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基于负电容压电分流阻尼电路的主—被动混合振动控制研究

作　者: 马小陆
导　师: 裘进浩
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 压电材料负电容主-被动混合控制振动控制小波变换机电耦合系数
分类号: TB535
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

负电容控制器是用一个负的容抗来抵消压电片容抗，因此控制效果与频率无关，不易受外界环境干扰，只用一个压电片就能控制多阶模态，这给实际工程应用带来了极大的方便。主-被动混合控制综合利用被动控制和主动控制的一种新型控制策略，真正实现了主、被动振动控制一体化的思想，它是利用被动控制技术与主动控制技术相结合，将主动控制子系统和被动阻尼子系统集成在同一系统中,从而可以使主动和被动控制的效应相互补充。本文对负电容压电分流阻尼系统中负电容电路参数对系统的稳定性和振动幅值的影响进行研究，对其存在的问题提出二种主-被动混合控制方法，弥补当前负电容压电阻尼方法在振动控制应用中的不足。并从实际应用的角度出发，对提出的主-被动混合控制方法进行了深入研究，提出了基于负电容压电分流阻尼电路和小波变换自适应算法的主-被动混合控制方法，提高了系统的自适应能力。为了能使负电容电路更好的应用，对提出的主-被动混合控制方法进行了更进一步深入研究，从电荷等效的角度，重新设计了负电容等效电路，提出了基于压控电荷源和小波变换自适应算法的主-被动混合控制方法。论文的主要工作和创新性成果如下：(1)从压电材料的特性角度，建立了压电分流阻尼模型，描述了基于负电容压电分流阻尼被动振动控制原理，并分析了负电容分流电路参数的变化对系统阻尼的影响。(2)在负电容压电分流阻尼被动振动控制系统中，负电容的作用是用来抵消压电片的容抗，理论上负电容绝对值的大小越接近于压电片的容抗时，控制效果越好，但在实验中发现，当负电容绝对值大于且接近于或小于压电片的容抗时，系统将不稳定。针对这个问题，本文利用反馈控制原理分析了基于负电容压电分流阻尼控制系统的稳定性，并和基于电感压电分流阻尼振动控制系统进行了比较。为了提高基于负电容压电分流阻尼被动振动控制系统的稳定性，提出了一种主-被动混合控制方法，并对其进行了理论证明和实验验证。(3)推导了基于负电容压电分流阻尼振动控制系统的振动幅值和负电容电路参数的关系，为了更好地优化负电容电路参数，提出了一种主-被动混合控制方法，该方法将负电容电路参数调节问题转化到主动控制算法中，在本文中，阐述了主-被动控制方法的控制原理，并对其进行了理论证明和实验验证。(4)针对LMS算法在基于压电元件的主动振动控制中，存在收敛速度慢，甚至出现发散的问题。本文把小波分析理论和LMS算法结合起来，采用了小波变换域LMS算法对薄板进行自适应主动振动控制，并采用了MALLAT快速算法，提高了小波变换域LMS算法的实时性。最后对该方法进行了理论仿真和实验验证。(5)从实际应用角度出发，对基于负电容压电分流阻尼电路的主-被动混合振动控制进行了深入研究。结合小波变换域LMS主动控制算法，提出了一种基于负电容压电分流阻尼电路和小波变换自适应算法的主-被动混合控制新方法，这种方法能很好解决前面所提的主-被动混合控制方法中存在的主动控制器的参数需要手动调节问题。在本文中，根据哈密顿原理推导了这种主-被动混合控制的数学模型，并分析了被动控制效果和主动控制电压与负电容参数之间的关系，最后通过仿真和实验验证了所提出的主-被动混合控制方法的有效性。(6)对基于负电容压电分流阻尼电路的主-被动混合振动控制进行了更进一步深入研究。从电荷等效的角度，重新设计了负电容等效电路，该负电容等效电路是一个压控电荷源电路，其输出是电荷，用于抵消压电片上的电荷，输入是控制电压，为了能使该负电容等效电路更好的应用，结合小波变换域LMS主动控制算法，提出一种基于压控电荷源电路和小波变换自适应算法的主-被动混合控制新方法。本文首先根据压电元件等效电路、负电容电路的特点，设计了等效负电容的压控电荷源的电路，接着介绍了主-被动混合控制原理，最后基于dSPACE实时仿真系统，对四面固支的压电铝镁合金薄板结构进行了正弦信号激励下的单/多模态和白噪声信号激励下的振动控制实验研究，实验结果证明了提出的方法的可行性和优越性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
第一章绪论  18-32
  1.1 引言  18-19
  1.2 基于压电智能结构的振动控制技术  19-20
  1.3 基于压电智能结构的振动控制技术国内外研究现状  20-30
    1.3.1 压电被动控制  20-24
    1.3.2 压电主动控制  24-27
    1.3.3 主、被动一体化振动控制  27-30
      1.3.3.1 主-被动组合控制  27-28
      1.3.3.2 主-被动混合控制  28-30
  1.4 本文的主要研究内容  30-32
第二章压电材料的特性及负电容分流电路参数对系统阻尼的影响  32-42
  2.1 压电材料的特性  32-35
    2.1.1 压电效应  32-33
    2.1.2 压电材料的电学特性  33-34
    2.1.3 压电材料的力学特性  34-35
  2.2 压电材料的压电方程  35-36
  2.3 负电容分流电路参数对系统阻尼的影响  36-41
    2.3.1 压电分流阻尼模型  36-39
    2.3.2 负电容分流电路参数分析  39-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章负电容压电分流阻尼振动系统稳定性分析及提高其稳定性的主-被动混合控制方法  42-60
  3.1 引言  42
  3.2 理论建模  42-44
  3.3 负电容压电分流阻尼振动控制系统的稳定性  44-46
  3.4 电感压电分流阻尼振动控制系统的稳定性  46-47
  3.5 提高负电容压电分流阻尼振动控制系统稳定性的主-被动方法  47-51
    3.5.1 主-被动混合控制原理  47-49
    3.5.2 主-被动混合控制系统的稳定性  49-50
    3.5.3 N 对主-被动混合振动控制效果的影响  50-51
  3.6 实验验证  51-58
    3.6.1 控制系统和实验装置  51-53
    3.6.2 负电容电路  53-54
    3.6.3 压控制电压源电路  54
    3.6.4 实验结果与分析  54-58
      3.6.4.1 基于负电容压电分流阻尼振动控制系统稳定性实验  54-55
      3.6.4.2 主-被动混合振动控制实验  55-58
      3.6.4.3 主-被动混合振动控制效果与主动控制器 N 的关系  58
  3.7 本章小结  58-60
第四章主-被动混合控制方法优化负电容压电分流阻尼振动控制系统电路参数  60-73
  4.1 引言  60
  4.2 理论建模  60-62
  4.3 负电容控制器电路参数分析  62-64
  4.4 主-被动混合控制方法原理  64-66
  4.5 实验验证  66-72
    4.5.1 控制系统和实验装置  66-67
    4.5.2 差分放大器电路  67-68
    4.5.3 实验结果与分析  68-72
      4.5.3.1 被动控制的振动幅值与负电容参数 Cr 之间的关系实验  69
      4.5.3.2 被动控制的振动幅值与电阻参数 Rp 之间的关系实验  69-70
      4.5.3.3 主-被动混合控制方法实验  70-72
  4.6 本章小结  72-73
第五章基于小波变换自适应算法的主动振动控制  73-92
  5.1 引言  73
  5.2 压电主动振动控制原理  73-74
  5.3 基于 FX-LMS 算法主动振动控制原理  74-76
  5.4 LMS 算法的缺点  76
  5.5 基于离散小波变换域的 LMS 算法  76-79
    5.5.1 离散小波变换域的 LMS 算法原理  77
    5.5.2 离散小波变换域的 LMS 算法条件数 cond 的变化  77-79
  5.6 Mallat 算法  79-81
    5.6.1 Mallat 快速分解算法原理  79-80
    5.6.2 基于 db4 小波的 Mallat 快速分解算法的实现  80-81
  5.7 仿真分析  81-85
    5.7.1 仿真模型  81-83
    5.7.2 基于 db4 小波的 LMS 算法的实现  83-84
    5.7.3 仿真结果与分析  84-85
  5.8 实验验证  85-91
    5.8.1 控制系统和实验装置  85-87
    5.8.2 实验结果与分析  87-91
  5.9 本章小结  91-92
第六章基于负电容压电分流阻电路和小波变换自适应算法的主-被动混合压电振动控制  92-104
  6.1 引言  92
  6.2 主-被动混合控制原理  92-96
    6.2.1 理论建模  93-95
    6.2.2 负电容参数对主动控制电压的影响  95
    6.2.3 负电容参数对被动控制的影响  95-96
  6.3 仿真分析  96-99
  6.4 实验研究  99-103
    6.4.1 控制系统和实验装置  99-100
    6.4.2 实验结果与分析  100-103
      6.4.2.1 负电容值对主-被动混合振动控制效果的影响  101-102
      6.4.2.2 主-被动混合振动控制与单独的被动和主动振动控制方法比较  102-103
  6.5 本章小结  103-104
第七章基于压控电荷源电路和小波变换自适应算法的主-被动混合压电振动控制  104-113
  7.1 引言  104
  7.2 等效负电容的压控电荷源电路  104-105
  7.3 主-被动混合振动控制原理  105-106
  7.4 控制电压的调节  106-107
  7.5 实验研究  107-112
    7.5.1 控制系统和实验装置  107-108
    7.5.2 压控电荷源电路原理图  108-109
    7.5.3 实验结果与分析  109-112
      7.5.3.1 单模态振动控制实验  109-110
      7.5.3.2 多模态振动控制实验  110-111
      7.5.3.3 白噪声信号激励下的振动控制实验  111-112
  7.6 本章小结  112-113
第八章总结与展望  113-117
  8.1 全文总结  113-115
  8.2 研究展望  115-117
参考文献  117-126
致谢  126-127
在学期间的研究成果及发表的论文  127

基于负电容压电分流阻尼电路的主—被动混合振动控制研究

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