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基于观测器的半主动多模态振动控制研究

作 者: 蔡亮亮
导 师: 朱孔军
学 校: 南京航空航天大学
专 业: 测试计量技术及仪器
关键词: 压电元件 同步开关阻尼 半主动控制 多模态 状态观测器
分类号: TB535
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 25次
引 用: 0次
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内容摘要


压电材料作为一种智能材料,具有良好的机电耦合特性,在结构振动控制领域应用广泛。压电元件的主、被动控制由于实现起来复杂且适应能力差,所以在振动控制尤其是多模态振动控制方面的应用受到限制。为了克服上述两种控制方法的缺点,提出了一种基于同步开关的半主动控制方法。文中分别介绍了四种不同的半主动控制方法:SSDS/SSDI/SSDV/SSDNC技术,并给出了控制电路图和相关的能量和阻尼公式。这种控制方法对结构的单模态振动控制效果显著,但是用在结构的多模态控制中由于开关频繁切换降低了机电能的转换效率,使得控制效果减弱。因此需要一种方法可以测出结构的主要振动模态并对这些模态进行半主动控制,但是结构作多模态振动时的各阶模态往往无法直接测量。针对这种情况,本文提出了一种利用结构状态观测器来估测结构振动模态的方法,文中详细地阐述了悬臂梁特性参数的测量、状态空间方程及其状态观测器的建立。利用状态观测器可以估测出结构的各阶振动模态,通过开关算法即可获得针对相应模态的开关控制信号,再将控制信号输入与压电元件相串联的开关控制电路中即可对该模态进行半主动控制。实验中分别建立了悬臂梁结构和合金板结构的状态观测器,并对这两种结构的多模态振动进行了基于状态观测的半主动控制,实验获得了较好的控制效果。基于观测器的半主动控制方法不仅简化了控制过程,克服了传统多模态控制方法存在的一些缺陷,对结构参数的变化有较强的适应能力,而且能够应用于各种主动、半主动控制系统。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 绪论  11-14
  1.1 引言  11-12
  1.2 基于压电材料的振动控制技术  12-13
  1.3 多模态控制方法  13
  1.4 论文的主要研究内容  13-14
第二章 压电智能材料的工作原理  14-18
  2.1 压电效应  14-15
    2.1.1 正压电效应  14-15
    2.1.2 逆压电效应  15
  2.2 压电方程  15-18
第三章 基于压电元件半主动控制原理  18-28
  3.1 振动半主动控制原理  18-25
    3.1.1 短路同步开关阻尼技术(SSDS)技术  19-21
    3.1.2 电感同步开关阻尼技术(SSDI)技术  21-22
    3.1.3 电压同步开关阻尼技术(SSDV)技术  22-24
    3.1.4 负电容同步开关阻尼技术(SSDNC)技术  24-25
  3.2 开关控制方法及实现  25-27
    3.2.1 开关控制信号的作用及算法  25-26
    3.2.2 开关电路的实现  26-27
  3.3 本章小结  27-28
第四章 智能悬臂梁结构的建模及其状态观测  28-39
  4.1 悬臂梁状态方程的建立  28-30
  4.2 悬臂梁状态方程的参数测定  30-35
    4.2.1 悬臂梁共振频率的测定  30-31
    4.2.2 电压位移比λ的测定  31-32
    4.2.3 压电片等效电容的测定  32-33
    4.2.4 悬臂梁模态阻尼的测定  33-35
  4.3 悬臂梁状态观测器的建立  35-38
    4.3.1 全维状态观测器  35-36
    4.3.2 全维PI 状态观测器  36-38
  4.4 本章小节  38-39
第五章 基于状态观测的半主动多模态振动控制实验  39-63
  5.1 悬臂梁多模态控制实验平台的搭建  39-40
  5.2 悬臂梁振动模态估测及观测器改进  40-46
    5.2.1 模态估测效果  40-42
    5.2.2 观测器反馈矩阵的自调节  42-45
    5.2.3 利用压电片作为位移传感器  45-46
  5.3 开关控制算法比较  46-50
    5.3.1 基于极值判断的开关控制算法  46-47
    5.3.2 基于状态相关LQR 的开关控制算法  47-49
    5.3.3 两种开关控制算法的比较  49-50
  5.4 悬臂梁多模态振动控制实验  50-55
    5.4.1 对不同模态的控制效果比较  50-52
    5.4.2 SSDI/SSDV 控制效果比较  52-53
    5.4.3 噪声干扰/随机激励下的多模态控制  53-55
  5.5 板结构多模态控制实验  55-62
    5.5.1 板结构多模态控制实验平台  55-57
    5.5.2 传统的SSDNC 多模态控制  57-58
    5.5.3 基于状态观测的SSDNC 多模态控制  58-62
  5.6 本章小结  62-63
第六章 全文总结及展望  63-65
  6.1 全文工作总结  63
  6.2 研究工作展望  63-65
参考文献  65-68
致谢  68-69
攻读硕士学位期间发表的论文  69-70
附录  70

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 振动、噪声及其控制 > 振动和噪声的控制及其利用
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