分为快变量和慢变量,并分别设计了两个回路的动态逆控制器。在快慢回路分别引入扩张状态观测器对系统的不确定部分进行估计补偿,抵消不确定部分对系统动态特性的影响。最后对控制律进行了过失速机动仿真。结果表明,在存在较大参数摄动情况下,设计的控制律能控制飞机跟踪控制指令,表现出良好的稳定性和鲁棒性。     

Detumbling and reorientation maneuvers and stabilization of NASASCOLE system

The questions of rotational maneuver and vibration stabilization of the NASA Spacecraft Control Laboratory Experiment (SCOLE) system is considered. The mathematical model of the SCOLE system includes the rigid body dynamics as well as the elastic dynamics representing transverse and torsional deformations of the elastic beam connecting the orbiter and end body (reflector). For the rotational maneuver, a new control law (orbiter control law) is derived using an orbiter input torque vector. Detumbling and reorientation maneuvers of the SCOLE system are accomplished using this control law; however, this excites the elastic modes of the beam. The orbiter control law asymptotically linearizes the flexible dynamics. Using the linearized model, a linear feedback control law is designed for vibration suppression. An observer is designed for estimating the state variables using sensor outputs which are also used for the synthesis of the control law. Simulation results are presented to show that in the closed-loop system detumbling and reorientation maneuvers can be accomplished and the effect of control and observation spillover is insignificant