压电智能柔板振动响应自适应控制研究及振形可视化技术

摘要

智能结构代表着21世纪材料与结构发展的一个新方向，特别在振动主动控制中具有非常诱人的前景，目前已成为振动工程界的研究热点。主动减振智能结构是智能材料结构研究的重要内容之一，它利用埋入结构中的传感器监测结构的振动水平，根据一定的控制规律去实时控制埋入结构中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响应的目的。从而提高了结构的性能和安全性，延长了其使用寿命。这一研究不仅在航空航天领域，而且在国防和民用的其它众多领域也有着极其重要的意义和广阔的应用前景。 压电元件具有灵敏度高、动态范围大、响应频带宽的优点，在智能结构中既可用作传感器也可用作驱动器，从而实现了传感元件与驱动元件的统一。本文以航天柔性结构如太阳能帆板为理想应用目标，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)模拟航天器太阳能帆板结构，以一个柔性悬臂板结构作为受控对象，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；(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)推导并探讨了结构振动主动控制的基本原理与策略；(5)深入研究了实现结构振动主动控制的自适应滤波控制理论及其自适应算法。明确提出了这一方法的技术优势在于其控制修正速率高、对非平稳响应适应能力强并能够较快地跟踪结构参数及外扰响应的变化。(6)研究了受控结构的自适应建模方法，引入了采用最小均方算法的模型通道在轨辨识策略。(7)开发了基于DSP测控核心和Visual C++软件平台的压电智能结构振动响应自适应控制系统。(8)采用自适应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；(9)对参加部分研究工作的“柔性结构振动形态感知与重建可视化”技术进行了分析和概述。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1引言

§1.2智能材料结构的内涵和研究现状

1.2.1智能材料结构的基本概念

1.2.2智能材料结构的组织特征

1.2.3智能材料结构的发展背景

1.2.4智能材料结构的研究内容

§1.3主动减振智能结构的研究进展

1.3.1振动主动控制技术

1.3.2主动减振智能结构

1.3.3自适应滤波主动控制

§1.4本文的主要研究工作

1.4.1课题背景

1.4.2主要研究工作与内容

1.4.3论文的章节与编排

§1.5本章小结

第二章信息感知与行为驱动机敏材料

§2.1引言

§2.2智能结构中的传感元件

§2.3智能结构中的驱动元件

§2.4压电元件的基本工作原理

§2.5压电方程

§2.6智能结构研究中的压电元件

§2.7本章小结

第三章自适应滤波器原理及其最小均方算法

§3.1引言

§3.2自适应滤波器的基本原理

§3.3最小均方算法

§3.4算法收敛条件讨论

§3.5本章小结

第四章基于振动主动控制的自适应滤波控制策略

§4.1引言

§4.2基于FIR滤波器形式的多通道LMS算法与仿真研究

4.2.1算法介绍

4.2.2 Matlab仿真实验及其结果分析

§4.3基于IIR滤波器形式的多通道LMS算法与仿真研究

4.3.1算法介绍

4.3.2 Matlab仿真实验及其结果分析

§4.4多通道控制传输模型实时辨识

§4.5本章小结

第五章柔性智能结构实验模型设计与构建

§5.1引言

§5.2太阳能帆板模型构造与有限元分析

§5.3传感/驱动网络布置

§5.4本章小结

第六章基于DSP核心单元的测控平台设计与开发

§6.1引言

§6.2自适应控制系统总体设计思想实验架构搭建

§6.3基于DSP核心的压电测控平台设计

6.3.1压电传感器等效电路

6.3.2压电传感器电荷放大器

6.3.4低通滤波器

6.3.5驱动压电作动器功率放大器

6.3.6控制器的硬/软件开发与设计

6.3.7上位机控制界面设计

§6.4本章小结

第七章实验平台构建与实验结果

§7.1引言

§7.2自适应抑振实验系统构成

§7.3基于自适应滤波前馈控制方法抑振实验研究

7.3.1辨识系统功能实现

7.3.2控制系统功能实现

7.3.3实验分析

7.3.4结论

§7.4本章小结

第八章智能柔板振动形态感知与图形处理技术

§8.1引言

§8.2 Bragg光栅传感原理与特点

§8.3从波长到曲率的转化

§8.4基于曲率信息的曲面拟合算法

§8.5三维曲面重建与现场可视化软件开发

8.5.1程序流程图

8.5.2 OpenGL与MFC的接口

8.5.3光照的实现

8.5.4雾效

8.5.5纹理的实现

8.5.6三维曲面重现

§8.6曲面重建与可视化运行效果

§8.7本章小结

第九章总结与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文和专利申请情况

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致谢