基于内模控制的多输入多输出高阶振动系统

常规的比例-积分-微分(PID)控制器一般用于单输入单输出系统。对于具有多个输入和多个输出且相互之间具有较强耦合作用的高阶多变量系统,PID控制器的设计常难以实现。针对高阶柔性结构振动控制问题,提出如下PID控制策略：首先在某一频段内对频响函数进行拟合降阶,建立过程模型,然后采用内模控制方法和麦克劳林展开式设计多输入多输出振动系统PID控制器。以4层刚架进行建模仿真计算,结果表明,通过本文方法设计的PID控制器,可以在避免未控模态影响的前提下,使外部干扰得到有效抑制,得到比较理想的控制效果。     

基于逆系统方法的多输入多输出非高斯驱动信号生成

多输入多输出(MIMO)振动环境试验是振动试验的新方法,该方法比传统的单输入单输出(SISO)方法更真实地模拟了结构在实际工作下的振动环境。传统随机振动试验的频域方法所模拟的是平稳高斯信号,但是实际振动环境往往是超高斯的,且超高斯激励和高斯激励对结构的损害差异很大,因此对MIMO超高斯振动环境试验的研究十分重要。驱动信号的产生是振动环境试验的关键。提出一种基于逆系统的MIMO超高斯驱动信号生成方法。首先,根据给定的响应参考功率谱密度(PSD)和参考峭度值采用相位调节法生成参考响应超高斯伪随机信号;其次,利用逆系统方法生成超高斯伪随机驱动信号;最后,对伪随机驱动信号进行时域随机化处理得到超高斯真随机驱动信号。对一根两输入两输出的悬臂梁模型进行了仿真验证,结果表明,采用本文方法所得到的驱动信号加载在梁上后,其输出响应谱与给定参考谱之间的误差完全满足工程中常用的±3 dB的要求,而且峭度也与给定的参考值十分接近,证实了所提方法的有效性。     

MIMO随机振动试验控制的逆多步预测模型法

多输入多输出（MIMO）随机振动试验在产品可靠性验证中扮演重要角色。逆系统方法作为一种时域方法，直接由参考信号（即期望得到的响应信号）生成驱动信号，但容易产生不稳定的结果。本文以系统的有限差分模型为基础，推导了逆多步预测模型，并建立了该逆模型与矩阵幂次算法结合的MIMO随机振动试验方法。通过悬臂梁模型进行双输入双输出仿真试验，验证了逆多步预测模型进行MIMO随机振动试验驱动生成的可行性。在三轴振动台上进一步验证该方法进行MIMO随机振动试验控制的能力。     

MIMO窄带加宽带非高斯随机振动试验

提出了一种用于多输入多输出窄带加宽带非高斯随机振动试验方法。首先，详细分析了随机相位与非高斯随机信号偏度和峭度的关系，提出了一种可用于快速生成具有指定偏度和峭度的迭代相位调节法。其次，根据控制通道之间的耦合关系，利用各通道之间随机相位的不相关特性，实现了多通道非高斯随机信号生成的解耦。然后，将生成的非高斯随机信号作为参考输出响应，采用时域逆系统方法生成驱动信号，并利用控制算法分别对响应信号的功率谱、偏度和峭度进行控制。最后，通过三轴向振动台试验验证了本文提出的多输入多输出窄带加宽带非高斯随机振动试验方法的可行性。结果表明，控制点上加速度的功率谱被控制在了±3 dB的容差限内，满足预设的容差要求。同时，时域响应信号的峭度和偏度也满足给定的参考要求。     

多自由度非高斯随机振动控制

在振动试验台上进行多自由度(MDOF)随机振动激励时,传统的控制方法生成的驱动信号及试验台的响应信号都是高斯信号。但真实的振动干扰信号多是超高斯的;而相比于高斯激励,亚高斯激励可降低驱动信号的最大幅值。为实现多自由度亚高斯和超高斯振动控制,提出一种多自由度非高斯随机振动控制方法,该方法采用系统辨识解决系统耦合问题,而后通过选择特殊的相位生成非高斯伪随机驱动信号,再经过时域随机化得到真随机非高斯驱动信号。基于Hexapod平台的多自由度微振动试验台的亚高斯和超高斯实验表明,在试验台的响应功率谱(PSD)满足工程中常用的±3dB精度的同时,亚高斯驱动信号的最大幅值相比于高斯驱动信号的最大幅值降低了20%以上;超高斯响应信号的峭度与参考峭度的误差在0.2之内。实验结果验证了所提方法的有效性。     

航空发动机小波神经网络PID控制

提出了一种基于小波神经网络在线辨识的航空发动机比例-积分-微分(PID)控制算法.网络采用三层前向网络结构,以小波函数作为隐含层的激励函数.采用离线训练的方式训练出网络参数,以网络输出和输入之间的偏导数代替发动机模型输出和输入变量之间的偏导数,用以在线修正PID控制器的参数.阶跃响应测试表明,用小波神经网络整定的PID控制系统动态调节时间小于2s,稳态误差为零,在全飞行包线内均稳定正常工作.      

利用FIR滤波器生成随机振动试验驱动信号的新方法

 阐述了一种利用有限冲击响应(FIR) 滤波器生成随机振动试验驱动信号的新方法。该方法通过设计一个FIR 滤波器对白噪声序列进行滤波,使滤波器输出序列的功率谱密度满足试验驱动信号的要求。在随机振动试验控制中,将FIR 滤波器和试验的受控对象组成增广系统,这将有助于简化对控制系统的分析和设计。     

基于误差通道在线辨识的直升机结构振动主动控制研究

 提出一种基于误差通道在线辨识的有源控制方法,并把它应用于直升机结构振动的主动控制。针对一直升机模型与前人的方法进行了比较,并进行多输入多输出的主动控制仿真。仿真结果表明,这种控制方法明显优于前人的方法,说明这种基于误差通道在线辨识的多输入多输出的主动控制方法对直升机结构振动有很好的抑制作用。     

直升机贴地飞行地形跟踪控制器的广义预测控制方法

本文采用广义预测控制(GPC)方法设计了直升机贴地飞行地形跟踪器.该方法通过最小化预测跟踪误差与预测控制增量的加权二次型性能指标来产生最优控制输入.本文在多输入/多输出飞行轨迹控制系统中采用单输入/单输出(SISO)广义预测算法即可精确跟踪其中一个输出变量.通过简化的直升机动力学模型的计算结果表明广义预测控制可在纵向平面内精确跟踪预定飞行轨迹.     

结构随机振动响应计算方法研究

根据自动控制原理，引用随机振动试验中的控制说概念，在输入、系统和输出三者之间建立起闭环反馈回路，在控制点的功率谱满足要求的情况下，对结构随机振动响应进行计算，从而得到结构上各点的振动响应值。     

多点简谐振动响应控制下的频响矩阵测试

应用频响矩阵建立了多维振动系统输入输出之间的数学模型。探讨了一种多点简谐振动响应受到控制时的频响矩阵测试方法;分析试验中系统的实际响应和预先设定的响应参考值之间的误差,通过多次采集响应信号和激励力信号建立响应矩阵和力矩阵,根据振动运动方程求极小范数解来作为对频响矩阵的估计;给出简谐振动响应控制的算法流程,并用实测的响应信号对频响矩阵精度进行评价。试验研究表明该方法的有效性,而且响应的幅值和相位控制均满足试验的要求。     

Matrix Power Control Algorithm for Multi-input Multi-output Random Vibration Test

 Both auto-power spectrum and cross-power spectrum need to be controlled in multi-input multi-output (MIMO) random vibration test. During the control process with the difference control algorithm (DCA), a lower triangular matrix is derived from Cholesky decomposition of a reference spectrum matrix. The diagonal elements of the lower triangular matrix (DELTM) may become negative. These negative values have no meaning in physical significance and can cause divergence of auto-power spectrum control. A proportional root mean square control algorithm (PRMSCA) provides another method to avoid the divergence caused by negative values of DELTM, but PRMSCA cannot control the cross-power spectrum. A new control algorithm named matrix power control algorithm (MPCA) is proposed in the paper. MPCA can guarantee that DELTM is always positive in the auto-power spectrum control. MPCA can also control the cross-power spectrum. After these three control algorithms are analyzed, three-input three-output random vibration control tests are implemented on a three-axis vibration shaker. The results show the validity of the proposed MPCA.     

减振测试振动台及其控制系统

为验证减振器的隔振效果,设计了一套能提供典型振动条件的单自由度垂直往复运动的电液振动台及其计算机控制系统,通过该系统可以在室内模拟定频振动、扫频振动、随机振动及冲击谱等振动条件,完成所测减振器的机械力学性能或产品耐久性寿命测试等试验。系统控制部分采用上下位工控机结构,分别完成数据采集、实时控制,运行参数监控、数据处理的功能,控制策略采用模糊PID复合控制,控制参数可方便调整,能实现典型的波形再现和功率谱再现。系统运行结果表明,无论是时域还是频域均能达到满意的振动模拟。     

A novel intelligent adaptive control of laser-based ground thermal test

Laser heating technology is a type of potential and attractive space heat flux simulation technology, which is characterized by high heating rate, controlled spatial intensity distribution and rapid response. However, the controlled plant is nonlinear, time-varying and uncertainty when implementing the laser-based heat flux simulation. In this paper, a novel intelligent adaptive controller based on proportion–integration–differentiation(PID) type fuzzy logic is proposed to improve the performance of laser-based ground thermal test. The temperature range of thermal cycles is more than 200 K in many instances. In order to improve the adaptability of controller,output scaling factors are real time adjusted while the thermal test is underway. The initial values of scaling factors are optimized using a stochastic hybrid particle swarm optimization(H-PSO)algorithm. A validating system has been established in the laboratory. The performance of the proposed controller is evaluated through extensive experiments under different operating conditions(reference and load disturbance). The results show that the proposed adaptive controller performs remarkably better compared to the conventional PID(PID) controller and the conventional PID type fuzzy(F-PID) controller considering performance indicators of overshoot, settling time and steady state error for laser-based ground thermal test. It is a reliable tool for effective temperature control of laser-based ground thermal test.     

大型飞机座舱温度控制系统控制律设计

大型飞机座舱温度控制系统具有温度控制非线性、强耦合、大迟滞性等特点,对控制律设计提出很高要求。根据系统设计要求,结合执行机构动作特性,提出了一种新型座舱温度控制律。系统控制方案采用压气机出口温度控制、组件出口温度控制、座舱供气温度控制和座舱区域温度控制四级控制;压气机出口温度目标值根据大气环境温度确定,座舱供气温度目标值根据座舱区域温度控制误差确定,组件出口温度目标值根据座舱供气温度目标值中的最小值确定;使用专家比例-积分-微分(PID)控制方法设计各级温度控制器,温度控制器的设计融入了解耦控制算法和系统保护控制逻辑,控制周期由各级温度控制响应特性确定。系统地面试验与飞行试验结果显示,该座舱温度控制系统响应速度快,抗干扰能力强,控制精度高,满足系统设计要求。     

Stationary non-Gaussian random vibration control: A review

This paper presents a review of the various methods for the stationary non-Gaussian random vibration control. Random vibration tests can be divided, according to the number of exciters, in single-shaker tests and multiple-shaker tests. In the stationary non-Gaussian random vibration test, the time and frequency domain characteristics of the responses should be controlled independently and simultaneously. Skewness and kurtosis are usually selected as the non-Gaussian time control references (targets) while power spectral density is the frequency domain control procedure before it recalls the concepts of non-Gaussianity. Then, the generation of a one frame stationary non-Gaussian random signal for both the single and multiple shakers are reviewed. The commonly used methods for the single non-Gaussian random signal generation in the random vibration test are memoryless nonlinear transformation, phase modification and Filtered Poisson process. For the multiple-shaker case, the sequential phase modification and memoryless nonlinear transformation are used to generate one frame coupled multi-channel non-Gaussian random signal. In order to obtain a stationary and consecutive dynamic input, the time domain randomization procedure is introduced with high computational efficiency and its influences on the skewness and kurtosis are analyzed. Finally, two existing problems in the non-Gaussian random vibration control are addressed.     

微小型飞行器的神经网络动态逆控制方法

微小型飞行器(MAV)精确的数学模型很难得到,限制了单纯动态逆控制方法的使用,比例-积分-微分(PID)等传统的控制方法已不能满足要求。针对这一问题,研究了应用动态逆控制方法的新途径──神经网络动态逆。选取串接积分器的多层前向神经网络训练飞行控制系统的动态逆模型,并自适应补偿逆误差。用MATLAB的NNCTRL20工具箱并结合NNSYSID20工具箱建立了仿真系统。升降舵和方向舵联合控制转弯。用PID控制器、近似神经网络动态逆模块、在线神经网络补偿器构建了飞行控制系统。仿真结果表明,神经网络动态逆有较强的鲁棒性、稳定性和指令跟随能力,比PID更适合于微小型飞行器的姿态控制。     

基于一阶PPF的垂尾振动分数阶控制

针对传统正位置反馈（PPF）与一阶PPF控制器控制效果与鲁棒性不足,难以适用于结构动力学特性存在摄动的问题,提出一种新的基于分数阶微积分理论和一阶PPF的分数阶（FOPPF¹）控制器,增加了一阶PPF控制器的可设计空间。综合考虑随机响应的频域特性与整体波动强弱,构造了控制器优化设计的目标函数。以粘有宏纤维压电复合材料（MFC）压电片的垂尾模型为被控对象,设计了相应的FOPPF¹控制器。该控制器在控制目标频段内的相频特性变化平缓,可有效实现控制相位补偿,且闭环极点对参数摄动不敏感,使得控制器的鲁棒性强。通过试验研究了FOPPF¹控制器对于自由振动与窄带随机振动的抑制性能。相比一阶PPF控制器,对标称垂尾模型,FOPPF¹控制器在自由振动抑制试验中的等效阻尼系数提高了约50%。当给垂尾模型的一阶弯曲固有频率引入一定量的离线摄动或在线摄动后,窄带随机振动控制试验的结果表明,FOPPF¹控制器的鲁棒性、控制效果及控制能耗率明显优于经典的一阶PPF控制器,因此对垂尾结构的振动主动控制具有良好应用潜力。     

热振环境下钛合金薄壁结构疲劳寿命

由于钛合金薄壁结构长时间在飞行热振环境下结构内部产生不断变化的应力,可能引起结构疲劳失效,因此借助振动试验台搭建了高温振动疲劳测试系统,测定了20、150℃和300℃温度条件下钛合金悬臂薄板结构的随机振动S-N疲劳曲线,并建立了上述温度条件下钛合金悬臂薄板结构的疲劳寿命预测表达式,根据其计算得到的预测寿命与试验件的实际寿命相比误差较小,300℃、45.36 MPa应力水平下误差仅为3.76%。该方法可用于高温随机振动载荷作用下结构的疲劳性能和寿命预测研究。