基于子空间辨识算法的压电悬臂梁振动主动控制研究

摘要

柔性材料的机械结构往往易于产生不必要的振动，其可导致干扰辐射，影响结构的性能。抑制振动的方法可分为被动和主动两类，传统的振动被动控制无法取得理想的控制效果，而振动主动控制具有响应速度快、自适应能力强、控制精度高等诸多优点，成为目前振动控制领域的研究热点。将压电智能材料与振动主动控制结合起来，能够使结构的振动主动控制更具优越性。
　　本文针对压电悬臂梁的振动控制问题，以一表面粘贴有压电材料的悬臂梁作为实验研究对象，设计了基于LABVIEW的振动信号实时采集系统，并进行了振动控制实验。在建模方法上，针对柔性结构的振动普遍存在复杂性、非线性和建模难的特点，本文跳过了复杂的机械-电压建模，采用子空间辨识算法，从输入输出数据辨识出系统的参数，并进行了详细的理论推导。在控制器设计方面，鉴于子空间辨识方法无需得到系统模型的详细参数就可以得到LQG控制器的最优解，所以将子空间辨识和LQG最优控制结合考虑，进行了LQG最优控制器的设计，并给出了程序框图和算法主要步骤。为了验证算法的有效性，本文采用Matlab设计了子空间辨识仿真测试，并利用LABVIEW开发环境结合NI USB-6221数据采集卡、电荷放大器、PC机等硬件搭建了振动控制实物实验平台，进行了振动信号采集、分析、显示和控制实验。
　　实验结果表明，该系统能够实时、有效地对悬臂梁进行振动控制，自适应能力强、控制精度高、控制效果理想。相比较于其他传统方法，本文设计的控制方法可以在保证模型精确度的基础上大大降低计算量，加快了系统的响应速度。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外文献综述

1．2．1 智能结构系统模型的建立

1．2．2 振动主动控制律的设计

1．2．3 传感器／作动器的优化配置

1．3 本文研究的主要内容

第2章 压电悬臂梁振动控制系统实验平台方案及组成

2．1 压电悬臂梁振动控制系统整体工作原理

2．2 系统硬件组成

2．2．1 悬臂梁及压电传感／作动器

2．2．2 激振设备

2．2．3 电荷放大器

2．2．4 压电驱动功率放大器

2．2．5 数据采集卡

2．3 系统软件环境描述

2．3．1 LabVIEW集成环境简介

2．3．2 数据采集卡驱动NI-DAQmx

2．3．3 NI LabVIEW RT模块

2．4 本章小结

第3章 子空间辨识系统建模理论

3．1 预备知识

3．1．1 正交投影

3．1．2 斜向投影

3．2 子空间辨识

3．2．1 线性空间的子空间结构

3．2．2 子空间辨识的运算步骤

3．3 仿真结果

3．4 本章小结

第4章 悬臂梁振动控制律设计

4．1 子空间预测器

4．2 经典LQG控制器设计方法回顾

4．3 子空间LQG控制器设计

4．4 本章小结

第5章 压电悬臂梁振动控制实验研究

5．1 实验平台调试

5．1．1 压电传感／作动器调试

5．1．2 激振器调试

5．1．3 电荷放大器的调试

5．1．4 压电驱动功率放大器的调试

5．1．5 NI USB-6221数据采集卡调试

5．2 程序设计

5．2．1 程序前面板

5．2．2 振动控制算法与程序设计

5．3 实验结果及分析

5．3．1 实验过程

5．3．2 参数选取

5．3．3 结果分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位论文期间发表的论文