压电扭转驱动器及其在柔性杆扭转振动控制中的应用研究

论文摘要

针对柔性杆的扭转振动主动控制问题,结合国家自然科学基金项目的研究任务,本文对柔性杆的扭转振动主动控制技术进行了系统、深入的理论和试验研究,设计了一种基于压电材料的扭转振动驱动器,采用粒子群算法对驱动器、传感器的布局位置进行了优化配置,并组建了柔性杆系统扭转振动控制试验平台,通过理论分析、数值仿真与实验研究,获得了较好的振动抑振效果。第一章综述了扭转振动控制的研究意义与背景,阐述了扭转振动主动控制所采用的扭转传感器、扭转驱动器、振动控制中的常用控制算法以及国内外扭转振动控制的研究现状,最后论述了本论文的主要研究内容。第二章概述了压电材料的压电效应和压电方程,设计了一种基于d15压电效应的采用轴向极化方式的压电扭转驱动器,并推导了此驱动器的输出扭矩,接着阐述了此驱动器的制作加工工艺,最后论述了电阻应变传感器测量扭转振动的基本原理。第三章提出了一种由柔性杆、压电扭转驱动器和电阻应变传感器组成的柔性杆系统,针对此柔性杆系统中压电驱动器、传感器的位置优化配置问题推导了系统的动力学方程,得出了系统状态空间表达式。选取最大耗能准则为优化准则,运用粒子群算法对压电驱动器、传感器的布局位置进行了优化。第四章简述了PID控制算法在主动控制的应用,考察了扭转振动驱动器的控制效果,并对驱动器分别配置在根部、中部和末端三种状况进行了仿真分析,验证了相关位置优化理论的正确性。第五章构建了基于工业PC机为核心的柔性杆系统的振动主动控制试验系统,对试验系统的硬件、软件进行了阐述,采用PID控制进行了柔性杆系统的扭转振动主动控制试验研究。试验结果验证了相关位置优化理论的正确性。第六章对全文进行了总结,并对未来的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.2 振动主动控制技术
• 1.2.1 主动振动中的扭转传感器
• 1.2.1.1 电阻应变传感器
• 1.2.1.2 压电传感器
• 1.2.2 主动控制中的扭转驱动器
• 1.2.2.1 压电陶瓷驱动器
• 1.2.2.2 电（磁）流变液驱动器
• 1.2.2.3 形状记忆合金驱动器
• 1.2.3 主动控制中控制律的研究
• 1.3 国内外扭转振动控制研究现状
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 扭转振动主动控制的驱动器和传感器
• 2.1 压电材料的发展及其应用
• 2.2 压电效应和压电方程
• 2.3 压电扭转驱动器
• 2.3.1 扭转驱动器的设计
• 2.3.2 压电驱动器输出扭矩推导
• 2.3.3 压电驱动器的制备工艺及注意问题
• 2.4 电阻应变扭转传感器
• 第三章 柔性杆系统中驱动器,传感器的优化配置
• 3.1 引言
• 3.2 柔性杆系统建模
• 3.3 优化准则
• 3.4 柔性杆系统中驱动器/传感器的优化配置
• 3.4.1 粒子群算法简介
• 3.4.2 优化仿真研究
• 第四章 主动控制中的控制算法与仿真
• 4.1 基于PID控制算法的仿真介绍
• 4.1.1 PID控制算法简介
• 4.1.2 Matlab及Simulink软件包简介
• 4.2 PID主动控制仿真研究
• 第五章 柔性杆主动控制试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 柔性杆主动控制实验系统
• 5.2.1 试验原理
• 5.2.2 实验系统硬件组成
• 5.2.3 实验系统软件设计
• 5.2.4 试验流程
• 5.3 柔性杆系统振动主动控制试验研究
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 展望
• 试验系统附图
• 参考文献
• 攻读硕士期间已发表的论文
• 致谢