压电柔性结构的建模、参数辨识与振动主动控制

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本文以压电智能柔性结构为研究对象,对其模型的建立以及振动主动控制问题进行了全面而系统的研究;提出了对结构进行模型降阶、模态参数辨识的新方法;针对具有不确定性和几何非线性的压电智能柔性结构,建立了结构的模态状态空间表示,对结构的振动主动控制进行了研究。主要内容如下: 1.提出了模态空间范数的概念和计算方法,以压电柔性梁、板结构为对象,建立了其模态空间的传递函数与状态方程;利用模态空间范数作为各个模态对压电柔性结构动力响应贡献大小的度量,给出了一种对带有压电作动器、输出为空间分布的柔性结构进行模态挑选而获得降阶模型的方法。仿真结果表明,随着压电作动器的配置不同,结构的降阶模型中应保留的模态也应随之发生变化,利用所提出的方法获得的降阶模型保留了相对较重要的模态,它比直接模态截断方法更逼近原系统,是一种适用于结构全局振动控制的模型降阶方法;因其考虑了配置的作动器对各个模态的控制能力,将会提高压电柔性结构振动主动控制的控制效果。 2.利用小波变换所具有的特性,分析了在众多小波基函数中Morlet小波更适合对结构振动系统进行模态分析的原因,结合Morlet小波的性质和结构振动系统自由响应信号的特性,构造了一组小波族,实现了利用小波变换对多自由度系统进行模态解耦、以及对压电智能柔性结构、时变系统进行模态参数辨识。仿真结果表明,所提方法的正确性和有效性,它比直接利用Morlet小波更为直观、方便和准确;对压电柔性结构的低频密集模态频率和振型能够很好地进行辨识。 3.以不确定压电柔性结构为对象,考虑其被控模态参数的不确定性以及剔除残余模态所引起的模型误差,建立了模态空间内结构的不确定线性分式模型;根据所建立的不确定模型,设计了一个对结构进行振动控制的非同位动态输出反馈控制器,使结构的闭环系统满足多个性能要求;并利用线性矩阵不等式方法,将具有多个性能约束的振动控制问题转化为一个具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题。仿真结果表明,所建立的模态不确定模型和在此基础上采用多目标优化方法所设计的控制器是合理可行的;系统在控制结构低频模态的同时,能很好地抑制在非同位控制中因模型降阶而带来的高阶模态溢出现象。 4.在不确定性压电柔性结构的建模基础上,对基于遗传算法的混合动态输出反馈振动控制器的设计进行了研究。首先利用线性矩阵不等式得到多个无穷范数性能指标下的控制器,然后通过遗传算法对所得到的控制器进行系统2.范数性能优化,从而设计出兼顾鲁棒性和系统时域性能要求的混合动态输出反馈控制器。 5.以带压电传感器和作动器的大挠度柔性矩形板结构为对象,考虑其几何非线性,建立其非线性横向振动的近似动力学模型,进行了结构的模糊建模,并在此模型基础上,设计一个对结构进行非线性振动控制的模糊鲁棒动态输出反馈控制律。仿真结果表明,根据所设计的控制律对几何非线性板结构振动有不错的抑制作用;控制律的计算量不大,易于工程实现。 6.利用假设模态法建立了柔性连杆机械臂的逆动力学方程,提出了一种对其进行末端轨迹跟踪的并行于常规开环逆动力学控制的混合模糊控制方法;在这种混合控制中,借助于结构的逆动力学,降低了模糊控制器对知识库的需求,获得较好的控制稳态性能。针对以末端位置为输出的柔性机械臂末端跟踪控制的非最小相位特点,对以关节的转角为控制输出、利用压电作动器来抑制柔性机械臂振动的末端跟踪控制进行了研究。
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