柔性结构的实验建模与主动控制

摘要

该文以此为背景,以加快柔性结构的振动衰减为目的,着重研究了柔性结构振动主动控制的若干重要问题:离散型压电式传感器与作动器在二维柔性板上的配置问题;如何建立本质上是无穷维的分布参数系统的适合控制律设计的数学描述问题;柔性结构振动控制中控制溢出和观测溢出的防治问题,等.该文构建了二维柔性板的物理实验系统,目的是以柔性结构为实验对象,研究适合柔性结构的建模方法和控制律设计方案,使得理论和仿真的结论,可以在实验中得到验证.同时,亦可检验系统从检测到驱动、从软件到硬件、从构成到成本等多种因素下是否均切实可行.该文在建立二维柔性板实验系统的基础上,深入研究了离散型压电式传感器与作动器的最优配置问题.该文考虑了压电式传感器和作动器与柔性板之间的相互作用,综合对象的前四阶模态的振型,采用一种基于能量的准则函数,计算出柔性板上面各位置能控性和能观性的大小,以此确定压电传感器和作动器的位置.该文设计了基于辨识模型的多变量最优调节控制器,针对初始扰动、持续正弦扰动、窄带随机扰动等典型形式的扰动进行了实验验证,结果显示对象的包括弯曲和扭转的振动模态都得到了有效抑制.该文则相应的提出了并行滤波法,该方法不仅物理意义明显且易于实现;在详细给出该方法的原理及其实现的基础上,进行了仿真研究和实验验证.两者均表明,采用了并行滤波法的控制器在不牺牲对低频模态的抑制效果的同时,又不激发出对象的剩余模态,即起到了很好的防止溢出的作用.该文着重从主动控制的角度论述柔性结构振动控制领域的研究现状、主要研究方法及存在的问题;深入研究了当前应着重注意和解的几个关键问题.近年来,柔性结构的振动控制正逐渐形成一门较为完整的理论体系,尤其是现代控制理论与振动理论的结合,又促进了该新兴学科的发展.限于篇幅,该文不能尽述该领域内的所有问题,希望该文的工作对这一领域的研究能够起到积极的推动作用.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章绪论

§1.1问题的提出

§1.2振动主动控制概述

§1.3柔性结构振动控制的研究现状

1.3.1受控对象的数学模型

1.3.2常用的控制策略

1.3.3传感器与作动器的选材及配置

1.3.4典型实验的介绍

1.3.5本研究组的工作介绍

1.3.6亟需解决的一些问题

§1.4本文的内容安排

第二章柔性板振动控制的实验系统

§2.1物理实验系统的构建原理及实现

§2.2实验系统各部分的说明

2.2.1敏感和驱动元件的选取

2.2.2压电材料作为传感器的原理及检测电路

2.2.3压电材料作为作动器的原理及驱动电路

§2.3各组件的具体型号和参数

本章小结

第三章压电传感器与作动器的优化配置

§3.1控制对象的理论建模

3.1.1作动器和传感器的数学模型

3.1.2带作动器和传感器的柔性板整体模型

§3.2压电作动器和传感器的优化配置

3.2.1选取优化准则

3.2.2试验板的模态分析和理论建模

3.2.3配置传感器和作动器

§3.3同位配置和非同位配置

3.3.1同位配置离散型传感器和作动器存在的问题

3.3.2传感器和作动器在柔性板中的实际配置

本章小结

第四章柔性板的单变量频域辨识及控制

§4.1频域辨识建模的基本思想

4.1.1有限元法和频域辨识

4.1.2频域辨识的特点

4.1.3频域辨识的极大似然法

§4.2柔性板的频域辨识过程

4.2.1频域辨识的流程

4.2.2辨识前的准备工作

4.2.3频域辨识过程及结果分析

§4.3基于辨识模型的最优控制

4.3.1针对辨识模型设计线性二次型最优调节器

4.3.2最优控制抑制柔性板振动的实验结果

4.3.3柔性板振动抑制控制效果的定量分析

本章小结

第五章柔性板的多变量频域辨识及控制

§5.1多变量线性系统的描述和参数估计方法

§5.2柔性板的多变量辨识过程及辨识结果

5.2.1辨识输入信号的设计

5.2.2辨识结果及其分析

§5.3基于辨识模型的多变量最优调节器设计

§5.4几种典型扰动情况下的减振效果

5.4.1初始扰动下的自由衰减和控制效果

5.4.2持续正弦扰动下的减振效果

5.4.3窄带随机扰动下的减振效果

§5.5实验研究的结论

本章小结

第六章柔性结构溢出问题的研究

§6.1溢出产生的机理

§6.2常用的抑制溢出方法评述

6.2.1改变作动器和传感器的影响函数

6.2.2采用滤波方式

6.2.3降低残余子系统与控制力之间的耦合作用

6.2.4增大残余子系统的稳定裕度

§6.3并行滤波法抑制溢出的原理及其仿真研究

6.3.1增广观测器法的分析

6.3.2增广观测器法的改进—并行滤波法(PFM)

6.3.3并行滤波法的数值仿真

§6.4抑制溢出的实验研究

§6.5溢出问题研究的展望

本章小结

结束语

论文工作总结

前景展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文