壓電柔性結(jié)構(gòu)的建模、參數(shù)辨識(shí)與振動(dòng)主動(dòng)控制.pdf

1、本文以壓電智能柔性結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其模型的建立以及振動(dòng)主動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的研究；提出了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型降階、模態(tài)參數(shù)辨識(shí)的新方法；針對(duì)具有不確定性和幾何非線性的壓電智能柔性結(jié)構(gòu)，建立了結(jié)構(gòu)的模態(tài)狀態(tài)空間表示，對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下： 1．提出了模態(tài)空間范數(shù)的概念和計(jì)算方法，以壓電柔性梁、板結(jié)構(gòu)為對(duì)象，建立了其模態(tài)空間的傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程；利用模態(tài)空間范數(shù)作為各個(gè)模態(tài)對(duì)壓電柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)大小的

2、度量，給出了一種對(duì)帶有壓電作動(dòng)器、輸出為空間分布的柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)挑選而獲得降階模型的方法。仿真結(jié)果表明，隨著壓電作動(dòng)器的配置不同，結(jié)構(gòu)的降階模型中應(yīng)保留的模態(tài)也應(yīng)隨之發(fā)生變化，利用所提出的方法獲得的降階模型保留了相對(duì)較重要的模態(tài)，它比直接模態(tài)截?cái)喾椒ǜ平到y(tǒng)，是一種適用于結(jié)構(gòu)全局振動(dòng)控制的模型降階方法；因其考慮了配置的作動(dòng)器對(duì)各個(gè)模態(tài)的控制能力，將會(huì)提高壓電柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的控制效果。 2．利用小波變換所具有的特性，分

3、析了在眾多小波基函數(shù)中Morlet小波更適合對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析的原因，結(jié)合Morlet小波的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)自由響應(yīng)信號(hào)的特性，構(gòu)造了一組小波族，實(shí)現(xiàn)了利用小波變換對(duì)多自由度系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)解耦、以及對(duì)壓電智能柔性結(jié)構(gòu)、時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí)。仿真結(jié)果表明，所提方法的正確性和有效性，它比直接利用Morlet小波更為直觀、方便和準(zhǔn)確；對(duì)壓電柔性結(jié)構(gòu)的低頻密集模態(tài)頻率和振型能夠很好地進(jìn)行辨識(shí)。 3．以不確定壓電柔性結(jié)構(gòu)為對(duì)象

4、，考慮其被控模態(tài)參數(shù)的不確定性以及剔除殘余模態(tài)所引起的模型誤差，建立了模態(tài)空間內(nèi)結(jié)構(gòu)的不確定線性分式模型；根據(jù)所建立的不確定模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制的非同位動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器，使結(jié)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng)滿(mǎn)足多個(gè)性能要求；并利用線性矩陣不等式方法，將具有多個(gè)性能約束的振動(dòng)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)具有線性矩陣不等式約束和線性目標(biāo)函數(shù)的凸優(yōu)化問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，所建立的模態(tài)不確定模型和在此基礎(chǔ)上采用多目標(biāo)優(yōu)化方法所設(shè)計(jì)的控制器是合理可行的；系統(tǒng)在控

5、制結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的同時(shí)，能很好地抑制在非同位控制中因模型降階而帶來(lái)的高階模態(tài)溢出現(xiàn)象。 4．在不確定性壓電柔性結(jié)構(gòu)的建?；A(chǔ)上，對(duì)基于遺傳算法的混合動(dòng)態(tài)輸出反饋振動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先利用線性矩陣不等式得到多個(gè)無(wú)窮范數(shù)性能指標(biāo)下的控制器，然后通過(guò)遺傳算法對(duì)所得到的控制器進(jìn)行系統(tǒng)2．范數(shù)性能優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)出兼顧魯棒性和系統(tǒng)時(shí)域性能要求的混合動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器。 5．以帶壓電傳感器和作動(dòng)器的大撓度柔性矩形板結(jié)構(gòu)為對(duì)象，

6、考慮其幾何非線性，建立其非線性橫向振動(dòng)的近似動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的模糊建模，并在此模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性振動(dòng)控制的模糊魯棒動(dòng)態(tài)輸出反饋控制律。仿真結(jié)果表明，根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制律對(duì)幾何非線性板結(jié)構(gòu)振動(dòng)有不錯(cuò)的抑制作用；控制律的計(jì)算量不大，易于工程實(shí)現(xiàn)。 6．利用假設(shè)模態(tài)法建立了柔性連桿機(jī)械臂的逆動(dòng)力學(xué)方程，提出了一種對(duì)其進(jìn)行末端軌跡跟蹤的并行于常規(guī)開(kāi)環(huán)逆動(dòng)力學(xué)控制的混合模糊控制方法；在這種混合控制中，借助于結(jié)構(gòu)的逆動(dòng)