支杆式风洞模型主动振动抑制控制方法研究

摘要

在跨声速风洞试验中，试验模型通常采用支杆尾撑方式，导致系统整体刚度较低，在进行大攻角试验时，由于气流脉动载荷的作用，模型极其容易产生低频大幅度振动，直接影响风洞试验的安全性和数据的准确性。在模型支杆系统振动抑制方法中，主动抑振方法更具研究价值和应用前景。本文在分析支杆主动振动抑制原理的基础上，选用外套式主动抑振器，提出了基于PID控制理论和模糊控制理论的四种控制算法，构建了实时控制系统，通过地面对比实验和地面温降实验，对支杆式风洞试验模型主动振动抑制控制方法进行研究。
　　(1)首先针对某型号风洞模型支杆系统，分析支杆式风洞模型主动抑振原理，明确支杆式风洞模型主动抑振系统的特性与主动控制的难点，根据特性与难点分析主动振动抑制控制系统对控制算法的要求，针对系统需求提出了基于模糊控制理论和PID控制理论的四种控制算法。
　　(2)结合国内某型号风洞试验模型支杆系统振动特性，基于四种控制算法，本文设计了PID控制器、模糊控制器、模糊PID复合控制器和模糊自适应PID控制器，通过数值仿真对四种控制器的主动振动抑制控制性能进行理论验证。
　　(3)选取模型定常载荷100N和150N，采用激振实验方法，探究PID控制器、模糊控制器与模糊PID复合控制器各自的控制性能，得到模糊PID复合控制器的控制性能优于PID控制器和模糊控制器;选取18种模型定常载荷(100N-185N)，探究模糊PID复合控制器和模糊自适应PID控制器的控制性能和自适应性能，得到剩余振幅比例和调整时间两项控制主要性能指标上，模糊自适应PID控制器均优于模糊PID复合控制器的结论，与数值仿真结果一致。模糊自适应PID控制器剩余振幅比例最小达到8.35％，调整时间最小达到0.3s。
　　(4)利用低温环境箱搭建主动抑振器地面温降实验平台，在15°至-30°温度范围内，采用阶跃响应实验方法和锤击实验方法，研究模型支杆系统和主动抑振器的温降特性，同时验证模糊自适应PID控制器温降时的控制性能和自适应性能。实验结果表明:随着环境温度下降，模型支杆系统阻尼比和固有频率逐渐增大，主动抑振器阶跃响应逐渐减小;同时，环境温度下降时，在模糊自适应PID控制器的控制下，主动抑振器工作时的系统阻尼比随温度降低波动范围较小，说明模糊自适应PID控制器在环境温度大幅度降低时仍能够保持较好的控制性能，具有良好的自适应性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 支杆式风洞试验模型主动振动抑制研究现状

1．2．1 支杆式风洞试验模型主动振动抑制的国外研究现状

1．2．2 支杆式风洞试验模型主动振动抑制的国内研究现状

1．3 课题的主要研究内容

2 支杆式风洞模型主动抑振原理

2．1 支杆式风洞模型振动原理与分析

2．2 主动抑振器工作原理与分析

2．2．1 叠堆式压电陶瓷作动器工作原理

2．2．2 主动抑振器致支杆变形分析

2．3 主动抑振系统控制原理及控制系统设计

2．3．1 主动抑振系统控制原理

2．3．2 控制系统设计

2．4 主动抑振系统控制方法选择

2．5 本章小结

3 控制器设计及数值仿真

3．1 模型支杆系统的仿真实验建模

3．2 PID控制器设计及MATLAB数值仿真

3．2．1 PID控制器设计

3．2．2 PID控制器参数整定方法介绍

3．2．3 PID控制器MATLAB数值仿真

3．3 模糊控制器设计及MATLAB数值仿真

3．3．1 输入量和输出量的设计

3．3．2 输入比例系数和输出比例系数的确定

3．3．3 模糊规则的设计

3．3．4 模糊控制器MATLAB数值仿真

3．4 模糊PID复合控制器设计及MATLAB数值仿真

3．4．1 模糊PID复合控制器设计

3．4．2 模糊PID复合控制器MATLAB数值仿真

3．5 模糊自适应PID控制器设计及MATLAB数值仿真

3．5．1 模糊自适应PID控制器设计

3．5．2 模糊自适应PID控制器MATLAB数值仿真

3．6 本章小结

4 控制算法实验室实验对比分析

4．1 支杆式风洞模型主动振动抑制实验室实验方法

4．1．1 实验室实验系统介绍

4．1．2 控制程序设计及软件界面

4．1．3 工况选择及实验室实验现场

4．2 PID控制器、模糊控制器与模糊PID复合控制器的对比实验

4．2．1 PID控制器实验室实验结果

4．2．2 模糊控制器实验室实验结果

4．2．3 模糊PID复合控制实验室实验结果

4．2．4 PID控制器、模糊控制器与模糊PID复合控制器对比分析

4．3 模糊PID复合控制器与模糊自适应PID控制器的对比实验

4．3．1 变工况下模糊PID复合控制器实验室实验结果

4．3．2 变工况下模糊自适应PID控制变载荷实验室实验结果

4．3．3 模糊PID复合控制器与模糊自适应PID控制器对比与分析

4．4 本章小结

5 低温下抑制器性能探究及控制算法验证

5．1 风洞温降的产生及对压电材料的影响

5．2 温降对支杆式风洞模型主动抑振系统的影响

5．2．1 温降对模型支杆系统固有特性的影响

5．2．2 温降对主动抑振器性能的影响

5．3 模糊自适应PID控制器低温验证实验

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢