基于压电自感知执行器的振动主动控制技术研究

摘要

随着航空事业高速的发展，大量柔性结构如太阳能帆板被使用于各种飞行器中。但由于这些柔性结构本身具有扰度高，阻尼低的特性，在受到外力作用时就会产生持续的振动。在没有空气阻尼的太空环境中，结构的振动很难停止，并且容易引起共振，严重影响了结构的工作性能，所以对这类结构进行振动控制已颇为重要。
　　 振动主动控制具有控制精度高，自适应调节能力强等优越性，在结构振动控制中被广泛应用。传统的控制系统中，传感器和执行器的同位配置等问题很难被解决。控制方法大多数是基于现代控制理论，对系统的数学模型精确性要求很高，且所采用的控制算法很复杂，不能够对系统的振动做出快速地响应。
　　 预测函数控制算法是根据控制系统的历史信息和选定的控制输入，对未来某段时域内的过程输出控制序列作出预测，而不需要被控对象的精确数学模型的一种新型控制算法。由于预测函数控制算法中的大部分控制参数可以进行离线计算，故减小了系统的在线计算量，提高了系统的实时响应能力。
　　 本文研究了基于预测函数控制法的振动主动控制技术。把压电柔性悬臂梁作为控制对象，利用模态分析法建立了压电悬臂梁振动系统的状态空间方程。然后将振动系统的状态空间方程离散化后作为预测模型，经过严密的理论分析和一系列的计算得出了最优的控制律。设计了基于预测函数控制法的自感知悬臂梁振动控制系统。最后对所设计的控制系统进行了开环和闭环仿真。实验结果表明，在开环情况下，依靠自身的阻尼作用系统振动衰减很慢，而当系统输入控制作用后，压电柔性悬臂梁的振动很快被抑制，控制效果良好，达到了预期的控制目的。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第一章 绪论

1.1 本文研究背景

1.2 自感知执行器的应用

1.2.1 结构集成与功能集成的比较

1.2.2 自感知执行器的概念

1.2.3 自感知执行器的国内外研究现状

1.3 振动主动控制技术研究现状

1.3.1 智能结构振动主动控制的国内外研究现状

1.3.2 智能结构振动主动控制研究方法概述

1.4 本文的工作内容

1.5 本章小结

第二章 压电材料的基本特性

2.1 压电现象

2.2 压电材料的电学特性和力学特性

2.2.1 压电材料的物理量及常数矩阵

2.2.2 压电材料的介电性和弹性

2.2.3 压电材料的压电效应

2.3 压电方程

2.4 本章小结

第三章 自感知柔性悬臂梁振动控制系统建模

3.1 压电自感知执行器的信号分离原理

3.2 压电柔性悬臂梁系统的数学模型

3.2.1 压电悬臂梁的振动模态分析

3.2.2 压电致动方程

3.2.3 压电传感方程

3.3 压电悬臂梁振动控制系统状态空间方程

3.4 本章小结

第四章 基于预测函数控制算法的控制器设计

4.1 预测函数控制的基本原理

4.1.1 基函数和控制量

4.1.2 预测模型

4.1.3 参考轨迹

4.1.4 反馈校正和滚动优化

4.2 压电柔性悬臂梁振动系统的预测函数控制

4.2.1 压电柔性悬臂梁的预测模型

4.2.2 性能指标与最优解

4.3 预测函数控制算法的实现步骤

4.4 本章小结

第五章 系统仿真分析

5.1 柔性悬臂梁振动控制系统的物理模型

5.1.1 悬臂梁振动控制系统组成图及物理参数选取

5.1.2 压电悬臂梁的系统参数计算

5.2 压电悬臂梁振动控制系统的仿真分析

5.2.1 系统的开环响应

5.2.2 系统的预测函数控制响应

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文