压电智能桁架的最优控制及优化设计

摘要

压电材料是一种具有机电耦合特性的特殊功能材料，可以通过压电效应将机械信号和电学信号进行相互转换，将压电元件粘贴在结构表面或嵌入结构内部可组成智能结构。压电元件既能作传感器又能作驱动器，实现了控制系统中传感元件与作动元件的统一。以压电材料作为传感、驱动元件的智能结构的主动控制，已经成为振动控制的热点。 本文的内容主要包括： (1)在大量阅读国内外参考资料的基础上，对相关研究内容进行了综述。介绍了压电智能结构的发展现状，给出了相关的理论公式，这也是本文研究的理论基础。概括介绍了最优控制的基本理论，尤其是最优控制中的二次型最优控制，这也是本文主要的研究方法； (2)对压电智能桁架结构的综合性能进行了分析，推导了含有压电作动器智能桁架结构的机电耦合有限元方程，并将其转化成压电桁架振动控制方程，从而建立了压电智能桁架的LQR控制的状态空间方程和LQR控制器； (3)在JIFEX中进行了压电桁架结构有限元分析，得到了最优控制中的刚度矩阵、质量矩阵和电压控制矩阵，编写了控制求解器和JIFEX程序的接口模块，采用了基于精细积分法的高精度LQR控制求解器程序对上述压电智能桁架的状态空间方程进行了求解，实现了压电智能结构的最优控制； (4)通过对空间20杆和72杆压电桁架的算例分析，表明了采用本文方法可以使压电结构的振动得到有效的抑制。同时也讨论了不同Q，R值对结构控制的影响：即增加Q值可以加快控制速度，增加R值可以减少能量消耗； (5)已有的研究表明，在作动器数目和能量消耗相同的条件下，把作动器安放在结构中不同位置时，其振动控制的效果可能大不相同，因此振动控制中作动器/传感器的优化配置问题，一直是振动控制中的关键的技术问题。本文采用遗传算法的优化求解器，在给定驱动杆件数目的情况下，以最优控制的性能指标值为目标函数，实现了机电耦合智能桁架结构最优控制中主动杆件的的优化配置；

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1论文的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1智能结构的发展

1.2.2压电智能结构振动控制的研究现状

1.2.3作动器优化配置研究现状

1.3论文的主要工作

2压电结构的力学性能和研究方法

2.1 引言

2.2压电结构的力学性能

2.2.1压电结构力学模型的建立

2.2.2线性压电方程

2.3压电结构的有限元分析

2.3.1有限单元法介绍

2.3.2压电结构有限元方程的建立

2.4本章小结

3最优控制理论

3.1 引言

3.2最优控制的一般概念

3.2.1最优控制的基本概念

3.2.2最优控制的研究方法

3.3二次型最优控制

3.3.1线性二次型问题

3.3.2线性二次型问题的状态调节器

3.4黎卡提方程的求解

3.5本章小结

4压电智能桁架结构的最优控制

4.1 引言

4.2压电桁架的二次最优控制理论

4.3算例分析(一)

4.3.1 20杆全部为压电杆件

4.3.2只有1，2杆为压电杆件

4.3.3只有16，17杆为压电杆件

4.3.4算例小结

4.4算例分析(二)

4.5加权矩阵Q、R对控制的影响

4.6本章小结

5压电智能桁架结构最优控制的优化设计

5.1 引言

5.2遗传算法的简介

5.3作动器优化配置实例分析

5.3.1 算例(一)

5.3.2算例(二)

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢