压电主动半主动混合振动控制研究

论文摘要

目前采用压电元件进行振动控制的方法主要有被动控制、主动控制和半主动控制。被动控制,不需要从外部输入能量,可是却缺少控制上的灵活性。主动振动,适合于低频振动控制,需要消耗过多的能源,在使用上会受到很大的环境限制。半主动控制对外部环境变化具有良好的适应性,而且不需要外部高电压能源,具有独特的优势;但是其控制效果不是很明显。本文提出了一种新型的主动半主动混合阻尼控制方法,该方法扬长避短,同时克服了主动控制和半主动控制的缺点,具有很好的实用性。本文主要从理论建模、仿真、实验等方面对主动半主动混合阻尼控制方法进行研究,为工程结构中柔性部件的振动控制提供技术手段。以主动半主动混合控制压电悬臂梁结构为例,采用R-L型分支电路,建立了主动半主动混合控制压电可控悬臂梁的连续偏微分方程,进一步离散成有限元模型,采用精细时程积分法对有限元模型求解。仿真结果证明主动半主动混合阻尼控制对稳态正弦激励和瞬时外部激励都具有较好的控制效果;同时,证明分支电路参数R和L都具有一个最优值。本文不仅进行了主动半主动混合阻尼控制的仿真研究,同时也针对悬臂梁系统进行了实物实验。实物实验主要完成了以下工作:1、使用新型的压电陶瓷驱动元件PA78,解决了压电陶瓷片高压驱动难题;2、使用模拟电感代替实际电感,解决了高电感的难题;3、使用数字电位器代替机械式电位器,为电感和电阻的实时控制奠定了基础;4、构建了基于LabVIEW虚拟仪器和ARM开发板的实验平台,实现了振动系统的实时控制。实验结果证明了主动半主动混合控制比单独的主动或半主动控制方法都具有优越性。本论文的研究得到福建省自然科学基金（项目编号:E0510020）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外关于分支电路的研究
• 1.2.2 控制规律的设计
• 1.2.3 作动/传感器的优化配置
• 1.3 本文的研究的主要内容
• 第二章 主动半主动混合控制压电悬臂梁结构的数学模型
• 2.1 控制系统介绍
• 2.2 模型假设
• 2.3 主动半主动混合控制压电悬臂梁结构的连续模型
• 2.3.1 主动半主动混合控制压电悬臂梁结构的变分原理
• 2.3.2 压电效应和压电方程
• 2.3.3 变形协调方程、边界条件和初始条件
• 2.3.4 分支电路的基本方程
• 2.3.5 连续模型的推导
• 2.4 主动半主动混合控制压电悬臂梁结构的有限元模型
• 2.4.1 主动半主动混合控制压电悬臂梁单元运动方程
• 2.4.2 单元集成
• 2.5 压电传感层简化模型
• 本章小结
• 第三章 控制率设计与MATLAB 数值仿真研究
• 3.1 主动半主动减振之间的相互影响分析
• 3.1.1 控制系统电学模型
• 3.1.2 主动控制分量对压电陶瓷片的影响
• 3.2 速度负反馈控制
• 3.2.1 直接速度负反馈控制
• 3.2.2 相位偏移问题的解决
• 3.2.3 压电元件的选择
• 3.2.4 评价减振效果的性能指标
• 3.3 边界条件处理和方程组求解方法
• 3.4 悬臂梁开路固有频率
• 3.5 直接速度负反馈稳态正弦激励仿真结果及分析
• 3.5.1 单纯的主动控制仿真结果
• 3.5.2 单纯的半主动振动控制仿真结果
• 3.5.3 主动半主动混合控制仿真结果
• 3.6 直接速度负反馈瞬时激励仿真结果及分析
• 3.7 分支电路参数对控制效果的影响
• 3.7.1 分支电路中电感对主动半主动混合控制效果的影响
• 3.7.2 分支电路中电阻对主动半主动混合控制效果的影响
• 本章小结
• 第四章 主动半主动混合控制悬臂梁振动实验研究
• 4.1 实验系统的组成
• 4.1.1 模拟电感技术
• 4.1.2 可调电阻
• 4.1.3 高压高速放大器
• 4.2 基于LabVIEW 的虚拟振动测控技术
• 4.2.1 虚拟仪器介绍
• 4.2.2 虚拟振动测控平台
• 4.2.3 数据采集卡驱动程序设计
• 4.2.4 软件设计与实现
• 4.2.5 主动半主动混合压电可控阻尼减振技术的控制策略
• 4.3 实验研究
• 4.3.1 实验系统的参数
• 4.3.2 实验方案
• 4.4 实验结果与结果分析
• 4.4.1 实验测得梁开路固有频率
• 4.4.2 实验测得的梁在不同控制条件下的位移响应曲线图
• 4.5 实验中所用到的仪器仪表
• 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本论文的主要结论
• 5.2 对未来的展望
• 5.2.1 多频率减振控制方案
• 5.2.2 不同控制方法和控制率的研究分析
• 5.2.3 针对各种分支电路的研究分析
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢