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压电智能桁架的最优控制及优化设计

作　者: 张目
导　师: 赵国忠
学　校: 大连理工大学
专　业: 计算力学
关键词: 智能结构最优控制状态变量性能指标优化设计
分类号: TN384
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 143次
引　用: 2次
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内容摘要

压电材料是一种具有机电耦合特性的特殊功能材料,可以通过压电效应将机械信号和电学信号进行相互转换,将压电元件粘贴在结构表面或嵌入结构内部可组成智能结构。压电元件既能作传感器又能作驱动器,实现了控制系统中传感元件与作动元件的统一。以压电材料作为传感、驱动元件的智能结构的主动控制,已经成为振动控制的热点。本文的内容主要包括:(1)在大量阅读国内外参考资料的基础上,对相关研究内容进行了综述。介绍了压电智能结构的发展现状,给出了相关的理论公式,这也是本文研究的理论基础。概括介绍了最优控制的基本理论,尤其是最优控制中的二次型最优控制,这也是本文主要的研究方法;(2)对压电智能桁架结构的综合性能进行了分析,推导了含有压电作动器智能桁架结构的机电耦合有限元方程,并将其转化成压电桁架振动控制方程,从而建立了压电智能桁架的LQR控制的状态空间方程和LQR控制器;(3)在JIFEX中进行了压电桁架结构有限元分析,得到了最优控制中的刚度矩阵、质量矩阵和电压控制矩阵,编写了控制求解器和JIFEX程序的接口模块,采用了基于精细积分法的高精度LQR控制求解器程序对上述压电智能桁架的状态空间方程进行了求解,实现了压电智能结构的最优控制;(4)通过对空间20杆和72杆压电桁架的算例分析,表明了采用本文方法可以使压电结构的振动得到有效的抑制。同时也讨论了不同Q,R值对结构控制的影响:即增加Q值可以加快控制速度,增加R值可以减少能量消耗;(5)已有的研究表明,在作动器数目和能量消耗相同的条件下,把作动器安放在结构中不同位置时,其振动控制的效果可能大不相同,因此振动控制中作动器/传感器的优化配置问题,一直是振动控制中的关键的技术问题。本文采用遗传算法的优化求解器,在给定驱动杆件数目的情况下,以最优控制的性能指标值为目标函数,实现了机电耦合智能桁架结构最优控制中主动杆件的的优化配置;

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 论文的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-17
    1.2.1 智能结构的发展  10-13
    1.2.2 压电智能结构振动控制的研究现状  13-16
    1.2.3 作动器优化配置研究现状  16-17
  1.3 论文的主要工作  17-18
2 压电结构的力学性能和研究方法  18-23
  2.1 引言  18
  2.2 压电结构的力学性能  18-20
    2.2.1 压电结构力学模型的建立  18-19
    2.2.2 线性压电方程  19-20
  2.3 压电结构的有限元分析  20-22
    2.3.1 有限单元法介绍  20-21
    2.3.2 压电结构有限元方程的建立  21-22
  2.4 本章小结  22-23
3 最优控制理论  23-33
  3.1 引言  23
  3.2 最优控制的一般概念  23-24
    3.2.1 最优控制的基本概念  23
    3.2.2 最优控制的研究方法  23-24
  3.3 二次型最优控制  24-31
    3.3.1 线性二次型问题  24-26
    3.3.2 线性二次型问题的状态调节器  26-31
  3.4 黎卡提方程的求解  31-32
  3.5 本章小结  32-33
4 压电智能桁架结构的最优控制  33-56
  4.1 引言  33
  4.2 压电桁架的二次最优控制理论  33-35
  4.3 算例分析(一)  35-47
    4.3.1 20杆全部为压电杆件  37-40
    4.3.2 只有1,2杆为压电杆件  40-43
    4.3.3 只有16,17杆为压电杆件  43-46
    4.3.4 算例小结  46-47
  4.4 算例分析(二)  47-53
  4.5 加权矩阵Q、R对控制的影响  53-55
  4.6 本章小结  55-56
5 压电智能桁架结构最优控制的优化设计  56-64
  5.1 引言  56-57
  5.2 遗传算法的简介  57-59
  5.3 作动器优化配置实例分析  59-63
    5.3.1 算例(一)  59-63
    5.3.2 算例(二)  63
  5.4 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  68-69
致谢  69-70

压电智能桁架的最优控制及优化设计

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