基于迟滞特性与时滞现象的智能悬臂梁自适应振动控制研究

发布时间：2018-03-15 21:50

本文选题：智能柔性悬臂梁　切入点：迟滞特性　出处：《上海交通大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：智能结构集主结构、传感器、驱动器及控制器一体,常应用于航天航空、船舶桥梁以及机械加工生产过程中所用到的各种设备。而在智能结构中,作为驱动器的智能材料存在迟滞非线性特性,这种特性不但降低了智能结构控制系统的控制精度,而且限制了智能材料在高精度领域的应用。特别是轻质柔性空间结构,定位精度要求高,模态阻尼小,易受外界环境的影响,当受到外界激励干扰时,其自由振动将因阻尼小而衰减的比较慢。这样的空间结构长时间在不稳定、复杂多变的环境下工作,不但影响空间结构的正常工作性能而且影响其使用寿命。同时,在智能空间结构控制系统中,因传感器采集数据、滤波器滤波和控制信号计算均要花费一定时间,使控制系统中实际输入的控制信号具有一定的时滞,这种时滞由于设备长年反复工作而慢慢变大,这将会影响控制系统的控制效果,甚至影响系统的稳定性。时滞现象产生的原因是信号在传播过程需要花费一定的时间,使信号输出时在时域上滞后于输入信号,这种滞后现象与智能结构的迟滞特性表示的现象非常相似,但这是两种不同的特性,不能混为一谈,甚至在智能结构控制系统中,时滞现象与迟滞特性相互影响。因此本文通过建立动态力学模型对智能结构迟滞特性和时滞现象进行展开性的研究,分析这两种现象的相关性与不相关性以及时滞对智能结构迟滞特性的影响。在智能结构振动控制系统中,时滞现象是不可避免地存在着,但时滞现象并不一定都是不利因素。当主动控制系统的时滞量过大时,这将会降低控制系统的控制效果甚至破坏系统的稳定性,但当向控制系统引入小时滞时,有利于增强控制系统的抗振能力及提高系统的稳定性,并且该结论得到仿真与实验结果的有效验证,本论文的主要研究内容与结论如下:1、压电驱动器在施加电场后,压电电畴的极化方向重新排列,电畴畴壁相互挤压摩擦,从而有能量的损耗,使智能悬臂梁产生迟滞特性。基于压电线性本构方程及Bouc-Wen迟滞模型,描述压电驱动器外加电场与电位移之间的迟滞关系,得到压电非线性本构方程。再结合Hamilton原理以及假设模态方法,对智能悬臂梁建立动力学模型,通过仿真结果与实验数据对比表明:理论非线性动力学模型能有效地描述智能悬臂梁输入电压与输出应变之间的迟滞特性,且智能悬臂梁的迟滞特性不但受输入电压幅值的影响还受输入电压频率的影响。2、迟滞特性分为线性迟滞与非线性迟滞,时滞现象与非线性迟滞是不相关的,但与线性迟滞在远离基频时是相关的。通过分析智能悬臂梁时滞现象与迟滞特性相关性与不相关性,建立智能悬臂梁时滞特性与迟滞现象的数学模型,分析时滞对基频处迟滞特性的影响,并得出结论:时滞不但影响迟滞环面积的大小,而且还影响迟滞环的方向,并且这种影响是呈周期性变化的。经过对智能悬臂梁时滞-迟滞模型系统的稳定性进行分析发现:智能悬臂梁控制系统的稳定性受时滞大小的影响。3、在自适应控制器的设计中,采用ARMAX模型与增广递推最小二乘法对智能悬臂梁的迟滞特性与时滞现象进行在线辨识,实验结果表明:ARMAX模型能实时有效地在线辨识智能悬臂梁的迟滞特性;时滞对迟滞特性周期性的影响亦得到实验验证。基于ARMAX模型与增广递推最小二乘法的在线辨识功能,采用最小方差自校正直接调节器,对智能悬臂梁的自由振动进行控制,仿真结果表明:合理引入小时滞能增强智能悬臂梁控制系统的控制效果。4、在智能悬臂梁自由振动控制实验中,传感器采集的实验数据往往伴随高频率的测量噪声,而滤波器的设计是基于最速跟踪微分器的低通特性,实验证明:最速跟踪微分器能有效地滤除智能悬臂梁自由振动信号的高频噪声。5、最后基于智能悬臂梁自适应振动控制的仿真结果,搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明:人为合理地引入小时滞能有效地增强智能悬臂梁的振动控制效果,并且在控制过程中,控制电压与输出应变的迟滞关系受到时滞周期性的影响,这与理论研究的结论亦是一致的。因此基于智能悬臂梁自适应振动控制的理论分析,利用仿真与实验结果验证:对智能悬臂梁控制系统合理引入小时滞有利于增强控制系统的抗振性能。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB535

【参考文献】