改进型FXLMS自适应结构振动控制算法与翼形结构三维重构研究

摘要

智能结构又称灵巧结构，代表着21世纪材料与结构发展的一个新的方向。这种结构不仅具有普通结构所具有的承载能力，而且还具有识别、分析、处理、控制等功能。其在航天器中的应用可使飞行器的重量减轻、系统功能增强、性能大大提高。
　　 主动减振智能结构是智能材料结构研究的重要内容之一，它利用嵌入结构的传感元件监测结构的振动水平，采用相应的控制律实时作用于嵌入结构的驱动器，以改变结构的振动状态，达到自适应抑制结构振动的目的，从而提高了结构的性能和安全性，延长了其使用寿命。
　　 本文以大展弦比近空间飞行器机翼为理想应用目标，基于压电元件构建主动减振智能结构对象和综合测控系统，将控制理论与技术、自适应信号处理方法、计算机测控技术、结构振动理论和压电材料学结合起来，对基于自适应控制策略的智能结构振动主动控制技术进行了理论方法、实现技术和实验验证研究。全文可以概括为机敏材料特性与分析、基于结构振动主动控制的自适应滤波控制策略、实验平台构建与实现技术开发、实验分析与验证、以及振形感知与重建可视化五个部分，所做的主要工作和贡献如下：
　　 (1)以柔性悬臂板结构作为受控对象模型，模拟近空间飞行器机翼结构，结合自适应控制系统开发，形成了一套智能结构自适应抑振实验系统。
　　 (2)分析了压电元件的基本原理和性能，并在与多种智能材料特性分析比较的基础上，探讨了压电智能结构实现结构主动控制的优越性。
　　 (3)运用有限元模态分析方法对受控系统进行振动特性分析，以此作为智能结构系统的传感/驱动网络配置指导准则。
　　 (4)研究分析了自适应滤波器的基本原理，并在此基础上提出了一种改进型的FXLMS算法，对该算法进行了详细的推导和仿真实验。明确提出这一方法不尽具有控制修正速率高、对非平稳响应适应能力强的特点，尤其是算法过程所需要的参考信号可从振动结构中直接提取。
　　 (5)研究了受控结构的自适应建模方法，引入了采用LMS算法的模型通道在线辨识策略。
　　 (6)开发了基于PCI数据采集卡和Visual C++软件平台的压电智能结构振动响应自适应控制系统。
　　 (7)基于改进型的FXLMS算法，构建自适应控制实验平台，并采用该控制方法对压电悬臂柔板进行了振动主动控制实验，取得了良好的抑振效果。
　　 (8)研究分析了一种新颖曲面重建方法，并基于此方法结合OpenGL技术进行机翼结构的实时三维重构和可视化实现。仿真结果表明，该方法不仅重建效果佳，实时性好，而且便于技术上实现，为实际结构模型形态重建进行了有益的探索。