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。
     

基于广义变分原理和锯齿理论的高精度层合梁模型

基于广义变分原理和精化的zigzag理论建立了高精度的层合梁弯曲和自由振动模型。为准确预测层合梁的力学行为做出两个预处理:首先采用线性zigzag函数[1]使面内位移在梁高度方向(z方向)上呈锯齿分布;然后通过弹性平衡方程构造了预先满足层间连续和自由表面条件的层间横向剪力,因此不需要剪切修正因子。另外,基于Reissner混合变分原理推导了该梁模型的控制方程和边界条件,并以正交铺设的两端简支层合梁为例,分析了静弯曲和自由振动行为。算例结果表明,该模型能够准确地预测位移、应力和自振频率,验证了本文方法的精度和可靠性。     

智能气囊的冲击主动控制原理实验研究

智能气囊是一种应用智能材料结构设计的智能缓冲构件。智能气囊能在缓冲过程中主动控制冲击过载，可使缓冲过程的冲击过载更为平缓，提高缓冲保护的有效性。本文首次对智能气囊的结构组成、缓冲原理进行了理论分析和实验研究，并对智能气囊的冲击主动控制原理进行了实验验证。其中驱动机构采用层叠电致伸缩驱动器设计，因电致伸缩材料具有执行力大、响应快、线性范围宽的特点。文中利用层叠电致伸缩驱动器设计了智能气囊排气装置，测试了其动态响应特性与缓冲驱动特性。研究结果表明，该排气装置具有良好的驱动性能，可以满足智能气囊的排气控制要求。控制采用了一维的模糊控制方法，提高了控制的速度。实验研究结果证实智能气囊缓冲器的原理是正确的。     

超磁致伸缩材料微位移驱动器的设计与实验研究

超磁致伸缩材料是国防、航空航天和高技术领域中一种重要的功能性材料。基于超磁致伸缩材料的工作特点,提出了超磁致伸缩材料微位移驱动器的结构原型,详细介绍了微位移驱动器中位移传递和放大机构、驱动线圈及控制电路的设计过程及其设计理论和方法。实验样机采用了多级杠杆叠加的结构形式进行位移传递和放大,实验结果验证了设计理论和方法的可行性和实用性。     

压电层合板壳的数值分析与控制仿真

从虚功方程出发,推导出具有压电传感器和驱动器的层合板壳的机电耦合动力方程,建立了新的压电固体单元以模拟压电层合结构的力学特性和振动控制。通过引入EAS模式,代替通常采用的增加非协调函数的办法克服模拟薄板时所遇到的过高剪切应变能的缺陷,从而明显减少了内部变量的个数,提高了计算效率;进而在厚度方向上增加一个线性分布的横向应变,克服了用于壳体结构的分析时所遇到的厚度自锁问题;提出了一个新的电势插值函数,大大减少了电自由度的个数,显著降低了数据读取、存储和凝聚电自由度的计算花费。数值算例表明,推导的单元适用于薄壳结构的数值分析,并具有很好的对歪斜网格的适应性。     

高精度非接触磁浮机构电磁干扰特性分析

针对因双超平台姿态控制引入非接触磁浮机构这一关键执行机构,而可能引起的卫星平台新的电磁兼容问题,开展了非接触磁浮机构的电磁干扰特性研究。首先,介绍了非接触磁浮机构及其驱动器的工作原理;其次,分别对非接触磁浮机构驱动器的脉冲宽度调制(PWM)控制信号高频干扰特性和传导电磁干扰特性进行了理论和仿真分析,并将其频率特性与星上其他典型单机的工作频率进行了比对。对比分析结果表明:非接触磁浮机构的电磁干扰频率与星上其他典型单机之间间隔较大,其相互之间产生的电磁干扰可忽略,磁浮机构的引入不会产生新的电磁兼容问题。     

薄板光学反射面面形变形驱动器集成设计

针对某光学载荷薄板反射面面形调整需求,对一种新型精密微调驱动器开展了集成设计研究。分析了柔性太阳翼冷热交变对敏感载荷的影响,设计了一种基于巨磁致伸缩材料(GMM)的主动补偿驱动器,对驱动器关键部件进行了优化。建立了驱动器的动力学模型,并利用模糊自适应PID算法对其进行闭环控制。仿真结果表明:设计的驱动器能实现较大的行程、较高的定位精度,可用于面形变形补偿。     

外露式星载光电设备在轨热分析

采用节点网络/控制容积法结合蒙持卡罗法求解星载光电设备的瞬态温度场.建立了光电设备热传导与热辐射的耦合求解方程,将外热流和内热源等因素以源项形式纳入方程中,并引入控制函数使方程适用于设备工作与不工作两种状态.虚拟面技术解决了设备非封闭性给计算带来的困难,同时可处理设备接收外热流时存在的遮挡及多次反射问题.对光电设备中反射镜组采取不同的处理方法,发现光学表面的镜射处理与漫射处理对温度场计算结果影响很大.     

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。     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

考虑平整性要求的板壳自适应结构静变形控制

基于四节点压电复合材料层合板单元和相应有限分析方法，利用结构位移对电压的灵敏度，对以压电材料为作动器的板壳自适应结构，进行了考虑平整性要求的静力变形控制。根据控制目标和约束限制，由数学规划问题确定结构承载时作动器所需的控制电压，最后以数值算例给出了仿真结果，以验证所提出方法的有效性。     

旋转梁的动力学建模及其反馈控制

利用哈密尔顿原理,推导了刚柔耦合形式的旋转欧位－伯努利梁的动力学方程,并在小转速的假设下,给出了线性化近似方程的解析解;讨论了由直流电机和压电陶瓷组成的控制系统,并从动力学稳定的角度出发,利用Lyapunov第一方法设计系统的反馈控制实现了动力学稳定性。最后通过计算机仿真证明控制策略的有效性。     

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.     

主控格栅反射器基体结构/压电作动器参数集成优化设计

为提高反射器形面控制能力和减小在轨热变形,本文以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)驱动的主控格栅反射器为研究对象,开展反射器基体结构和PZT压电作动器参数的集成优化设计研究。首先,建立主控格栅反射器有限元模型并通过实验验证了有限元模型的正确性。然后,以形面控制能力最大和热变形最小为目标函数,以设计变量上限、下限和结构基频为约束,采用遗传算法(GA)和非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解。最后,给出多个仿真算例的优化结果。仿真结果表明,控制能力最大的单目标优化,其热变形远大于控制能力,多目标的帕累托(Pareto)最优前沿可以给出更合理的设计方案。通过优化设计可以显著提高形面控制能力和减小热变形。     

智能结构有限元模型的建立及静态形状控制

本文建立了含有分布压电传感元件和执行元件的板结构的有限元模型，提出了一种新的具有电自由度板弯曲单元，用于分析含有分布传感元件和执行元件的板结构。以此为基础，提出了智能结构静态形状控制的一般方法，即被动控制方法和主动控制方法。最后，提供了两个数值示例，说明本文提出的方法的应用。     

柔性空间结构高阶有限元模型与主动振动控制研究

应用压电材料实现大型柔性空间结构的振动控制引起了广泛关注。针对上下表面粘贴压电层的复合层梁结构，采用高阶位移场模型，利用线性热压电本构关系和Hamilton原理导出了层梁结构的高阶有限元模型。电势和温度沿厚度方向的分布均采用线性模型。采用常增益速度负反馈控制、Lyapunov反馈控制和基于独立模态的线性二次型调节器（LQR）设计主动控制器，实现了层梁结构脉冲激励和热载荷作用下的振动主动控制。仿真结果表明，LQR方法更能有效的实现结构振动控制，其振动衰减时间较短，作动器峰值电压更低，但不能消除热载荷引起的结构静变形。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

考虑胶层蠕变行为的胶接结构有限元分析

本文考虑胶层材料的蠕变行为，采用模拟岩层纹理单元的有限元法，分析工程中使用的典型胶接结构的应力场和位移场。数值结果表明，胶层蠕变行为对胶接结构位移和应力场均有较大影响     

巡天任务复杂工况下超静平台作动器疲劳寿命评估

为研究超静平台作动器的疲劳寿命特性,以其在轨执行巡天任务时的复杂工况分析为出发点,开展了典型工况下的超静平台物理试验,获取作动器实测载荷数据;采用有限元仿真模型进行疲劳损伤系数计算,根据“累积损伤-临界损伤”干涉模型进行累积损伤建模,推导了基于损伤系数外推的作动器概率疲劳寿命解析模型;利用最大损伤系数对应工况进行试验载荷谱设计,开展作动器疲劳寿命试验获取疲劳寿命分布,结合模型计算给出超静平台上不同损伤系数对应作动器的疲劳寿命评估结果。结果表明,运用建立的方法及模型,能够结合超静平台巡天任务工况,利用基于载荷谱编制的疲劳寿命试验结果,计算出平台上各作动器可靠度随在轨时间变化规律及概率疲劳寿命,可为超静平台作动器等一类在轨工况及载荷谱复杂、多样的空间运动机构提供一种真实有效的寿命评估技术途径。