压电智能梁振动控制中致动片优化布置与实验

对压电智能梁振动控制中压电致的动片的大小与位置进行了优化研究。首先导出了这种系统的机电耦合的压电传感方程和压电致动方和压电致动方在于致动器的模态影响矩阵。给出了一个用于压电致动片大小、位置与数量优化的简单实用的优化准则。仿真结果表明,优化布置的压电致力可非常显著的降低控制所需能量。     

自适应压电桁架形状控制中作动器优化配置

以压电作动器为控制元件,建立了自适应桁架形状控制基本方程.考虑结构性状约束和电压限制,建立了以作动器位置和控制电压为设计变量,以形状精度、控制能量和作动器数目的加权表达式为目标函数的作动器优化配置数学模型.由于作动器和普通杆具有不同的单元刚度,作动器每一种不同的位置配置都会导致结构总刚度矩阵的变化,因此单独采用遗传算法需要进行大量的结构计算.为了减少结构分析次数,提出了多点近似、遗传算法和二次规划相结合的优化方法.算例结果表明本文方法具有很高的求解效率.      

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此,基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后,采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型,包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数,采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统,并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型,为后续的控制奠定了良好的基础。      

配置压电自感作动器智能板振动的主动控制

将板的横向位移按模态展开,对配置压电自感作动器的薄板建立了模型,给出以广义模态坐标为状态变量的状态方程和以传感电流为输出的观测方程,在此基础上,对系统进行了LQG控制和H_∞控制.文中对配置3对压电自感作动器的四边简支薄板结构做了数值仿真,将H_∞控制结果与LQG控制做了比较,绘制出干扰 ω与广义模态速度v 之间传递函数的H₂范数图,同时给出速度、位移响应图,所需作用电压图.仿真结果说明本文的控制方法是有效的.     

一种新颖超磁致伸缩作动器的隔振模型

根据超磁致伸缩材料的本构方程分析了超磁致伸缩作动器输出位移的组成,以此为根据建立了基于超磁致伸缩作动器的单层单自由度隔振平台数学模型.该模型以平台在激振力作用下产生的振动位移为系统干扰输入;根据此模型分析了基于超磁致伸缩作动器的隔振原理;在频域内推导出了系统隔振能力与激振力频率及作动器最大输出位移之间的数学关系,然后在时域内采用自适应LMS(Least Mean Square)算法在Matalb环境下进行仿真.仿真结果与理论分析均表明,隔振平台的隔振能力与激振力频率的平方以及作动器最大输出位移成正比,从而为合理设计隔振平台用超磁致伸缩作动器提供了理论依据.该模型不仅可用于分析基于磁致伸缩作动器的隔振原理,对其它作动器的隔振原理也适用.      

摆动扫描式地球敏感器电信号源研究

摆动扫描式地球敏感器常采用电信号源作为激励参与卫星地面测试.为更真实揭示敏感器自身特性以及减小信号源误差,推导了敏感器测量方程和扫描方程,分析了电信号源的误差来源,并提出了改进的地球敏感器信号源实现算法.该方法概念清晰,计算量小.试验测试结果表明该算法提高了地球敏感器信号源精度.     

压电智能结构和反馈控制的集成优化设计

针对挠性结构振动控制中智能材料的特性,综合考虑压电敏感器/致动器的位置、尺寸、质量及其对挠性结构刚度特性的影响和控制律,建立系统状态空间模型,提出一种新的优化配置的性能指标和集成优化设计方法。运用李雅普诺夫稳定性定理证明了闭环系统的全局渐近稳定性,性能指标的最小值可取为相应矩阵的迹而不依赖于系统的初始状态。采用遗传算法寻优,数值仿真结果表明,该设计方法能够快速的抑制系统的振动。     

一种基于虚拟星敏感器的卫星姿态确定方法

对于配置多个星敏感器的卫星,采用常规的定常增益卡尔曼滤波方法进行姿态确定时,存在滤波定常增益矩阵众多、系统复杂的问题,为了简化滤波系统设计,统一定常增益矩阵,提出一种基于虚拟星敏感器的姿态确定方法.给出一种计算量小、适合星载计算机在轨实时计算的星敏感器时间滞后补偿及相对基准标定算法,将星敏感器的输出数据统一到当前星时,同时将星敏感器的测量基准统一.基于单星敏/双星敏的输出数据构造虚拟星敏感器(安装矩阵为单位阵)的输出数据,设计统一的定常增益矩阵进行姿态确定.仿真结果表明,本方法与常规的定常增益卡尔曼滤波方法姿态确定精度相当,从而验证该方法有效,且具有重要的工程应用价值.     

压电悬臂梁智能元数字仿真模型设计及分析

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.     

包含密集模态的空间结构的模糊主动振动控制

分析和总结了典型密频系统特性及其对控制的影响．针对密频系统的模态不稳定特性及密集模态的低可控度问题,引入一定数量的压电类智能结构作为传感器和作动器,基于独立模态空间设计了针对结构包含密集模态的参数自调整模糊主动振动控制系统．该系统对密频系统的不确定性和溢出干扰项具有鲁棒性,且能充分利用作动器的作动能力,在作动能力有限的前提下,相比于传统控制方法可更为有效地抑制结构振动．最后以典型密频系统在轨工作时受到的两种主要激励模式为例,仿真证实了该方案的正确性和有效性．     

压电自适应桁架结构主动控制模型及实验

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了压电柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究.由传感器、作动器与柔性梁组成压电自适应桁架结构.基于自适应结构的机电耦合理论,在测量位移的情况下,采用改进的二次积分力反馈控制方法研究了空间压电柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题.建立了压电柔性自适应桁架结构主动控制实验系统,并对这类自适应结构进行了实时计算机振动主动控制实验研究.实验研究表明柔性自适应桁架结构能够改善结构的动力学特性,对外界的干扰具有良好的自适应性.     

Optimization of fault-tolerant thruster configurations for satellite control

The fault tolerance of spacecraft actuators significantly affects the reliability of satellites and the likelihood of successful missions. To enhance the fault tolerance of the actuators, this study derives optimal fault-tolerant configurations of fixed thrusters that maximize the controllability of a fully-actuated or underactuated satellite. The proposed method optimizes thrust and torque directions generated by the thrusters. Thus a cost function in terms of the thruster locations and directions is defined as the summation of the generated control forces and torques with respect to the body-fixed frame. The optimal configuration is obtained by the successive use of an energy potential method that is motivated by Thomson’s problem. Some numerical examples are provided that show the effectiveness of the proposed formulation and optimization method.     

基于多项式级数法的线性时变系统的结构分析

采用多项式级数变换法对时变线性系统的结构性质,主要是能观性、能控性进行了初步研究。对于多项式展开后得到的近似系统－ｍ级数值模型,给出了相应的不能观、能观、能控的定义及状态转移系数阵的概念;并且得到了在这种定义下,近似系统在某点的可观性、可控性和原时变系统在这点可观性、可控性之间的关系,从而说明进一步运用多项式展开后的系数阵来判别原时变线性系统的能观性、能控性以及其它结构性质的研究是很有可能的。     

挠性空间结构的密集模态特性及影响分析

挠性空间结构周期性构型引起的低频段模态密集问题给振动控制中的控制对象建模、传感器优化配置和控制方案设计等造成困难.本文推导密频结构模态不稳定特性的产生机理,随即证明模态不稳定特性引发模型不确知性,而后基于可控性Gram矩阵的奇异值分析了密集模态的低可控度,并通过分析剩余模态的作用机理,说明模态密集将加剧溢出问题.在分析密集模态特性及影响的同时,给出控制设计中应注意的问题及可能的解决途径,对密频挠性结构在轨振动控制设计具有重要参考价值.     

一种新型的挠性航天器作动器布局优化方案

针对挠性航天器振动抑制中的作动器优化配置问题,综合考虑闭环系统的可控度和作动器的电缆长度,提出一种新型的复合优化指标,在完成振动抑制的同时,有效缩减作动器电缆长度,减小航天器能量损耗及电磁干扰;在此基础上,采用遗传算法,完成作动器安装位置的快速寻优。本文采用实际尺寸的挠性帆板有限元模型,通过大量的数值仿真,验证了所提方法的有效性     

柔性自适应桁架及其振动最优控制实验

基于dSPACE系统和所研制的锆钛酸铅(PZT)压电作动器,建立了第一阶频率低达5Hz的三棱柱自适应桁架实验平台,通过有限元建模和实验参数修正,利用异位加速度反馈信号进行了线性二次型Gauss(LQG)最优反馈控制实验和仿真.结果表明:对比无控状态,采用最优控制只需很小控制电压,可使桁架在低阶典型频率激励下的振幅降低90%以上;而当桁架受扰动后,振动衰减时间减少超过80%;验证了实验平台配置的合理性和所研制的PZT压电作动器、控制模型的有效性;控制数值仿真与实验在加控前后振幅抑制程度相同,控制仿真与实验中振幅衰减过程的差别通过激振过程仿真与实验的对比得到了阐明.