压电柔性板自适应滤波振动控制研究

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在航空航天领域中,飞行器和航天器附件等外表面多采用柔性薄壁结构,以减少结构的总质量和能量损耗等。由于薄壁结构自身低刚度、低质量的特性,当航天器结构受到持续扰动激励起系统的大幅值振动时,或者空天飞行器在超音速飞行时其壁板结构在惯性力、弹性力、热载荷以及气动力的耦合作用下产生壁板颤振时,均会引起结构的疲劳与损伤破坏,因此,对结构的颤振与振动控制研究是非常有必要的。本文针对壁板结构颤振现象发生的条件,设计了一种两端固支的压电柔性板结构来模拟壁板结构,并以此为研究对象进行动力学建模仿真以及振动控制研究。系统的动力学方程是对其进行研究的理论基础。首先采用一种矩形薄板单元对两端固支的柔性板结构进行了有限元建模,为接下来的传感器/驱动器的优化布置以及控制算法的仿真提供了模型。其次,基于一种改进的H2范数的优化指标进行压电传感器/驱动器的位置优化配置,该指标不仅考虑将控制模态指标最大化,同时将残余模态指标最小化,以保证控制系统具有较好的可控性和可观性。分别采用遗传算法寻优以及枚举法的方式对比验证了传感器/驱动器的最优位置。建立了压电柔性板的动力学模型,进行了压电板的特性分析,并采用ANSYS软件进行对比分析。再次,分别采用经典PD反馈控制算法、自适应滤波-X LMS(Least Mean Square,最小均方误差)前馈控制算法以及自适应滤波-U LMS前馈控制算法,对持续激励扰动下两端固支压电板的振动控制进行仿真研究。最后,基于前述的理论研究以及仿真分析结果的基础上,搭建了两端固支压电板的振动主动控制实验平台,进行了通道模型辨识,并对相应的控制算法PD,FXLMS,FULMS进行了实验研究和对比分析。基于改进的H2范数的优化指标进行压电传感器/驱动器位置优化的可行性得到了验证。仿真和实验研究分析的结果表明,采用PD反馈控制算法以及自适应滤波前馈控制算法均能有效地抑制壁板结构在持续激励下的振动。并且,FXLMS和FULMS前馈控制算法可以把一阶模态持续激励下的振动通过较长时间的调整后,抑制到很小的幅值,相比反馈算法,这就是所研究的前馈算法的优势。
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