基于改进滑模变结构的加筋板振动主动控制研究

摘要

加筋板结构具有优良的机械性能和物理特性，以及很好的经济性，被广泛应用于航空、机械加工和船舶等众多工业制造与加工领域。然而加筋板结构在受到外界的扰动或者激励时，自身会产生受迫振动，将影响加筋板以及整体结构的正常运行，在受迫振动较小的时候会影响结构的使用寿命;当受迫振动剧烈时候甚至会导致安全问题。所以，对加筋板相关机构的振动情况研究以及振动控制分析至关重要。对于加筋板的振动分析已经获得了丰硕成果，然而滑模变结构控制中存在的“抖振”和振动衰减时间过长，以及压电片同位配置的局部应变效应导致振动控制效果不佳的问题需要解决。
　　本文以加筋板作为研究和分析的对象，利用压电陶瓷片的压电效应将其作为传感器和作动器，进一步的对粘有压电陶瓷片的加筋板振动控制系统进行动力学建模、相关振动模态参数识别、分析基于幂次趋近律滑模变结构控制算法、改进幂次趋近律滑模变结构控制算法和提出基于局部应变补偿方案的改进幂次趋近律滑模变结构算法，对加筋板振动控制系统的振动主动控制理论和实验的研究。主要论文内容如下;
　　第二章阐述了并分析压电元件的正反压电效应和工作原理，最终根据机械振动基本理论建立了加筋板振动控制系统的机电耦合振动模型及其状态空间方程，以便下文对基于幂次趋近律滑模变结构振动主动控制仿真和实验做准备。
　　第三章分析并推导了基于幂次趋近律滑模变结构控制算法的基本原理，结合加筋板振动控制系统的状态空间方程，进一步推导控制算法的控制律表达式以及相关参数的计算式。然后通过ANSYS-Workbench模块的模态分析功能对加筋板振动控制系统进行初步确定相关模态参数;再由正弦扫频试验方法确定加筋板振动控制系统的实际模态参数;最后运用MATLAB-Simulink仿真系统，进行基于幂次趋近滑模变结构控制算法对加筋板振动控制系统的振动主动控制的仿真与分析，确定最优的控制参数。参照仿真的相关数据，基于NI公司的CompactRIO实时控制器，搭建加筋板振动控制系统的振动主动控制实验平台;结合LabVIEW虚拟仪器对CompactRIO实时控制器进行编程，以实现基于幂次趋近律滑模变结构控制算法对加筋板振动控制系统的振动主动控制;最终通过实验结果来验证控制算法的可行性，并分析在振动主动控制实验过程存在的相关问题。
　　第四章通过基于幂次趋近律滑模变结构控制算法对加筋板的振动控制实验分析，存在“抖振”和振动衰减时间过长问题，分析算法的不足之处，并最终基于以上的问题提出改进幂次趋近律滑模变结构控制算法，主要是构建了改进幂次系数a;然后运用MATLAB-Simulink控制与仿真系统编写基于改进幂次趋近律滑模变结构算法对加筋板振动主动控制实验的仿真程序，进行振动主动控制的仿真分析。最后参考仿真的相关参数，结合CompacrRIO实时控制器实现基于改进幂次趋近律滑模变结构控制算法对加筋板进行振动主动控制实验，分析实验结果，验证该算法的可行性。
　　第五章通过实际实验分析得知，由于局部效应的存在，导致控制实验过程中的振动信号不是单纯的弯曲应变，区别于加筋板机电耦合振动系统模型的厚度方向的应变;针对此问题提出基于局部应变补偿方案，最后基于局部应变补偿改进幂次滑模变结构控制算法对加筋板进行振动主动控制实验，验证此方案的可行性。

目录

声明

摘要

1．1 课题来源

1．2 研究背景

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

2．压电加筋板建模

2．1 压电功能元件

2．1．1 压电效应

2．1．2 物理特性

2．2 加筋板建模

2．2．1 加筋板振动系统模型

2．2．2 加筋板机电耦合振动系统模型

2．2．3 空间状态表达式

2．3 本章小结

3．基于滑模变结构振动控制

3．1 滑模变结构控制算法原理

3．1．1 滑动模态概念及数学定义

3．1．2 滑模变结构控制定义

3．1．3 基于幂次趋近律滑模变结构控制算法原理

3．2 加筋板模态分析

3．2．1 加筋板Workbench模态分析

3．2．2 加筋板模态试验分析

3．2．3 模态试验原理

3．2．4 模态试验系统的搭建

3．3 振动控制仿真分析

3．3．1 仿真参数的确定

3．3．2 Matlab-Simulink仿真分析

3．4 振动控制实验

3．4．1 实验组成设备

3．4．2 CompactRIO-9024

3．4．3 LabVIW控制程序

3．4．4 实验步骤

3．4．5 实验结果分析

3．5 本章小结

4．基于改进滑模变结构振动控制

4．1 改进幂次趋近律滑模控制律

4．1．1 改进幂次趋近律原理

4．1．2 改进幂次趋近律分析

4．2 改进幂次趋近律滑模控制仿真分析

4．2．1．仿真框图

4．2．2 仿真结果分析

4．3 改进幂次趋近律滑模振动控制实验

4．3．1 改进幂次控制律LabVIEW程序

4．3．2 改进幂次趋近律控制实验结果分析

4．4 本章小结

5．基于局部应变补偿振动控制

5．1 局部应变补偿原理

5．1．1 局部应变原理

5．1．2 局部应变补偿原理

5．2 局部应变补偿实验

5．2．1 局部应变补偿实验原理

5．2．2 局部应变补偿振动控制实验

5．3 本章小结

6．结论与展望

6．1 主要工作及结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读研期间主要科研成果