基于PZT的悬臂梁变负载自适应振动主动控制研究

摘要

由于柔性机械臂具有质量轻、负载自重比高和灵活性好等优点，从而在航天等领域得到了越来越广泛的应用。但是柔性臂的弹性振动问题，严重影响其快速性和准确性，这对振动抑制研究提出了挑战。在实际应用中，柔性臂的负载往往不能确定，而是在一定范围内变化，从而导致在非标称模型条件下振动抑制效果降低。为了能够在变负载情况下快速地消除柔性臂的残余振动，本课题采用Euler-Bernoulli梁作为柔性臂模型，研究了基于振动主动控制的抑振策略，并且能够根据其末端负载的变化调整控制参数。
　　首先，以悬臂梁为基本模型，分析了在负载自重比分别为0(即空载)、10％和20%三种情况下的振型，并利用MATLAB和ANSYS计算出前四阶固有频率值。同时，选用压电陶瓷作为致动器，建立了致动器作用下悬臂梁振动的模态运动方程。根据这一数学模型，提出了致动器位置优化配置的准则，并利用遗传算法计算出了最优位置。
　　其次，为了使控制器中的参数能够跟随由负载改变引起的固有频率参数变化，实现自适应控制，需要根据控制器的输入和输出对悬臂梁的固有频率参数进行辨识。本文采用递推最小二乘法(RLS)设计了固有频率辨识算法，阐述了该算法辨识系统固有频率的基本原理，并推导得出了计算公式。
　　然后，根据致动器作用下悬臂梁振动的数学模型，设计了积分振动控制器(IRC)，建立了闭环控制系统模型，优化了控制参数，并从理论上说明了该控制策略能够增大系统阻尼。通过对整个闭环系统的鲁棒性分析，说明了进行自适应控制的必要性，并建立了整个闭环系统现实自适应控制的框图。
　　最后，搭建了基于MATLAB/Simulink和dSPACE的实时仿真控制系统，对固有频率辨识算法的准确性和IRC控制模型的有效性以及控制参数的相对最优性进行了验证。实验结果表明，固有频率辨识算法具有较高的精度，与理论分析值的误差可控制在5%以内；IRC控制模型能够比较有效地抑制三种负载自重比情况下悬臂梁的振动，使振动系统的阻尼比至少增大一倍，而且所优化的控制器参数相对最优。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题来源

1.4主要研究内容

第2章 变负载悬臂梁系统建模

2.1引言

2.2变负载悬臂梁系统建模

2.3致动器与传感器配置准则与计算

2.4本章小结

第3章 变负载悬臂梁固有频率辨识算法设计

3.1引言

3.2基于递推最小二乘法(RLS)的固有频率辨识算法

3.3本章小结

第4章 变负载悬臂梁系统振动主动控制器设计

4.1引言

4.2 IRC控制器设计

4.3不定增益K对控制系统的影响分析

4.4闭环系统鲁棒稳定性和鲁棒性能分析

4.5自适应IRC控制器设计

4.6本章小结

第5章 振动主动控制实验研究

5.1引言

5.2实验系统的建立

5.3传感器选择及信号处理电路设计

5.4固有频率辨识算法性能评估实验

5.5 IRC振动控制模型性能评估实验

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢