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基于压电自感知执行器的振动主动控制技术研究

作　者: 李大鹏
导　师: 缑新科
学　校: 兰州理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 自感知执行器 柔性悬臂梁结构 振动主动控制 模态分析 预测函数法
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 38次
引　用: 1次
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内容摘要


随着航空事业高速的发展,大量柔性结构如太阳能帆板被使用于各种飞行器中。但由于这些柔性结构本身具有扰度高,阻尼低的特性,在受到外力作用时就会产生持续的振动。在没有空气阻尼的太空环境中,结构的振动很难停止,并且容易引起共振,严重影响了结构的工作性能,所以对这类结构进行振动控制已颇为重要。振动主动控制具有控制精度高,自适应调节能力强等优越性,在结构振动控制中被广泛应用。传统的控制系统中,传感器和执行器的同位配置等问题很难被解决。控制方法大多数是基于现代控制理论,对系统的数学模型精确性要求很高,且所采用的控制算法很复杂,不能够对系统的振动做出快速地响应。预测函数控制算法是根据控制系统的历史信息和选定的控制输入,对未来某段时域内的过程输出控制序列作出预测,而不需要被控对象的精确数学模型的一种新型控制算法。由于预测函数控制算法中的大部分控制参数可以进行离线计算,故减小了系统的在线计算量,提高了系统的实时响应能力。本文研究了基于预测函数控制法的振动主动控制技术。把压电柔性悬臂梁作为控制对象,利用模态分析法建立了压电悬臂梁振动系统的状态空间方程。然后将振动系统的状态空间方程离散化后作为预测模型,经过严密的理论分析和一系列的计算得出了最优的控制律。设计了基于预测函数控制法的自感知悬臂梁振动控制系统。最后对所设计的控制系统进行了开环和闭环仿真。实验结果表明,在开环情况下,依靠自身的阻尼作用系统振动衰减很慢,而当系统输入控制作用后,压电柔性悬臂梁的振动很快被抑制,控制效果良好,达到了预期的控制目的。

全文目录


摘要  7-8
Abstract  8-9
插图索引  9-10
附表索引  10-11
第一章 绪论  11-20
  1.1 本文研究背景  11-12
  1.2 自感知执行器的应用  12-16
    1.2.1 结构集成与功能集成的比较  12-14
    1.2.2 自感知执行器的概念  14
    1.2.3 自感知执行器的国内外研究现状  14-16
  1.3 振动主动控制技术研究现状  16-18
    1.3.1 智能结构振动主动控制的国内外研究现状  16-17
    1.3.2 智能结构振动主动控制研究方法概述  17-18
  1.4 本文的工作内容  18-19
  1.5 本章小结  19-20
第二章 压电材料的基本特性  20-27
  2.1 压电现象  20-21
  2.2 压电材料的电学特性和力学特性  21-24
    2.2.1 压电材料的物理量及常数矩阵  21-22
    2.2.2 压电材料的介电性和弹性  22-23
    2.2.3 压电材料的压电效应  23-24
  2.3 压电方程  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 自感知柔性悬臂梁振动控制系统建模  27-33
  3.1 压电自感知执行器的信号分离原理  27-28
  3.2 压电柔性悬臂梁系统的数学模型  28-32
    3.2.1 压电悬臂梁的振动模态分析  28-30
    3.2.2 压电致动方程  30
    3.2.3 压电传感方程  30-32
  3.3 压电悬臂梁振动控制系统状态空间方程  32
  3.4 本章小结  32-33
第四章 基于预测函数控制算法的控制器设计  33-40
  4.1 预测函数控制的基本原理  33-35
    4.1.1 基函数和控制量  33-34
    4.1.2 预测模型  34
    4.1.3 参考轨迹  34-35
    4.1.4 反馈校正和滚动优化  35
  4.2 压电柔性悬臂梁振动系统的预测函数控制  35-38
    4.2.1 压电柔性悬臂梁的预测模型  35-37
    4.2.2 性能指标与最优解  37-38
  4.3 预测函数控制算法的实现步骤  38-39
  4.4 本章小结  39-40
第五章 系统仿真分析  40-48
  5.1 柔性悬臂梁振动控制系统的物理模型  40-44
    5.1.1 悬臂梁振动控制系统组成图及物理参数选取  40-41
    5.1.2 压电悬臂梁的系统参数计算  41-44
  5.2 压电悬臂梁振动控制系统的仿真分析  44-47
    5.2.1 系统的开环响应  44-45
    5.2.2 系统的预测函数控制响应  45-47
  5.3 本章小结  47-48
结论与展望  48-50
参考文献  50-54
致谢  54-55
附录A 攻读学位期间发表的论文  55

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化基础理论 > 自动控制理论
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