基于IPMC致动器的悬臂梁振动主动控制研究

论文摘要

振动主动控制技术作为振动工程领域内的一项新兴技术,正日益成为解决航空航天等领域振动控制问题的有效手段。近年来,随着精密加工技术、微驱动器机械系统、医疗技术和航天航空技术的飞速发展,微纳技术应用越来越广。由于微悬臂梁结构简单,在微纳操作领域中有十分广泛的应用,其振动对微纳操作技术的应用与发展限制非常大,对于微悬臂梁的振动主动控制要求控制力非常小,而IPMC作为致动器产生的力较小,适合作为微纳操作领域振动主动控制的致动器。本文对基于IPMC致动器的铝基悬臂梁振动主动控制进行研究,主要工作与成果如下：总结了IPMC特点,从理论和试验方面对IPMC驱动数学模型进行了研究,最终辨识得到IPMC驱动数学模型具体表达式；基于伯努利—欧拉梁假设,对悬臂梁进行振动力学分析,推导了悬臂梁振动微分方程,求解了振动前四阶固有频率和主振型,通过ANSYS软件对悬臂梁振动分析数值解,验证了悬臂梁振动力学解析解的正确性,根据悬臂梁振动力学模型以及IPMC驱动数学模型推导出基于IPMC致动器的悬臂梁总体振动数学模型；讨论并确定了IPMC致动器配置的优化位置,确定了IPMC致动器的位置参数；进行了PID控制和LQR最优控制的算法设计与MATLAB/Simulink仿真,仿真结果表明控制算法控制效果明显；搭建了基于IPMC致动器的悬臂梁振动主动控制试验平台,其中包括对悬臂梁夹具设计工作,设计了基于LabVIEW的PID控制系统,通过试验证明IPMC致动器对悬臂梁振动主动控

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 振动主动控制及其发展
• 1.2.1 振动主动控制介绍
• 1.2.2 振动主动控制发展
• 1.3 IPMC研究现状
• 1.3.1 IPMC国外研究现状
• 1.3.2 IPMC国内研究现状
• 1.4 本文组织结构
• 第2章 IPMC介绍与驱动数学模型
• 2.1 IPMC简介
• 2.1.1 IPMC结构
• 2.1.2 IPMC驱动特性
• 2.2 IPMC驱动数学模型理论分析
• 2.3 IPMC驱动数学模型试验辨识
• 2.3.1 试验平台搭建
• 2.3.2 基于LabVIEW的试验系统
• 2.3.3 试验与辨识
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于IPMC致动器的悬臂梁振动分析
• 3.1 悬臂梁振动分析
• 3.1.1 悬臂梁振动力学分析
• 3.1.2 悬臂梁振动有限元分析
• 3.2 基于IPMC致动器的悬臂梁振动数学模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 振动主动控制算法设计与仿真
• 4.1 IPMC致动器位置优化设计
• 4.2 PID控制与仿真
• 4.2.1 PID控制理论
• 4.2.2 PID控制器设计与算法仿真
• 4.3 最优控制与仿真
• 4.3.1 线性二次型最优控制理论
• 4.3.2 最优控制器设计与算法仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 振动主动控制试验研究
• 5.1 试验平台搭建
• 5.2 基于LabVIEW的PID控制系统
• 5.3 试验与结果讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 附录
• 附录A 激光位移传感器标定实验数据处理程序
• 附录B 辨识试验数据处理程序
• 附录C 固有频率和主振型求解程序
• 附录D 状态空间表达式系数求解程序
• 附录E 状态空间表达式初始条件求解程序
• 附录F 悬臂梁夹具主要零件图和装配图
• 附录G 振动主动控制试验数据处理程序