压电柔性梁的振动主动控制研究

论文摘要

随着航天航空技术的飞速发展,大型化、低刚度化和柔性化是各类航天结构的一个重要发展趋势,柔性构件越来越受到青睐,柔性构件的弹性变形以及它的振动问题一直是研究的重点问题。本文以柔性梁为研究对象,利用压电陶瓷的逆压电效应对柔性梁的振动主动控制进行系统的理论和实验研究。第一章,概述论文研究背景与意义,从柔性构件的理论建模、振动控制分类、振动主动控制规律、智能材料及智能材料在致动器和传感器中的应用等方面对柔性构件振动主动控制的研究现状进行综述。最后阐述本文主要研究内容。第二章,对柔性梁的振动进行动力学分析,建立了柔性梁弯曲振动的动力学微分方程。对压电材料的压电方程及压电应用进行阐述,利用压电方程推导出压电致动器的弯矩方程。结合电阻应变传感器原理及材料力学,推导出电阻应变传感器输出方程。最后,综合压电致动器弯矩方程、传感器输出方程以及柔性梁动力学微分方程,得到了压电柔性梁的状态空间表达式。第三章,对压电柔性梁振动控制中的重要问题——致动器/传感器的优化配置进行了研究。结合第二章所得到的压电柔性梁的状态空间表达式,对致动器和传感器分别选用最小能量输入及最大传感器信号能量作为它们各自的配置优化准则,引入遗传算法作为优化计算方法,运用遗传算法对致动器/传感器的位置进行了优化配置。最后,进行数值优化仿真,确定了致动器/传感器的最优配置,将致动器/,传感器配置于其他位置进行数值仿真,并对仿真结果进行比较研究。第四章,对压电柔性梁振动主动控制的控制规律进行研究。阐述线性二次型最优控制理论原理,并将其运用于压电柔性梁,运用MATLAB在仿真环境下对振动控制进行仿真,仿真结果证明了线性二次型最优控制对于系统的有效性,同时仿真结果还验证了第三章关于致动器/传感器位置优化配置的正确性。第五章,组建压电柔性梁振动主动控制实验平台,对实验系统的硬件、软件分别阐述,对第四章所设计的控制规律进行实验研究,通过实验结果进一步验证了致动器/传感器位置优化配置及线性二次型最优控制理论应用的正确性。第六章,对全文进行总结,并对未来工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 柔性构件系统建模概述
• 1.2.1 柔性构件变形的描述方法
• 1.2.2 柔性构件动力学方程的建立
• 1.3 柔性构件振动控制及智能材料的应用
• 1.3.1 振动控制分类
• 1.3.2 柔性构件振动主动控制规律研究
• 1.3.3 智能材料及其应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 压电柔性梁的数学模型
• 2.1 柔性梁振动的动力学方程
• 2.2 压电致动器输出弯矩分析
• 2.2.1 压电材料
• 2.2.2 压电方程及应用
• 2.2.3 致动器输出弯矩
• 2.3 传感器输出方程
• 2.4 压电柔性梁的状态空间方程
• 2.5 本章小结
• 第三章 压电柔性梁致动器/传感器优化配置
• 3.1 致动器/传感器配置优化准则分析
• 3.1.1 常用优化准则
• 3.1.2 致动器/传感器优化准则
• 3.2 致动器/传感器配置优化算法
• 3.2.1 常用优化算法
• 3.2.2 遗传算法
• 3.2.3 遗传算法优化致动器/传感器位置
• 3.3 优化仿真研究
• 3.3.1 数值算例
• 3.3.2 优化结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 压电柔性梁振动主动控制最优控制规律研究及仿真
• 4.1 仿真语言MATLAB
• 4.2 控制算法
• 4.2.1 LQ最优控制
• 4.2.2 压电柔性梁的LQ最优控制
• 4.2.3 加权矩阵的选择
• 4.3 数值仿真研究
• 4.3.1 柔性梁的模态函数
• 4.3.2 控制仿真
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 压电柔性梁振动主动控制实验研究
• 5.1 压电柔性梁振动主动控制实验系统
• 5.1.1 实验系统概述
• 5.1.2 系统硬件介绍
• 5.1.3 系统软件设计
• 5.2 压电柔性梁振动主动控制实验研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间论文及科研情况
• 致谢