学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

谐振式材料疲劳试验系统振动载荷的模型预测控制技术研究

作　者: 云艳
导　师: 高红俐
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 疲劳试验高频疲劳试验机动态特性模型预测控制 MATLAB LabVIEW
分类号: TH87
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 30次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

疲劳试验即测出各种结构材料在不同的交变载荷作用下的疲劳寿命,对于结构设计和产品可靠性保证具有十分重要的意义。谐振式高频疲劳试验机是基于共振原理的用于测定金属材料疲劳特性的试验设备,因其工作频率高、能量消耗低、试验时间短等优点被广泛地应用在高等院校科研和教学及工业生产等各部门。目前,高频疲劳试验系统存在的主要问题是因试验过程中试样刚度随裂纹扩展而逐渐减小,造成系统共振频率点的改变从而影响了工作台的共振振幅,因此需要通过调节试验机的工作载荷来实现系统的恒幅控制。基于高频疲劳试验系统的时变性,论文提出了模型预测控制在高频疲劳试验机控制系统中的应用实现研究,通过对被控对象的精确建模分析了系统的动态响应特性,以此为依据对试验机的动态载荷进行了模型预测控制。主要研究工作和取得成果如下:(1)建立了被控对象的双自由度线性定常及时变两个振动系统力学模型,通过理论分析计算得出了线性定常系统固有频率和共振振幅的表达式,并分析了试样刚度对两者的影响;将裂纹扩展试验得到的裂纹与时间的关系代入试样刚度模型,根据线性时变系统模型仿真得到了系统固有频率和共振振幅随时间的变化趋势。(2)依据预测控制中的动态矩阵控制(DMC)算法建立了谐振式高频疲劳试验机载荷控制系统的预测模型,根据仿真得到的系统试验过程不同阶段的振幅阶跃响应曲线,用MATLAB7.0分阶段设计了预测控制器并总结了控制参数的选取对控制器性能的影响。(3)开发了基于LabVIEW8.5的虚拟仪器实验平台,设计了控制系统的应用软件,实现了基于动态矩阵控制算法的预测控制器的在线应用,由实验结果对控制器的性能进行了评估。论文以电磁谐振式高频疲劳试验系统的动态特性为依据设计了预测控制器,并通过仿真分析和实验验证体现了预测控制的优越性。本文的创新点为首次将模型预测控制技术运用到高频疲劳试验机载荷控制系统中,并通过MATLAB7.0和LabVIEW8.5联合编程实现了动态矩阵控制算法的实际应用,方便了对被控对象输入输出的监测控制,提高了程序的运行效率。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-22
  1.1 课题来源  10
  1.2 课题研究的背景和意义  10-12
    1.2.1 疲劳试验及材料疲劳试验机  10-11
    1.2.2 试验机的发展及目前试验技术不足  11-12
  1.3 时变系统控制技术概述  12-14
  1.4 预测控制的原理及应用  14-17
    1.4.1 模型预测控制的基本原理  14-16
    1.4.2 预测控制的应用及发展趋势  16-17
  1.5 国内外相关技术研究现状  17-19
    1.5.1 线性振动力学研究  17-18
    1.5.2 线性定常系统的载荷控制研究  18-19
    1.5.3 参数时变系统的模型预测控制研究  19
  1.6 本文主要研究内容  19-21
  1.7 本章小结  21-22
第2章谐振式材料疲劳试验系统动态特性研究  22-41
  2.1 引言  22
  2.2 谐振式高频疲劳试验系统  22-29
    2.2.1 系统总体结构及工作原理  22-24
    2.2.2 谐振式高频疲劳试验机主机结构及试验过程  24-25
    2.2.3 谐振式高频疲劳试验机控制系统  25-27
    2.2.4 谐振式高频疲劳试验机激振系统  27-29
      2.2.4.1 电磁激振器及电磁铁数学模型  27-28
      2.2.4.2 电磁激振力的计算  28-29
  2.3 谐振式高频疲劳试验机线性定常系统动态特性分析  29-35
    2.3.1 主机模型简化  29-31
    2.3.2 系统固有频率计算  31-32
    2.3.3 系统共振振幅计算  32-34
    2.3.4 试样刚度对系统固有频率和共振振幅的影响  34-35
  2.4 谐振式高频疲劳试验机线性时变系统动态特性分析  35-39
    2.4.1 试样刚度模型的建立  36-38
    2.4.2 时变系统模型的建立  38
    2.4.3 时变系统固有频率及共振振幅随时间变化的仿真分析  38-39
  2.5 本章小结  39-41
第3章谐振式材料疲劳试验系统振动载荷的模型预测控制仿真研究  41-60
  3.1 引言  41-42
  3.2 谐振式高频疲劳试验机工作载荷的模型预测控制  42-59
    3.2.1 动态矩阵控制DMC 算法的原理  42-44
    3.2.2 控制系统预测模型的建立与辨识  44-47
      3.2.2.1 系统预测模型的建立  44-45
      3.2.2.2 系统预测模型的辨识  45-47
    3.2.3 基于MATLAB 的模型处理与仿真函数  47-49
      3.2.3.1 模型处理  47-48
      3.2.3.2 DMC 方法设计和仿真函数  48-49
    3.2.4 基于DMC 的系统工作载荷预测控制器的设计  49-59
      3.2.4.1 设计方法和应用软件  49-50
      3.2.4.2 控制器主要参数选取  50-53
      3.2.4.3 基于 MATLAB 的预测控制器设计  53-56
      3.2.4.4 基于 MATLAB 和 LabVIEW 联合编程仿真平台的开发  56-59
  3.3 本章小结  59-60
第4章谐振式材料疲劳试验系统振动载荷控制实验研究  60-79
  4.1 引言  60
  4.2 实验原理及实验平台  60-64
    4.2.1 实验内容和方法实现  60-61
    4.2.2 实验平台及实验流程  61-64
  4.3 高频疲劳试验机疲劳裂纹扩展实验  64-69
    4.3.1 检测系统总体框架  64-65
    4.3.2 裂纹时变曲线检测流程  65-66
    4.3.3 裂纹长度及系统固有频率随时间变化的测定  66-69
  4.4 高频疲劳试验机振动载荷控制实验  69-78
    4.4.1 控制系统程序实现流程  69-70
    4.4.2 串口通信设计  70-74
      4.4.2.1 VISA 编程  70-71
      4.4.2.2 串口通信方法  71
      4.4.2.3 串口通信协议  71-72
      4.4.2.4 串口通信具体程序  72-74
    4.4.3 控制系统程序主界面及各模块程序设计  74-77
    4.4.4 系统运行及结果分析  77-78
  4.5 本章小结  78-79
第5章总结与展望  79-81
  5.1 总结  79
  5.2 展望  79-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
攻读学位期间参加的科研项目和成果  85

谐振式材料疲劳试验系统振动载荷的模型预测控制技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文