Digital simulation model piezoelectric cantilever design and analysis of beam smart elements

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.     

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.     

复杂结构振动控制设计与仿真方法研究

为了避免在建立结构数学模型过程中因简化和降阶引起的模型误差,解决复杂结构建模难的问题,提高控制器设计的准确性,提出了一种新的基于有限元法(FEM)的结构振动控制设计方法.该方法可借助于商用结构有限元分析软件来实现,简便易行,在PATRAN/NASTRAN环境中利用PATRAN命令语言PCL(Patran Command Language)建立了通用结构控制仿真平台.通过对压电自适应桁架结构的振动控制进行控制设计仿真和实验验证,证明了新方法的有效性;与Simulink使用简化模型的仿真结果相比,新方法的结果与实验结果更为接近,表明其准确性更高.该方法适用于对处在设计阶段的复杂结构进行控制设计与仿真评估.      

挠性航天器退步自适应姿态机动及主动振动控制

针对带有分布式压电陶瓷执行机构的挠性航天器姿态机动与主动振动控制问题,提出了一种退步直接自适应一体化控制方法.首先,建立了挠性航天器姿态机动与主动振动控制的模型,并分析了动力学子系统的近似严格正实性;然后,采用退步直接自适应控制方法,设计了挠性航天器的姿态机动主动振动控制器,并证明了控制闭环系统的稳定性;最后,进行了不同仿真条件下的数学仿真验证.理论分析与数学仿真结果表明,该控制方法不依赖航天器参数,对系统参数不确定性具有强鲁棒性,能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的.     

汽车DYC模糊PID控制方法

直接横摆力矩控制DYC(Direct Yaw-Moment Control)是提高汽车操纵稳定性特性的重要方法,其研究对于提高汽车的主动安全性具有重要意义.在深入研究汽车操纵动力学和先进控制理论的基础上,设计了具有智能积分模块的模糊PID(Proportion-Integral-Differential)控制器,将该控制方法应用于DYC控制.建立了能够反映车辆转向工况基本动力学性质的车辆动力学模型,在Simulink环境下对开发的智能积分模糊PID控制器进行了仿真测试与分析.仿真结果验证了算法的可行性和有效性,表明智能积分模糊PID控制方法可以实现较为理想的DYC控制效果,在该领域具有良好的应用前景.     

压电悬臂梁振动能量收集仿真与试验验证

基于压电陶瓷的振动能量收集器以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点受到广泛关注。利用压电陶瓷的正压电效应,根据机电理论和结构动力学理论,采用模态法建立了压电悬臂梁的双向耦合分布参数模型,仿真分析了外激励频率和外接负载对压电能量收集器输出电压特性的影响,设计制作了铝制悬臂梁,并进行了地面振动和能量收集试验,试验结果与理论仿真吻合较好,验证了理论建模的正确性。试验结果表明,单个压电片的能量收集电压最大为73 V/N。     

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。     

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．     

压电智能柔性梁振动主动控制研究

利用压电陶瓷作为作动器,对柔性悬臂梁进行了振动主动控制研究.分析了压电结构振动主动控制的原理和方法.采用独立模态控制法对柔性悬臂梁的前两阶模态实施主动控制.实验结果表明,通过振动主动控制明显增加了柔性悬臂梁的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果.      

气动管道中压力波的传播特性分析

利用一维非定常气流理论,建立了管道中气体传播的分布式参数模型,采用迎风差分的方法进行数值计算,并通过实验结果与模型仿真结果的比较,验证了该模型的正确性.通过改变管道直径、气源速度、入口压强和仿真空间步长等初始条件,模拟不同特性的管道,对仿真结果进行比较分析,得到不同波形的压力波在不同管道中传播的特性.结果表明:利用压力波测流量时,应采用下弦波或矩形波.      

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。     

智能太阳翼动力学建模与模态分析

研究柔性航天器的动力学与控制问题时,通常需要利用柔性附件的模态信息。为获取航天器的高精度姿态控制,必须解决柔性附件的振动抑制问题。配置压电传感/作动器是解决太阳翼振动控制的有效手段。针对基板表面粘贴压电传感/作动器的太阳翼,基于一阶剪切变形层板理论,建立了包含机电耦合效应对结构刚度贡献的有限元模型,并在连接机构等效梁单元中引入了轴向载荷。利用假设剪切应变方法解决了一阶剪切变形层板理论的剪切闭锁问题。仿真结果表明:太阳翼的动力学特征随压电传感/作动器配置方式的改变而改变;连接架轴向载荷可以大幅提高太阳翼的侧摆振动频率;给压电作动器施加控制电压可以增加太阳翼的结构阻尼。     

压电网络板的振动控制原理与控制效果

在给出压电网络板机电耦合动力学方程的基础上对其进行求解,将压电网络板的响应表示为子模态压电系统响应的线性组合.通过分析压电网络板在脉冲激励下子模态压电系统的响应行为,揭示压电网络板可以通过两种途径控制自身振动.基于对传递函数的分析进一步得到子模态压电系统的最优电学参数;在此基础上研究了针对某一阶子模态压电系统设计最优电学参数时,各阶子模态压电系统的响应行为以及压电网络板的多模态控制效果.研究结果表明,压电网络板具有多模态控制效果,特别地,当对板的某一阶次的振动控制具有较高要求时,通过对最优电学参数进行设计,电感电阻并联型压电网络板可满足要求.     

压电结构系统机电耦合的强化与多阶共振抑制

提高压电系统的机电耦合程度可以提高压电分支电路对于结构机械振动的抑制效果.提出了一种可同时提高压电系统多阶模态机电耦合程度、进而实现对系统多阶共振进行控制的方法.首先通过对压电悬臂梁模型的理论研究揭示了将压电片的电极离散、并以不同方式连接可以导致系统的机电耦合程度发生改变的现象.在此基础上导出可刻划此现象的模态机电耦合函数;提出通过对模态机电耦合函数的优化寻求压电片电极的最佳离散方式和最佳连接方式,以获得对应某一模态的最大机电耦合函数值.为了对多阶共振抑制,提出引入选通电路,通过对含有选通电路的模态机电耦合函数的参数优化实现同时提高压电系统多模态机电耦合程度、进而抑制多阶共振的方法.结合数值实例对此方法进行说明.     

空间运动体上梁的三维动力学建模和仿真

对附着在空间运动体上梁的动力学问题进行了研究,运用Lagrange方法建立了中心刚体作任意三维运动时,梁作横向振动和纵向振动的动力学方程,考虑了柔性梁的横向弯曲变形所带来的纵向位移,这种耦合变形使所得到的振动方程包含了动力刚化效应,这是与传统的梁振动模型的不同之处,最后通过仿真算例验证了该方法.      

压电柔性结构振动的鲁棒控制

针对具有多面体型参数不确定性和外界扰动的柔性悬臂梁系统,研究其振动的鲁棒控制问题.基于压电柔性悬臂梁系统的状态方程,利用一种扩展LMI(Linear Matrix Inequality),对柔性悬臂梁的振动提出了改进的 H₂/H_∞ 综合状态反馈鲁棒控制方法.此方法针对多面体型参数不确定性系统引入不同的Lyapunov函数,降低了原来 H₂/H_∞ 综合鲁棒控制方法中由于使用一个公共Lyapunov函数而产生的保守性.通过Matlab分别采用改进和未改进的 H₂/H_∞ 鲁棒控制方法对柔性悬臂梁系统的振动控制进行了数值仿真.仿真结果表明,2种方法都使柔性悬臂梁的振动得到了良好控制,而改进方法的控制效果更好.