压电智能结构振动主动控制及优化配置研究

论文摘要

舰船主要受到螺旋桨、主机、波浪和风等激励源的作用,在这些激励的作用下,极易使舰船产生有害振动。有害振动影响舰船隐身性、安全性和舒适性。因此,对舰船结构振动主动控制的研究是十分有意义的。本文就是研究舰船最基本结构--梁或板的振动主动控制问题。本文以Mindlin板弯曲理论和Hamilton原理为基础,考虑机电耦合特性,建立了四节点四边形压电层合单元有限元模型。采用线性二次型独立模态空间控制方法对压电智能结构振动进行主动控制,推导了状态空间控制方程,并基于精细积分法求解结构受控模态控制前后的响应。采用FORTRAN语言编写了建模及控制过程的程序。分别在简谐激励和舰船振动信号激励作用下,对非连续分布式压电悬臂梁进行了振动主动控制,从仿真结果可以看出,梁结构的振动被有效的抑制,验证了本文方法的有效性。对于压电片离散铺设的情况,联系本文控制方法,以线性二次型性能指标最小为优化准则,使用自适应进化策略优化算法对压电传感器／作动器的位置进行优化,将优化理论与有限元理论结合,编制相应的程序。优化仿真结果验证,优化所得压电片最优布置时的控制效果比非连续分布式铺设时的效果好。本文的研究为进行舰船结构振动主动控制提供理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 结构振动主动控制研究进展
• 1.2.1 振动主动控制系统组成
• 1.2.2 压电材料在振动主动控制系统中的应用
• 1.2.3 控制理论及控制方法的发展
• 1.2.4 传感器/作动器优化配置研究进展
• 1.3 本文主要内容
• 2 压电层合结构有限元模型
• 2.1 压电材料及其性能
• 2.2 压电层合结构有限元模型
• 2.3 基于压电元件的振动主动控制系统
• 2.4 小结
• 3 线性二次型独立模态空间控制
• 3.1 对控制系统基本要求
• 3.2 状态空间方法
• 3.3 线性系统可控性及可观性
• 3.4 线性二次型独立模态空间控制方法
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 压电层合结构运动方程模态空间描述
• 3.4.3 压电层合结构状态空间方程
• 3.4.4 压电层合结构线性二次型独立模态空间控制方程推导
• 3.5 控制方程的求解
• 3.6 压电悬臂梁线性二次型独立模态空间控制仿真
• 3.6.1 压电悬臂梁简谐激励下线性二次型独立模态空间控制
• 3.6.2 压电悬臂梁基于舰船振动信号激励下线性二次型独立模态控制
• 3.7 小结
• 4 压电传感器/作动器优化配置
• 4.1 优化配置准则
• 4.2 优化算法
• 4.2.1 自适应进化策略简介
• 4.2.2 自适应进化策略在优化配置中的应用
• 4.3 优化配置数值仿真
• 4.3.1 优化数学模型
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 结构振动主动控制程序框图
• 附录B 压电传感器/作动器优化配置程序框图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢