压电智能悬臂梁传感器、作动器位置与数目优化设计

论文摘要

目前,振动主动控制是大型柔性结构振动控制的一个主要研究方向,其中一个重要问题就是确定传感器与作动器的数目与位置,以最少的数目、最佳的位置实现控制目的。虽然数字的传感器与作动器可以测得更全面的信息,较容易达到控制目的,但是过多的传感器与作动器会使控制系统硬件成本和系统重量增加,在处理传感器测量信号、控制律设计及控制信号处理等方面花费计算机更多的时间,还可能带来整体控制能量增加、传感器和作动器故障机会增多、系统可靠性下降等后果。本文以压电智能悬臂梁振动系统为研究对象,利用压电材料的正、逆压电效应,分析了压电片和悬臂梁之间的相互耦合关系,建立了压电悬臂梁的机电耦合动力学模型和基于闭环控制系统的状态方程。在此基础上以系统最小能量为优化目标函数,提出了一种利用拓扑优化原理和遗传算法对梁上压电片的位置与数目进行优化设计的方法,为压电智能悬臂梁的振动控制系统的设计提供了依据。最后,通过一个实际算例的计算及仿真,对该方法进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 智能结构综述
• 1.2.1 智能结构的定义
• 1.2.2 智能结构的组成
• 1.2.3 压电智能结构
• 1.3 压电主动控制技术现状及发展
• 1.3.1 压电振动控制方法
• 1.3.2 压电振动主动控制的发展及应用
• 1.4 传感器、作动器优化配置的研究进展
• 1.4.1 振动控制中作动器、传感器优化配置准则
• 1.4.2 传感器、作动器优化配置计算方法
• 1.4.3 现有方法中的不足
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 压电材料及其特性
• 2.1 压电材料简介
• 2.2 压电材料的性质
• 2.2.1 与材料性质有关的物理量和常数
• 2.2.2 压电材料的基本性质
• 2.2.3 压电陶瓷的压电效应
• 2.2.4 压电方程
• 2.3 本章小结
• 第三章 压电智能悬臂梁的振动主动控制
• 3.1 压电智能悬臂梁结构的耦合分析
• 3.1.1 梁振动的动力学分析
• 3.1.2 压电智能悬臂梁的传感与作动方程
• 3.1.3 压电智能悬臂梁的状态方程
• 3.2 压电智能悬臂梁振动控制器的设计
• 3.3 压电片布置对控制性能的影响
• 3.3.1 计算、仿真数据
• 3.3.2 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 压电片位置与数目优化设计
• 4.1 本文使用方法简介
• 4.2 多压电片悬臂梁结构的耦合分析
• 4.2.1 多压电片悬臂梁的传感与作动方程
• 4.2.2 多压电片悬臂梁的状态方程
• 4.2.3 多压电片悬臂梁振动控制器的设计
• 4.3 优化设计准则与数学优化模型
• 4.3.1 优化设计准则
• 4.3.2 遗传算法简介
• 4.3.3 拓扑优化简介
• 4.3.4 本文方法详细介绍
• 4.4 本章小结
• 第五章 压电片优化设计实例与仿真
• 5.1 具体算例
• 5.2 SIMULINK仿真
• 5.2.1 Simulink简介
• 5.2.2 本算例仿真
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 今后研究方向和研究内容展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果