CFRP反射器型面主动控制和作动器位置优化

研究了运用压电陶瓷作动器对碳纤维增强复合材料（CFRP）格栅反射器的型面主动控制。首先,采用了一种具有独立电压自由度的梁单元,以及考虑高阶剪切变形的板单元,对主控格栅反射器进行有限元建模;运用能量变分哈密尔顿原理推导了主控格栅反射器的有限元控制方程,并给出了反射面型面残余均方根（RMS）误差最小的电压最优控制方法。然后,研究了在典型载荷下,反射面残余RMS误差最小的PZT作动器位置分布的优化配置问题;提出了一种将遗传算法和梯度投影方法相结合的改进优化方法,用来求出在限定作动器数量的条件下,作动器几何位置的优化配置,使控制后反射面的残余RMS误差最小;给出的数值算例验证了方法的正确性和有效性。最后,研制了格栅反射器型面主动控制的实验样机,针对反射器的初始制造误差进行了型面主动控制,验证了控制方法的可行性和有效性。     

压电智能反射面静态形状控制与作动器位置优化

为了提高反射面的精度,建立了压电智能反射面的形状控制模型,对该结构的力学建模方法、形状控制方法和作动器优化配置算法进行了研究。首先,将蜂窝夹层结构的压电智能反射面等效为多层复合板,根据虚功原理推导了结构的有限元方程。然后,根据建立的有限元方程,推导了反射面变形的均方根误差与作动器控制电压的关系式,以均方根误差最小为优化目标,建立了形状控制优化模型,将作动器控制电压的优化转化为约束优化问题的求解。最后,采用模拟退火算法对压电作动器进行了优化配置。为了验证形状控制的可行性及优化算法的有效性,以300mm口径的平面压电智能反射面为例进行仿真,分析结果表明,通过压电作动器的控制,可以使反射面的重力变形误差减小97%以上,对于给定数目的作动器,通过模拟退火算法优化,可使其布置在最佳的位置。     

压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性自适应混合补偿控制方法

压电陶瓷叠层作动器的迟滞蠕变非线性特性严重影响了控制系统的稳定性及动态跟踪精度。针对其迟滞蠕变非线性补偿控制问题,提出了一种高精度动态补偿压电陶瓷叠层作动器非线性特性的自适应混合补偿控制方法,即迟滞蠕变前馈补偿与自适应滤波反馈补偿结合的前馈-反馈混合控制方法。采用改进的Prandtl-Ishlinskii（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型对压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性特性进行精细化建模,并得到其逆补偿模型进行前馈补偿。根据前馈补偿误差,采用自适应滤波反馈控制对输入信号进行实时调控,实现对压电陶瓷叠层作动器的迟滞非线性及lg（t）型蠕变特性的实时精确补偿控制。数值仿真与实验结果表明,相比于常规前馈迟滞蠕变补偿,所提出的自适应混合补偿控制方法可以有效降低压电陶瓷叠层作动器的迟滞补偿误差,极大提高了迟滞蠕变非线性动态跟踪精度以及自适应性。     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

跨声速风洞试验模型主动减振结构优化设计

针对跨声速风洞试验模型支撑结构,采用压电作动器嵌入支杆,形成一体化主动减振系统来抑制模型在风洞试验过程中的振动.分析了模型支撑结构在风洞试验过程中的振动特性和主动减振系统的控制原理,建立了压电作动器/风洞模型支撑结构相互耦合的动力学模型.在此基础上,采用模态可控性理论及模态价值理论,给出了主动减振结构控制能力的定量描述...     

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究简

 结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。     

采用压电叠层作动器的弹性梁振动主动控制实验研究

结构响应主动控制系统中常用的惯性作动器由于附加质量大、工作频带窄和响应速度慢等缺点,降低了控制系统的性能。压电作动器具有质量轻、工作频带宽和响应速度快等优点,作为高效执行元件能有效地提高控制系统的性能。本文采用压电叠层作动器驱动自由-自由弹性梁模型,以观测点的加速度响应为控制目标,采用频域谐波稳态控制策略进行了自由梁结构谐波振动响应主动控制实验研究。实验结果表明,本文建立的采用压电叠层作动器的结构响应主动控制系统能有效地控制弹性梁结构的振动水平,并具有快速跟踪外激励变化的自适应控制能力。     

锆钛酸铅压电陶瓷主动元件在航天自适应桁架结构中的应用

阐明了PZT压电材料的正、逆压电效应以及相应的压电作动器的机电耦合原理。针对航天自适应桁架结构的特点，运用PZT压电作动器进行了振动抑制实验并取得了良好的效果。     

新型压电激励器作用力模拟技术研究

研究轻型结构、直升机旋翼结构和复合材料结构等的颤振飞行试验激励问题具有重要意义。提出以弯矩模拟压电粗纤维复合材料(MFC)激励器的作用力,从而解决MFC仿真建模问题。首先借助机翼有限元模型,建立带有压电激励器的机翼结构动力学仿真模型;然后以压电激励器地面激励试验结果为基础,通过修正仿真模型中压电作用弯矩的大小,实现仿真试验结果与地面试验结果的拟合,最终得出非线性压电激励器作用力;最后通过另一组地面试验数据验证了该作用力的大小,并将该作用力模拟技术应用于不同试验中。本文的研究结果可为后续以该激励器作为激励作动器或控制作动器的试验提供有益参考。     

大型空间可展开天线结构的主动振动控制

利用内置压电元件的主动构件作为作动器,对大型空间可展开天线结构进行了振动主动控制的研究。分析了含压电单元的空间天线结构的振动主动控制的原理和方法,采用独立模态控制法对可展开天线结构实施主动控制。并且基于作动器的模态影响矩阵对作动器进行了优化布置,使其效能达到最大。最后采用LQR方法对结构进行控制,应用Matlab软件对该压电结构进行仿真实验控制。仿真的结果表明,通过振动主动控制明显增加了可展开天线结构的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果。     

Nonlinear hysteresis identification and compensation based on the discrete Preisach model of an aircraft morphing wing device manipulated by an SMA actuator

The conception of aircraft morphing wings thrives in aeronautics since the appearance of shape memory alloys(SMAs). An aircraft morphing wing device, manipulated by an SMA actuator, inherits the intrinsic nonlinear hysteresis from the SMA actuator, ending up with control disadvantages. Conventionally, systems with SMA actuators are constrained to bi-stable states to bypass the hysteresis region. Rather than retreating a morphing wing device to bi-stable states, this paper is dedicated to transcend the morphing wing device beyond the customary limit. A methodology of discrete Preisach modeling, which identifies the hysteresis of the morphing wing device, is proposed herein. An array of discrete equal-distance points is applied to the Preisach plane in order to derive the Preisach density over the partitioned unit of the Preisach plane. Discrete Preisach modeling is fulfilled by the discrete first-order reversible curve(DFORC). By utilizing the discrete Preisach model, the aircraft morphing wing device is simulated; the validity and accuracy of discrete Preisach modeling are demonstrated by contrasting the simulated outcome with experimental data of the major hysteretic loop and the wingspan-wise displacement over time; a comparison between simulation and experimental results exhibits consistency. Afterwards, a hysteresis compensation strategy put forward in this paper is implemented for quasi-linear control of the aircraft morphing wing device, which manifests a compensated shrinking hysteresis loop and attains the initiative of extending the morphing range to the intrinsic hysteretic region.     

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。     

多操纵面飞机气动参数在线辨识新方法研究

以多操纵面布局飞机为对象,针对其操纵面冗余造成的激励信号线性相关及控制过程中存在的信号激励不足问题,对最小二乘辨识算法进行了改进。新方法将先验经验引入在线辨识过程,可以克服弱信号输入造成的辨识不准确;采用激励-补偿机制,增加激励信号,改善了辨识结果的精度。以六自由度非线性飞机模型为对象进行的姿态控制系统仿真验证表明,当操纵面完好时,该方法能够在线修正建模误差;当飞机操纵面损伤时,该方法能够迅速反映操纵面气动参数的变化,提高了控制系统的适应性和鲁棒性。     

Improving accuracy of damage quantification based on two-level consistency control of PZT layers

Structural health monitoring-based quantitative damage diagnosis technique plays a key role in real-time condition monitoring. Among the current research, piezoelectric (PZT) sensor and Guided Wave (GW) based damage quantification methods are promising, which normally establish a calibration model between GW feature and damage degree by experiments on batch specimens, and then conduct the calibration model on the monitored specimen. However, the accuracy of PZT and GW based damage quantification is affected by dispersion introduced by sensor network performance, structural material, and damage propagation among the adopted batch specimens. For improving the accuracy of damage quantification, this paper adopts PZT layer as sensor network and creatively implements theoretical and experimental research on batch PZT layers consistency control. On one hand, a two-level consistency control method based on multidimensional features-Euclidean distance is proposed to ensure the performance consistency of PZT layers placed on different specimens. On the other hand, experimental research on typical aircraft lug structures is also carried out to evaluate the requirement on performance consistency of PZT layers when performing quantitative damage diagnosis, and further verify the proposed two-level consistency control method. Experimental results show that the accuracy of damage quantification raises by 38% when the dispersion of different PZT layers is controlled within 5%.     

Variable structure control and active vibration suppression of flexible spacecraft during attitude maneuver

This paper presents a new approach to vibration reduction of flexible spacecraft during attitude maneuver by using the theory of variable structure control (VSC) to design switching logic for thruster firing and lead zirconate titanate (PZT) as sensor and actuator for active vibration suppression. The spacecraft to be investigated is a hub with a cantilever flexible beam appendage, which can undergo a single axis rotation. The proposed control system includes the attitude controller acting on the rigid hub, designed by variable structure control technique, and the surface-bonded PZT patches for active vibration suppression of flexible appendages, designed by the positive position feedback (PPF) control technique. To avoid chattering, pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulation is adopted for the thruster control, which makes the thrusters to be operated in a close to linear manner and also can suppress the relatively large amplitude vibrations excited by, for example, rapid maneuver. However, some residual micro-vibrations still exist due to the switching actions. Upon that, the technique of active vibration control using PZT is turned on to provide further vibration suppression of the residual micro-vibrations and fine tuning of the system performance. By combining the advantages of both these control strategies, an improved performance for vibration control in both the macro-and micro-senses can result. Both analytical and numerical results are presented to show the theoretical and practical merit of this approach.     

基于自适应不对称高斯基函数网络的可靠飞行跟踪控制

针对歼击机操纵面结构故障,提出了一种基于自适应不对称高斯基函数网络（AGBFN）的可靠跟踪控制方案。该方案的特点是在传统的线性控制器的基础上,引入基于自适应AGBFN的自适应控制器,用于在线补偿由于建模误差、外扰、以及操纵面卡死或损伤所造成的影响,并且采用控制隔离技术来处理执行机构的饱和问题。完全自适应AGBFN采用不对称高斯基函数,并且可以在线更新网络所有参数,克服了传统RBF网络对称性约束,提高了网络的适应性和学习能力,从而保证歼击机的操纵品质,且输出较好地跟踪参考模型输出。飞行仿真结果表明,文中采用的控制方法使飞机在正常状态和故障状态下均可获得满意的控制效果。     

柔性天线面对漂浮基星载天线扰动分析及抑制

 为了研究柔性天线面弹性变形对漂浮基星载天线的扰动,采用固定界面模态综合法和Lagrange方法,通过轴末端与天线面交界面的协调关系,推导了大范围运动的星载天线刚柔耦合动力学模型,其所建立的动力学模型计算效率高并具有足够的精度。分析了柔性天线面弹性变形对星载天线的扰动,利用PD+振动力反馈控制抑制系统振动,并基于Lyapunov方法证明了控制系统的渐近稳定性。仿真结果表明：天线工作过程激起了柔性天线面弹性振动,进而引起星载天线的抖动,严重影响了星载天线的指向精度;利用其控制策略能快速抑制系统振动。结论对天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

一种特殊白化滤波器的广义最小二乘法

 本文提出一种采用特殊白化滤波器的广义最小二乘法,简记为GLS（SF）。这种算法中不需要单独估计白化滤波器的阶次及参数,只需迭代估计模型参数,算法简单,准确度和收敛性也较好。对于输入噪声较小、输出端测量噪声近似白噪声的系统来说,文中证明,用此算法所得模型输出与系统输出观测值之误差平方和最小。文中给出几个实际动态校准中建立动态数学模型的例子。