基于镜像电路的压电自感知振动抑制研究
发布时间：2021-11-29 02:35
不必要的结构振动会加速其疲劳损坏,缩减其使用寿命,影响结构的正常工作,严重时还会导致事故发生。有效解决结构体中出现的因振动问题带来的危害变得越来越重要,因此,振动抑制一直是科研工作者们关注的热点与亟待解决的难题。本文以压电悬臂梁为研究对象,提出一种镜像电路对自感知压电结构进行信号解耦,并结合经典PID控制算法作为控制策略,从理论推导和实验验证两个方面对压电悬臂梁复合结构的自感知振动抑制进行研究,主要工作如下:首先,简要概述了自感知智能材料压电陶瓷的正-逆压电效应的理论基础,理清压电方程推导过程和压电材料的边界条件,为压电自感知执行器控制理论分析奠定基础。以悬臂梁为研究对象,对悬臂梁进行建模与力学分析,基于其主振型函数和固有频率的理论公式,分析了悬臂梁静态和动态特性,并在此基础上采用COMSOL仿真软件对悬臂梁建立模型,进行仿真分析,验证了理论分析结果的正确性。然后,基于压电方程,从理论上分析了压电陶瓷既作为传感器又作为执行器的可行性。在调研国内外关于压电自感知执行器解耦方法研究的基础上,设计了一种基于压电电荷驱动器的镜像电路作为解耦电路,采用PID算法的闭环控制策略,对提取的结构体振动...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
主动控制系统框图
安徽大学硕士学位论文71.3.2自感知执行器研究现状Dosh（1992年）[36]在纽约州立大学实验室，第一次提出通过电桥电路实现耦合信号解耦，实现了压电自感知执行器技术。单片压电陶瓷作为执行器和传感器，并通过将压电陶瓷粘贴在悬臂梁表面，对该结构进行振动速率反馈控制和正位置反馈控制，从理论分析与实验说明桥式电路对耦合信号解耦有效，标志着自感知执行器研究的开始。图1.5为实验装置示意图，由等效电容、电阻和压电陶瓷组成电桥电路。通过电桥电路实现自感知执行器技术，原理简明，电路设计简便，但实验过程中需要反复调节桥式电路平衡，其优缺点都很明显。图1.5Dosh桥式电阻自感知实验装置Cole[37]和Vipperman[38]提出了一种自适应滤波算法，对自感知电路中的参数变化进行数字补偿。Tzu[39]通过研究自感知正交模态执行器的使用，实现了对结构振动的有效控制。Dong[40]设计了一种简单的控制器，该控制器由比例控制和相位滞后补偿组成，实现振动控制。Garnett[41]通过分析和实验量化了PZT电容在振动测试和控制中对不平衡电桥电路性能影响的变化。在2001年，大连理工大学研究者董维杰[42]以悬臂梁为研究对象，选择桥式电路为解耦电路，实现悬臂梁主动控制。实验中，通过P-51型压电陶瓷既作为自感知执行器，进行梁的振动抑制研究，其控制原理图如图1.6所示。当结构体被外界环境扰动时，振动控制过程如图1.7所示：在压电陶瓷为传感器条件下，电桥电路的输出电压正比于梁振动的速度，该信号经过运算放大器放大，并通过低通滤波器后输入到控制器中，最后反馈到压电陶瓷电极上；作为致动器，该压电片同时受到反馈电压驱动，产生作用力，
第一章绪论8抑制梁扰动形变。大连理工大学贾艳丽利用时分复用思想，通过高速开关电路分离传感信号和执行信号，并以悬臂梁为实验对象，实现压电自感知振动抑制[43,44]。图1.6悬臂梁振动控制实验示意图大连理工大学董维杰[45,46]等人在对压电方程和迟滞模型理论分析后，自行设计一种复合驱动电路，研究观测器自感知控制系统，这种观测器可同时观测应力和应变，集电压驱动和电流积分的驱动电路，极大丰富了观测器压电自感知执行器研究。2010年，河北工程大学何丽丽[47]等人以压电悬臂梁复合结构为实验对象，以线性二次型高斯最优控制（LQG）方法和鲁棒H∞方法为控制策略核心，进行主动控制实验研究，实验结果表明，两种方法在振动控制方面表现良好，特别是H∞控制技术。2014年刘永斌[48]等人，在研究新型的压电自感知电荷驱动方法的基础上，提出新的解耦方式，实验控制电路简单，振动抑制效果好。南京航空航天大学的裘进浩、程军[49]等人针对桥式电路难以有效实现自感知耦合信号分分离的缺点，采用神经网络分离混合在执行信号中的传感信号，并采用基于Filter-XLMS算法的自适应滤波控制器，通过仿真手段，说明神经网络在振动控制的有效性。分析国内外自感知振动抑制研究现状，可知目前研究仍存在一些问题：1)自感知振动抑制中传感与致动信号的耦合机制不够清晰，许多理论并没有解释清楚分离耦合信号的原理；2)不能准确提取混合在耦合信号中的传感信号，导致振动抑制算法和控制过程相对复杂，并且没有给出有效的解决方式；3)大部分的自感知振动抑制研究主要以理论分析和仿真实验为主，没有进行实验验证，尤其是基于深度学习算法的智能控制方法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于神经网络的压电自感知主动控制仿真试验[J]. 程军,季宏丽,裘进浩. 振动.测试与诊断. 2011(03)
[2]配置压电传感器/驱动器的柔性结构振动主动控制研究[J]. 何丽丽,张京军,王二成,高瑞贞. 机械强度. 2010(05)
[3]基于分时复用压电自感知执行器的悬臂梁振动主动控制研究[J]. 董维杰,贾艳丽,杨明刚. 振动与冲击. 2009(10)
[4]考虑粘贴效应和测量噪声的压电作动器/传感器优化配置[J]. 詹训慧,王永. 振动与冲击. 2008(02)
[5]基于状态观测器的压电自感知执行器研究[J]. 董维杰,孙宝元,崔玉国,杨志欣. 机械工程学报. 2002(07)
[6]智能材料结构[J]. 袁慎芳. 海陆空天惯性世界. 2000(03)
[7]振动主动控制技术现状及发展[J]. 李海斌,毕世华,方远,袁曾凤. 振动与冲击. 1998(03)
[8]航天柔性结构振动控制的若干新进展[J]. 黄文虎,王心清,张景绘,郑钢铁. 力学进展. 1997(01)
[9]欧拉-伯努利梁的静态响应分析[J]. 鲁有守. 力学与实践. 1987(02)
博士论文
[1]压电自感知执行器理论与应用研究[D]. 董维杰.大连理工大学 2003
硕士论文
[1]结构振动控制中超磁致伸缩执行器的设计及其自感知研究[D]. 王卓.哈尔滨工业大学 2010
[2]压电智能结构的减振技术研究[D]. 程军.南京航空航天大学 2010
[3]基于压电SSA的悬臂梁振动主动控制技术研究[D]. 王静.吉林大学 2009
[4]压电自感知执行器时分复用解耦法研究[D]. 贾艳丽.大连理工大学 2007
[5]智能结构的自感知主动振动控制以及半主动振动控制的研究[D]. 季宏丽.南京航空航天大学 2007
[6]超精密微位移系统研究[D]. 陶惠峰.浙江大学 2003
本文编号：3525665
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
主动控制系统框图
安徽大学硕士学位论文71.3.2自感知执行器研究现状Dosh（1992年）[36]在纽约州立大学实验室，第一次提出通过电桥电路实现耦合信号解耦，实现了压电自感知执行器技术。单片压电陶瓷作为执行器和传感器，并通过将压电陶瓷粘贴在悬臂梁表面，对该结构进行振动速率反馈控制和正位置反馈控制，从理论分析与实验说明桥式电路对耦合信号解耦有效，标志着自感知执行器研究的开始。图1.5为实验装置示意图，由等效电容、电阻和压电陶瓷组成电桥电路。通过电桥电路实现自感知执行器技术，原理简明，电路设计简便，但实验过程中需要反复调节桥式电路平衡，其优缺点都很明显。图1.5Dosh桥式电阻自感知实验装置Cole[37]和Vipperman[38]提出了一种自适应滤波算法，对自感知电路中的参数变化进行数字补偿。Tzu[39]通过研究自感知正交模态执行器的使用，实现了对结构振动的有效控制。Dong[40]设计了一种简单的控制器，该控制器由比例控制和相位滞后补偿组成，实现振动控制。Garnett[41]通过分析和实验量化了PZT电容在振动测试和控制中对不平衡电桥电路性能影响的变化。在2001年，大连理工大学研究者董维杰[42]以悬臂梁为研究对象，选择桥式电路为解耦电路，实现悬臂梁主动控制。实验中，通过P-51型压电陶瓷既作为自感知执行器，进行梁的振动抑制研究，其控制原理图如图1.6所示。当结构体被外界环境扰动时，振动控制过程如图1.7所示：在压电陶瓷为传感器条件下，电桥电路的输出电压正比于梁振动的速度，该信号经过运算放大器放大，并通过低通滤波器后输入到控制器中，最后反馈到压电陶瓷电极上；作为致动器，该压电片同时受到反馈电压驱动，产生作用力，
第一章绪论8抑制梁扰动形变。大连理工大学贾艳丽利用时分复用思想，通过高速开关电路分离传感信号和执行信号，并以悬臂梁为实验对象，实现压电自感知振动抑制[43,44]。图1.6悬臂梁振动控制实验示意图大连理工大学董维杰[45,46]等人在对压电方程和迟滞模型理论分析后，自行设计一种复合驱动电路，研究观测器自感知控制系统，这种观测器可同时观测应力和应变，集电压驱动和电流积分的驱动电路，极大丰富了观测器压电自感知执行器研究。2010年，河北工程大学何丽丽[47]等人以压电悬臂梁复合结构为实验对象，以线性二次型高斯最优控制（LQG）方法和鲁棒H∞方法为控制策略核心，进行主动控制实验研究，实验结果表明，两种方法在振动控制方面表现良好，特别是H∞控制技术。2014年刘永斌[48]等人，在研究新型的压电自感知电荷驱动方法的基础上，提出新的解耦方式，实验控制电路简单，振动抑制效果好。南京航空航天大学的裘进浩、程军[49]等人针对桥式电路难以有效实现自感知耦合信号分分离的缺点，采用神经网络分离混合在执行信号中的传感信号，并采用基于Filter-XLMS算法的自适应滤波控制器，通过仿真手段，说明神经网络在振动控制的有效性。分析国内外自感知振动抑制研究现状，可知目前研究仍存在一些问题：1)自感知振动抑制中传感与致动信号的耦合机制不够清晰，许多理论并没有解释清楚分离耦合信号的原理；2)不能准确提取混合在耦合信号中的传感信号，导致振动抑制算法和控制过程相对复杂，并且没有给出有效的解决方式；3)大部分的自感知振动抑制研究主要以理论分析和仿真实验为主，没有进行实验验证，尤其是基于深度学习算法的智能控制方法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于神经网络的压电自感知主动控制仿真试验[J]. 程军,季宏丽,裘进浩. 振动.测试与诊断. 2011(03)
[2]配置压电传感器/驱动器的柔性结构振动主动控制研究[J]. 何丽丽,张京军,王二成,高瑞贞. 机械强度. 2010(05)
[3]基于分时复用压电自感知执行器的悬臂梁振动主动控制研究[J]. 董维杰,贾艳丽,杨明刚. 振动与冲击. 2009(10)
[4]考虑粘贴效应和测量噪声的压电作动器/传感器优化配置[J]. 詹训慧,王永. 振动与冲击. 2008(02)
[5]基于状态观测器的压电自感知执行器研究[J]. 董维杰,孙宝元,崔玉国,杨志欣. 机械工程学报. 2002(07)
[6]智能材料结构[J]. 袁慎芳. 海陆空天惯性世界. 2000(03)
[7]振动主动控制技术现状及发展[J]. 李海斌,毕世华,方远,袁曾凤. 振动与冲击. 1998(03)
[8]航天柔性结构振动控制的若干新进展[J]. 黄文虎,王心清,张景绘,郑钢铁. 力学进展. 1997(01)
[9]欧拉-伯努利梁的静态响应分析[J]. 鲁有守. 力学与实践. 1987(02)
博士论文
[1]压电自感知执行器理论与应用研究[D]. 董维杰.大连理工大学 2003
硕士论文
[1]结构振动控制中超磁致伸缩执行器的设计及其自感知研究[D]. 王卓.哈尔滨工业大学 2010
[2]压电智能结构的减振技术研究[D]. 程军.南京航空航天大学 2010
[3]基于压电SSA的悬臂梁振动主动控制技术研究[D]. 王静.吉林大学 2009
[4]压电自感知执行器时分复用解耦法研究[D]. 贾艳丽.大连理工大学 2007
[5]智能结构的自感知主动振动控制以及半主动振动控制的研究[D]. 季宏丽.南京航空航天大学 2007
[6]超精密微位移系统研究[D]. 陶惠峰.浙江大学 2003
本文编号：3525665
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