压电智能结构主动隔振系统研究

摘要

近20年来,智能材料结构随着材料科学、计算机技术、信息理论、控制理论等的发展已成为国内外最活跃的研究课题之一,利用智能结构进行振动主动控制是其重要的研究内容.该文针对某特定的机载精密仪器进行了动力学建模,建立了压电智能结构主动隔振系统,对其进行了理论研究,并在时域和频域分别进行了试验仿真分析,结果表明:压电智能结构主动隔振系统在整个频段都具有很好的隔振效果,大大优于被动隔振系统,也优于一般的主-被动混合隔振系统.该文还将压电智能结构主动隔振的理论和控制方法应用到土木工程领域,利用一类压电材料控制器对平移-扭转耦联的框架结构进行了主动隔震,仿真结果显示:结构各层的平移和扭转均得到显著减小,表明将智能结构系统用于结构地震反应主动控制中的可能性.该文的主要工作集中在以下几个方面:(1)从压电材料的压电方程出发,对其作动能力和传感能力进行了详细的分析,得到了压电智能结构中压电片的作动方程和传感方程,并对压电材料传感作动集成进行了探讨.(2)对某特定的机载精密仪器进行了动力学建模,建立了压电智能结构主动隔振系统.(3)应用最优控制理论设计控制器,对瞬时最优控制和线性二次型Gauss(LQG)闭环控制方法进行研究和对比,并导出构形空间内的瞬时最优闭环控制算法.(4)用计算机仿真验证了智能结构主动隔振的有效性和优越性;分析了加权矩阵对控制系统的影响并探讨其选取方法;证明了在加权矩阵选取相同时,瞬时最优控制优于LQG控制.(5)利用一类压电材料控制器对平移-扭转耦联的框架结构进行了主动隔震研究,并对其进行了仿真分析,结果显示出良好的隔震效果和应用前景.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2智能材料结构与振动主动控制

1.3振动控制的方法及主动隔振技术的发展

1.3.1经典振动控制

1.3.2智能振动控制

1.3.3主动隔振技术的发展

1.4智能材料结构在土木工程中的应用

1.5本文的研究内容和意义

第二章压电材料及压电智能结构

2.1压电材料

2.1.1压电方程及压电常数

2.1.2压电陶瓷材料的使用

2.2压电片

2.3粘贴压电片的压电智能结构

2.3.1压电传感分析

2.3.2压电作动分析

2.3.3压电自感作动集成分析

2.4小结

第三章压电智能结构主动隔振系统的建模与分析

3.1引言

3.2结构模型和基本假定

3.3被动隔振系统的建模与分析

3.3.1建模

3.3.2隔振器的参数对隔振效果的影响

3.4主-被动混合隔振系统的建模与分析

3.4.1建模

3.4.2主动隔振减振机理

3.5压电智能结构主动隔振系统的建模与分析

3.5.1建模

3.5.2模型分析

3.6状态空间方程

3.7压电智能结构主动隔振系统的组成及工作原理

3.8小结

第四章主动隔振控制设计与分析

4.1前言

4.2确定性激励下的线性二次型最优控制

4.2.1最优控制力推导

4.2.2利用状态观测器获取状态变量估计

4.3随机性激励下的线性二次型Gauss(LQG)控制

4.3.1线性二次型Gauss问题

4.3.2利用卡尔曼滤波获取状态估计

4.4瞬时最优控制

4.5构形空间下的最优控制设计

4.6小结

第五章计算机仿真分析

5.1仿真分析的目的和主要步骤

5.2瞬时最优控制下的仿真分析

5.2.1频率响应分析

5.2.2时间响应分析

5.3瞬时最优控制与线性二次型(LQG)最优控制对比

5.3.1频率响应分析

5.3.2时间响应分析

5.4加权矩阵对控制效果的影响

5.4.1加权矩阵R的影响

5.4.2加权矩阵Q的影响

5.5加权矩阵对频率响应的影响

5.6加权矩阵的选择

5.7小结

第六章平移-扭转耦联框架的智能结构主动隔震

6.1前言

6.2压电材料智能控制器的工作原理

6.2.1压电材料驱动器的力学性能

6.2.2压电材料控制器的原理

6.2.3压电材料控制器的控制力计算

6.3地震作用下框架结构平移-扭转耦联振动的控制

6.3.1计算假定及分析模型

6.3.2运动方程

6.3.3控制电压的求解

6.4仿真分析

6.5结论

第七章主要工作总结和研究展望

7.1本文主要工作总结

7.2研究展望

参考文献

致谢

硕士期间参加的科研项目

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