论文题目: 基于多级磁流变阻尼器的颤振半主动抑制
论文类型: 博士论文
论文专业: 一般力学与力学基础
作者: 孙伟
导师: 胡海岩
关键词: 气动弹性系统,磁流变阻尼器,半主动控制,输出反馈次最优,大展弦比机翼,风洞实验
文献来源: 南京航空航天大学
发表年度: 2005
论文摘要: 近年来,基于磁流变阻尼器的振动半主动控制技术取得重要进展,并被应用于土木结构、车辆悬架的振动控制。由于该技术稳定性好、成本低、重量轻、能耗小,从而引起了航空科技界的关注。本学位论文尝试通过磁流变阻尼器来实时调节机翼与操纵面之间的扭转刚度和阻尼,进而改善整个机翼系统的颤振特性。本文的主要学术贡献如下: (1) 提出了多级磁流变阻尼器的概念,其特点是通过改变磁场作用面积来改变阻尼力矩的大小,从而实现了阻尼力矩的分级调节。设计了适用于机翼操纵面结构的多级磁流变阻尼器。基于流变力学建立了多级磁流变阻尼器的输出力矩理论模型,推导了磁场作用面积和输出力矩的函数关系。针对不同激励频率、激励位移和磁场作用面积,通过试验获得了该阻尼器的特性,基于实验数据建立了描述阻尼器动态特性的 BP 神经网络模型。 (2) 针对带有操纵面的三自由度翼段,基于 Theodorsen 非定常气动力模型建立了其气动弹性方程,研究了气动弹性系统的颤振机理。分析了机翼结构的频率比,阻尼比等参数与颤振临界速度和颤振频率之间的关系;探讨了结构参数对颤振形态的影响,从理论上证明通过提高操纵面的转动阻尼比可提高气动弹性系统的颤振临界速度。 (3) 针对上述三自由度翼段设计了抑制操纵面颤振的半主动控制算法。包括常阻尼控制、开关控制、输出反馈次最优控制以及输出反馈次最优关控制。根据机翼模型、非定常气动力模型和磁流变阻尼器建立了气动弹性系统仿真模型,并结合半主动控制算法进行了不同空气速度下的数值仿真分析。仿真结果表明,气动弹性系统模型的颤振临界速度可提高 53.85%。 (4) 基于结构力学、Theodorsen 非定常气动力模型和片条理论建立了大展弦比平直机翼的气动弹性方程。研究了大展弦比平直机翼的颤振机理,分析了大展弦比平直机翼的结构参数对颤振临界速度和颤振形态的影响。从理论上阐述了使用磁流变阻尼器来提高颤振临界速度的可行性。研究了带有多个磁流变阻尼器的大展弦比平直机翼的半主动控制算法,并进行了数值仿真分析。结果表明,半主动控制可以将大展弦比平直机翼的颤振临界速度提高 17.24%。 (5) 设计并实现了带有多级磁流变阻尼器的三自由度翼段模型实验系统,构建了数据采集处理系统、计算机控制系统和阻尼器伺服电源系统,开发了计算机半主动控制软件,并在风洞中进行了三自由度机翼气动弹性系统的半主动控制实验。在不同风速条件下,对颤振半主动控制算法进行了验证,并比较了不同半主动控制算法的控制效果。实验结果表明,半主动控制可以有效地提高气动弹性系统的颤振临界速度,最多可达到 26%。风洞实验与理论分析、数值仿
论文目录:
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 磁流变阻尼器的发展与现状
1.2.1 磁流变液
1.2.2 磁流变器件
1.2.3 磁流变技术在建筑上的应用
1.2.4 磁流变技术在车辆悬架上和其他方面的应用
1.3 半主动控制技术研究综述
1.3.1 基于李雅普诺夫稳定性理论的控制方法
1.3.2 开关控制
1.3.3 Clipped-Optimal 控制
1.3.4 滑模控制
1.3.5 最优控制
1.4 电、磁流变技术在飞行器上的应用
1.4.1 飞行器的颤振
1.4.2 飞行器的颤振主动控制技术
1.4.3 半主动控制技术应用于颤振抑制
1.5 本文关注的问题及结构安排
第2章 多级磁流变阻尼器的设计
2.1 引言
2.2 概念设计
2.3 结构设计
2.3.1 轴的设计
2.3.2 外壳设计
2.4 磁路设计
2.4.1 励磁部件的材料
2.4.2 励磁部件的形式
2.5 电路设计
2.5.1 线圈结构
2.5.2 电路参数
2.6 磁路分析
2.6.1 ANSYS 软件简介
2.6.2 ANSYS 建模
2.6.3 ANSYS 单元
2.6.4 ANSYS 磁场分析结果
2.7 理论模型
2.7.1 磁流变液模型
2.7.2 纯剪切流变学模型
2.7.3 摩擦盘受力
2.7.4 多级磁流变阻尼器力矩
2.8 多级磁流变阻尼器结构图
2.9 小结
第3章 多级磁流变阻尼器的实验建模
3.1 引言
3.2 实验系统组成
3.2.1 实验装置概述
3.2.2 磁流变阻尼器
3.2.3 传动机构
3.2.4 激励和测试系统
3.3 实验过程
3.4 实验结果
3.4.1 不同激励频率下的实验
3.4.2 不同激励振幅下的实验
3.4.3 不同磁场面积下的实验
3.5 3Hz 激励下的阻尼器简化模型
3.6 多级磁流变阻尼器的神经网络建模
3.6.1 BP 神经网络概述
3.6.2 神经网络的结构
3.6.3 神经网络训练模型
3.7 小结
第4章 典型三自由度翼段的颤振半主动抑制
4.1 引言
4.2 三自由度翼段的气动弹性方程
4.2.1 三自由度翼段的运动微分方程
4.2.2 非定常气动力
4.2.3 气动弹性方程
4.2.4 气动弹性方程的无量纲化
4.3 气动弹性系统的颤振
4.3.1 线性系统的特征值
4.3.2 颤振临界速度与操纵面频率的关系
4.3.3 颤振临界速度与沉浮频率的关系
4.3.4 颤振临界速度与操纵面阻尼的关系
4.4 颤振抑制
4.4.1 带有多级磁流变阻尼器的颤振控制系统
4.4.2 仿真参数与模型
4.4.3 常值阻尼控制
4.4.4 On-Off 控制
4.4.5 输出反馈次最优+On-Off 控制
4.4.6 输出反馈次最优控制
4.5 小结
第5章 大展弦比机翼的颤振半主动抑制
5.1 引言
5.2 大展弦比机翼的气动弹性方程
5.2.1 大展弦比机翼的运动微分方程
5.2.2 片条理论与气动力
5.2.3 大展弦比机翼气动弹性方程
5.3 大展弦比机翼的颤振
5.3.1 气动弹性方程的无量纲化
5.3.2 大展弦比机翼的颤振临界速度
5.4 大展弦比机翼的颤振抑制
5.4.1 带有多级磁流变阻尼器的颤振控制系统
5.4.2 常值阻尼控制
5.4.3 On-Off 控制
5.4.4 输出反馈次最优+OnOff 控制
5.4.5 输出反馈次最优控制
5.5 小结
第6章 颤振半主动抑制实验研究
6.1 引言
6.2 实验系统的构成
6.3 翼段模型
6.3.1 翼段模型设计概念
6.3.2 扭转弹簧的等效
6.3.3 翼段模型的参数
6.4 采样系统
6.4.1 传感器
6.4.2 传感器前置放大电路
6.4.3 采样板基本特性
6.5 指令系统
6.5.1 固态继电器
6.5.2 计算机并口
6.5.3 级选电路
6.6 控制系统软件
6.7 风洞
6.7.1 风洞数据
6.7.2 风洞控制终端
6.8 风洞试验
6.8.1 实验组成
6.8.2 实验任务与过程
6.9 实验结果
6.9.1 模型实际颤振速度
6.9.2 常阻尼控制
6.9.3 On-Off 控制
6.9.4 位移反馈次最优控制
6.9.5 位移反馈次最优+On-Off 控制
6.10 小结
第7章 总结
7.1 本文的主要工作与贡献
7.2 未来工作的展望
参考文献
攻读博士学位期间的研究成果
致谢
发布时间: 2005-07-08
参考文献
- [1].直升机“地面共振”半主动自适应控制[D]. 王唯.南京航空航天大学2007
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