基于主动约束层阻尼的车身薄板结构振动鲁棒控制研究

摘要

汽车车身轻量化的发展使得车身壁板变薄、刚度降低，导致车身薄板结构易被外界激励而产生强烈的振动，尤其是低频振动，影响整车的NVH性能。主动约束层阻尼（ACLD）技术具有被动阻尼和主动控制的双重优点，可以在很宽的频率范围内保持较高的阻尼特性，获得较好的低频振动控制效果，对汽车NVH问题提出新的解决方案。
　　本文以典型的车身薄壁板件—对边固支板结构为研究对象，结合 ACLD技术对板结构进行振动主动控制研究。首先，采用ADF（Anelastic Displacement Fields）阻尼模型描述粘弹性材料的阻尼特性，结合有限元方法建立了 ACLD耦合系统动力学模型。其次，采用基于模态H2范数的可控可观性优化准则对板结构进行作动器与传感器位置优化，通过悬臂板算例验证了该方法的可行性；并进一步进行了对边固支板结构的模态实验研究，验证了位置优化后的局部覆盖 ACLD板理论模型的正确性。然后，针对动力学模型自由度庞大问题，并考虑到本文采用结构奇异值μ方法考察模型的模态参数误差引起的鲁棒稳定性问题，这就要求控制模型解耦，基于此本文给出了一种联合降阶方法，先在状态空间复模态降阶，再进行模态Hankel奇异值降阶（MHSV）对动力学模型简化，得到低维的控制模型。在此基础上，根据结构奇异值理论将 ACLD板结构的模型误差描述为具有结构性的模型不确定性，针对其模态参数误差不确定性和高频未建模动态不确定性问题，设计了结构奇异值μ综合鲁棒控制器，并与基于传统的小增益定理设计的H∞控制器在鲁棒稳定性和振动抑制效果方面进行了对比。最后，在不同外扰激励下对板进行了振动主动控制实验研究。
　　利用位置优化准则，综合优化了板结构关心频率范围内模态的作动器与传感器位置，保证了控制系统具有较好的可控性和可观性；采用联合降阶得到的控制模型可观度可控度度高，且模态间相互独立，可直接用于结构奇异值μ综合控制器的设计；经过仿真分析，对于模型混合不确定性问题，μ综合控制器表现出较好的鲁棒稳定性和控制效果。在不同外扰激励下对板进行了硬件在环实验验证，取得了一定的控制效果，其中给定的四个单频谐波信号激励下，施加控制后振动响应幅值分别降低了近24％、54%、39%、20%；在复杂周期信号激励下的响应幅值降低近30%；在有限带宽白噪声激励下的响应均方根值降低9.1%。

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1 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 ACLD板结构动力学建模及作动器/传感器位置优化

2.1 ACLD板结构有限元动力学建模

2.2 作动器与传感器位置优化

2.3 模型试验验证

2.4 本章小结

3 主动约束层阻尼板结构动力学模型降阶

3.1 状态空间复模态降阶

3.2 模态Hankel奇异值降阶

3.3 联合降阶算例分析

3.4 本章小结

4 主动约束层阻尼板结构振动鲁棒控制

4.1 结构奇异值μ综合鲁棒控制基本理论

4.2 ACLD结构模型不确定性

4.3 混合不确定模型的μ综合控制器设计

4.4 权函数选择

4.5 鲁棒稳定性和鲁棒性能分析

4.6 振动控制仿真

4.7 本章小结

5 薄板结构振动主动控制实验研究

5.1 实验目的与实验设备

5.2 振动主动控制实验

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文总结与创新

6.2 研究展望

致谢

参考文献