【摘要】：壓電材料具有良好的壓電和機電耦合等特性,在智能結(jié)構(gòu)中可兼具傳感、驅(qū)動功能于一體�；趬弘姴牧系恼駝又鲃涌刂葡到y(tǒng)有很強的靈活性和環(huán)境適應(yīng)能力,可控頻率寬,響應(yīng)速度快,在航空航天、機械、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前,壓電智能結(jié)構(gòu)振動主動控制已取得了很多成果,但還有不少關(guān)鍵問題亟待解決,本文主要從壓電器件與控制律的集成優(yōu)化、考慮外界質(zhì)量攝動的魯棒控制算法、非線性擾動下控制器飽和抑制的自適應(yīng)控制算法、同位配置下的局部應(yīng)變補償和振動容錯控制等五個方面進行了研究。論文主要工作和創(chuàng)新性成果如下:(1)基于Hamilton原理和模態(tài)變換理論建立了壓電智能懸臂梁機電耦合模型,以儲存能量和控制能量最小以及振動衰減最快的多重性能指標為目標函數(shù),采用粒子群方法優(yōu)化出不同模態(tài)控制下壓電片的最佳數(shù)目、分布位置及速度負反饋控制增益,分析了壓電片長度和數(shù)量對控制效果的影響,仿真驗證了該方法的可行性。(2)基于Lyapunov方法設(shè)計了一種魯棒模型參考(RMRC)方法,主要由保證系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)反饋控制器和保證良好跟蹤的魯棒補償控制器組成。探討了三種不同補償函數(shù)對系統(tǒng)的影響,指出運用tanh或erf函數(shù)可有效避免sign函數(shù)補償出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象。仿真和實驗結(jié)果表明,在模型參數(shù)變化、外界質(zhì)量攝動情況下,該方法具有很好的控制效果和魯棒性。(3)在傳統(tǒng)MCS算法和LQR算法的基礎(chǔ)上,基于Popov準則設(shè)計了一種改進的MCS算法(LQR-IMCS),主要由自適應(yīng)前饋、反饋和補償因子三部分組成。通過正弦、脈沖和隨機擾動實驗證明,該方法可有效抑制自適應(yīng)控制器的飽和現(xiàn)象,并對壁板的多模態(tài)振動具有十分良好的控制效果。(4)針對壓電結(jié)構(gòu)振動同位配置控制中存在局部應(yīng)變和PPF算法阻尼比的兩面性問題,通過ANSYS分析了局部應(yīng)變的產(chǎn)生機理和影響因素,提出運用低通濾波器來濾除高頻局部應(yīng)變模態(tài),用速度負反饋混合PPF算法來進一步提高系統(tǒng)的阻尼比,通過Routh判據(jù)給出了新方法的穩(wěn)定性條件。壁板振動控制實驗表明,該方法有效抑制了單一PPF算法控制中出現(xiàn)的諧波分量,兩階模態(tài)同時控制效果可達到10d B以上。(5)針對柔性機械臂振動控制系統(tǒng)的可靠性問題,提出運用小波包和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別壓電傳感器的故障,以PPF-DVFB算法為基礎(chǔ),設(shè)計了針對兩種典型壓電器件故障類型的容錯控制方案,實驗證明其具有良好的容錯控制效果。
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圖片說明：壓電被動控制懸臂梁模型
[Abstract]:Piezoelectric materials have good piezoelectric and electromechanical coupling characteristics, and can have both sensing and driving functions in intelligent structures. The active vibration control system based on piezoelectric materials has strong flexibility and environmental adaptability, wide controllable frequency and fast response speed. It has been widely used in aerospace, machinery, transportation and other fields. At present, many achievements have been made in active vibration control of piezoelectric intelligent structures, but there are still many key problems to be solved. In this paper, the integration and optimization of piezoelectric devices and control law, the robust control algorithm considering external mass perturbation, the adaptive control algorithm of controller saturation suppression under nonlinear disturbance, the local strain compensation and vibration fault-tolerant control under the same position configuration are studied. The main work and innovative results of this paper are as follows: (1) based on Hamilton principle and modal transformation theory, the electromechanical coupling model of piezoelectric intelligent cantilever is established. Taking the multiple performance indexes of minimum storage energy and control energy and fastest vibration attenuation as objective functions, the optimal number, distribution position and velocity negative feedback control gain of piezoelectric films under different modal control are optimized by particle swarm optimization method. The influence of the length and quantity of piezoelectric wafer on the control effect is analyzed, and the feasibility of the method is verified by simulation. (2) based on Lyapunov method, a robust model reference (RMRC) method is designed, which is mainly composed of a stable state feedback controller and a robust compensation controller to ensure good tracking. The influence of three different compensation functions on the system is discussed, and it is pointed out that the buffeting phenomenon caused by sign function compensation can be effectively avoided by using tanh or erf function. The simulation and experimental results show that the method has good control effect and robustness under the condition of model parameters changing and external quality perturbation. (3) based on the traditional MCS algorithm and LQR algorithm, an improved MCS algorithm (LQR-IMCS) is designed based on Popov criterion, which is mainly composed of adaptive feedforward, feedback and compensation factors. The sinusoidal, pulse and random disturbance experiments show that this method can effectively suppress the saturation phenomenon of the adaptive controller and has a very good control effect on the multimodal vibration of the panel. (4) aiming at the two problems of local strain and damping ratio of PPF algorithm in the vibration configuration control of piezoelectric structures, the generation mechanism and influencing factors of local strain are analyzed by ANSYS. In this paper, a low-pass filter is proposed to filter the high frequency local strain mode, and the velocity negative feedback hybrid PPF algorithm is used to further improve the damping ratio of the system. The stability condition of the new method is given by Routh criterion. The vibration control experiment of panel shows that this method can effectively suppress the harmonic components in the control of single PPF algorithm, and the simultaneous control effect of two modes can reach more than 10 dB. (5) aiming at the reliability of flexible manipulator vibration control system, wavelet packet and RBF neural network are proposed to identify the fault of piezoelectric sensor, which is based on PPF-DVFB algorithm. A fault-tolerant control scheme for two typical fault types of piezoelectric devices is designed, and the experimental results show that it has a good fault-tolerant control effect.
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TB535

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本文編號：2510500