压电智能结构传感器/作动器位置优化研究

研究压电主动结构振动控制当中传感器／作动器的位置优化问题。从系统的状态空间方程出发，在系统可控性、可观性Grammian矩阵特征值的基础上来描述性能指标，以控制能量最小化和传感能量最大化作为优化目标，利用遗传算法（GE）进行优化计算，计算过程中对传感器／作动器的位置采用二进制编码加以描述。通过对一压电板结构的仿真计算对该方法进行了验证，优化计算结果与枚举法结果完全相符，从而证明了方法的有效性。     

智能结构中致动器数目与位置的优化

采用最优控制理论研究智能结构振动控制机电一体化的建模过程;通过定义输入能量相关矩阵优化了致动器的数目;基于致动器的控制效能,给出了一种简单实用的致动器位置配置方法;最后针对智能悬臂粱和大型空间智能桁架结构的振动控制仿真,表明数目与位置的优化方法是行之有效的。     

空间智能桁架模糊振动控制研究

研究了模糊控制应用于多输入、多输出的空间智能桁架系统的振动控制.首先建立空间智能桁架的有限元方程,在此基础上,设计了一个标准的模糊控制器,并通过选择合适的量化因子将该标准模糊控制器应用于每一对同位布置的作动器/传感器,各个控制器之间独立工作.这样就避免了设计MIMO模糊控制器带来的复杂问题.最后针对空间智能桁架进行仿真,结果表明,设计的模糊控制器可以有效抑制桁架的振动,并且具有结构简单、鲁棒性强、抑制控制溢出的优点.     

作动器与传感器优化配置的逐步消减法

本文基于离散系统可控性和可观性的原则，提出一种选择作动器和传感器配置位置的次优方法，它根据每个作动器／传感器的可选位置对可控度／可观度的贡献大小，逐步消减作动器／传感器的可选位置，直到作动器／传感器的可选位置为希望的作动器／传感器数目为止。这种方法简单而且计算效率高。通过对一个空间桁架结构的作动器／传感器的优化配置研究，说明了这种方法的有效性。     

空间智能桁架自适应模糊振动控制

研究了一种基于自适应模糊控制器的空间智能桁架振动控制方法。在考虑剩余模态影响的条件下建立了空间智能桁架的独立模态空间振动控制方程,并对自适应模糊控制器作改进,证明了控制系统的稳定性。仿真结果表明:该自适应模糊控制器可有效抑制桁架振动,控制效果明显优于传统模糊控制,同时能抑制控制溢出和观测溢出。     

光致伸缩作动器对开口球壳的主动振动控制

基于电压源模型,推导出薄膜式光致伸缩作动器应变与光强的本构关系。建立光电层合球壳系统动力学方程及模态控制方程。利用规格化后的模态控制因子对球壳子午线方向及圆周方向的薄膜与弯矩效应进行评价,不同位置下的模态控制因子为作动器布局优化提供了依据。将LQR控制算法与光源激励策略相结合,确定光电层合球壳系统的主动控制策略。进行主动振动控制仿真,得到球壳位移及控制光强响应曲线。仿真结果表明,在较低能量的控制光强下,光致伸缩作动器可实现对球壳的主动振动控制,且振动抑制效果明显。
     

面向结构动静态变形控制的作动器综合优化配置研究

针对航天器柔性结构动态和静态变形控制的作动器布局关键问题,提出了一种综合优化配置方法.首先,基于有限元分析方法建立结构和压电作动器的模型.然后,基于可控Gramian矩阵提出了一种新的动态变形控制准则,并以形面均方根误差(RMSE)作为静态变形控制的优化准则.改进NSGA-II遗传算法的交叉和变异算子,以动/静态变形控制准则为目标,获得作动器综合优化配置Pareto最优解集.最后,提出归一化加权方法进行最优解集的综合筛选.最后,文章以一大型抛物柱面天线的支撑桁架为例,通过仿真验证了综合优化配置方法的优越性,其优化配置结果兼顾了动态变形控制和静态变形控制的性能.     

带有振动抑制的压电结构动态形状主动控制

针对压电结构在动态形状主动控制过程中的振动抑制问题,以压电纤维复合材料作动器驱动的悬臂板为研究对象,建立了结构有限元模型,并给出了控制方程。由于不合理的作动器电压加载方式会导致结构的瞬态和残余振动,影响形状控制精度和系统稳定性;本文在静态形状控制基础上,提出电压加载时间历程的优化问题。结合有限差分法和二次规划算法对优化问题进行求解。最后,以悬臂板弯曲形状控制为例,对所提动态形状控制算法进行了校验;并与阶跃、斜坡等电压加载方式进行了对比。结果表明,利用优化后的电压加载时间历程,能够有效抑制结构的瞬态和残余振动,提高动态形状控制效果。     

基于压电叠层作动器的柔性自旋导弹振动控制

针对柔性自旋导弹弹性振动问题,提出将压电叠层作动器应用于导弹弹性振动控制方法。将导弹简化为非均匀自由-自由Timoshenko梁模型,考虑陀螺效应和推力作用,将压电叠层作动器应用于导弹弹性振动,基于有限元方法建立含有压电叠层作动器的柔性自旋导弹动力学模型,同时设计模糊滑模控制器,对质量偏心引起的不平衡响应进行数值仿真,通过与不同控制方法进行对比,验证该方法的有效性。     

基于自适应动力吸振器的空间桁架结构振动抑制研究

航天器中使用的轻质桁架结构在受到扰动时会产生振动,从而影响设备正常工作。为解决这一问题,本文提出一种附加在结构上的主动动力吸振装置,利用电磁力推动质量块产生的反作用力作为主动力施加在被控结构上,抑制结构振动。主动控制算法采用自适应逆扰动抑制算法,对空间环境下的结构参数变化具有一定的自适应调节能力。为验证算法的有效性,建立了桁架-吸振器系统的动力学模型,对无吸振器和有吸振器时的被动和主动吸振模式进行了仿真对比。最后在三棱柱桁架结构中进行了振动主动控制实验。结果显示在主动模式下桁架振动振幅衰减可达90%以上。
     

压电桁架结构动力学建模与振动控制

考虑叠层压电陶瓷主动杆件的机电耦合效应，建立了压电桁架结构机电耦合有限元动力学模型，给出结构系统检测方程，并分析其动态特性，除位移模态外，得到了系统电势模态。采用独立模态空间控制方法对结构振动进行控制，并进行压电主动杆件的多目标最优配置，除控制能量最小化外，对非控模态的控制溢出和观测溢出最小化是另外两个优化配置目标函数，算例表明分析方法的有效性和可行性。     

Decentralized vibration control of a multi-link flexible robotic manipulator using smart piezoelectric transducers

The work in this paper is aimed to investigate the use of a decentralized control system for suppressing vibration of a multi-link flexible robotic manipulator using embedded smart piezoelectric transducers. To achieve this, a non-linear dynamic model of a flexible robotic manipulator with smart piezoelectric actuators/sensors, is developed based on the co-rotational finite element method. The method incorporates multiple co-ordinate (co-rotational) systems which rotate and translate with each element, so that the geometric non-linearity present in rotating manipulator system can be dealt with efficiently. The placement of piezoelectric actuators and sensors over the flexible links are considered for the application of decentralized control system. A numerical study shows that the developed co-rotational finite element method can be utilized to investigate the piezoelectric actuator/sensor placement and vibration control performances for a multi-link flexible manipulator undertaking complicated motion.     

压电框架单元及其在结构振动控制中的应用

重点阐述了含坟电传感器和执行器的复合结构框架有限元模型的建立过程，导出了压电框架单元的压电刚度矩阵和介电刚度矩阵，进而引入基本控制规律用数值例子说明了压电传感器与执行器在结构的振动控制中的具体应用。     

采用共位配置的分布式压电敏感器和致动器的挠性结构振动控制

研究采用共位配置的分布式压电敏感器和致动器的挠性悬臂梁的振动控制问题，其中敏感器由压电聚乙二烯氟化物薄膜（PVDF）制成，致动器由压电陶瓷（PZT）或PVDF制成。本文首先建立系统的模型，设计了一种线性反馈控制方案，并应用无穷维空间的LaSalle不变原理，证明了相应闭环系统的渐近稳定性。     

智能结构及其在振动主动控制中的应用

针对航天挠性结构的振动控制 ,介绍了智能结构的提出、概念、诞生原因以及作为智能结构中的传感和驱动元件的各种智能材料的特点 ,着重阐述了梁、板和壳结构的振动控制中应用的压电材料的国内外研究状况和采用的控制策略 ,并对智能结构在主动振动控制应用研究的问题进行了评述 ,如传感器 /驱动器的优化配置问题及准则 ,柔性结构的控制溢出问题及抑制方法。最后针对航天器的结构振动控制 ,展望了今后的研究与发展方向     

挠性板振动抑制的敏感器与驱动器优化配置

本文针对挠性板结构的主动振动控制问题，推导了悬臂板系统压电控制方程，利用方程的输入输出矩阵和板系统的固有特性（包括固有频率和结构阻尼比），给出一种压电敏感器/驱动器同位配置的优化方法。该方法根据每个敏感器/驱动器对相应模态的能观度/能控度的贡献大小，对板系统的每个驱动器输入到敏感器输出相应模态的范薮 进行适当加权后，得到模态范数矩阵，并由此利用2-范数和无穷-范数引出敏感器/驱动器可选位置的优化配置指标。     

Variable structure maneuvering control with time-varying sliding surface and active vibration damping of flexible spacecraft with input saturation

This paper presents a dual-stage control system design method for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensors/actuators. In this design approach, attitude control system and vibration suppression were designed separately using lower order model. The design of attitude controller was based on variable-structure control (VSC) theory leading to a discontinuous control law. To accomplish asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and be insensitive to the interaction of elastic modes in the presence of unknown disturbances/uncertainty and input saturation as well, a switching mechanism is employed to design the attitude controller such that outside the sliding region VSC law with a time-varying sliding surface is implemented and inside the region the VSC law with a linear sliding surface is activated. Furthermore, a hyperbolic tangent function in conjunction with a sharpness function permitted to vary with time according to a set of user-defined parameters is implemented to offset the disadvantages of existing saturation-respecting controller and chattering. In addition, for actively damping the excited elastic vibrations during attitude maneuvering, modal velocity feedback and strain rate feedback control design methods are presented and compared by using piezoelectric materials as additional sensors and actuators bonded on the surface of the flexible appendages. Numerical simulations are performed to show that rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque, parameter uncertainty and control saturation nonlinearity.     

振动抑制智能结构中智能材料配置和反馈增益的同时优化

针对空间挠性结构的振动抑制问题 ,提出一种对智能材料执行器 /敏感器配置 (包括位置和尺寸 )和反馈增益同时优化的新设计方法。在系统动力学模型和优化指标中 ,考虑了智能材料对被控结构的质量和刚度特性的影响 ,所得到的最优解不依赖于系统的初始状态