垂尾抖振的压电主动控制方法研究

发布时间：2017-09-29 19:34

  本文关键词：垂尾抖振的压电主动控制方法研究

  更多相关文章： 垂尾抖振 MFC压电作动器 布局优化 LQG控制 鲁棒μ控制

【摘要】：双垂尾高性能战斗机,在大攻角飞行时,极易发生垂尾抖振。垂尾抖振会严重限制飞机的飞行性能,降低垂尾结构的疲劳寿命,增加飞机的维护费用。使用主动控制的方法抑制垂尾抖振,是垂尾抖振控制的一个新途径。压电作动器是一种智能作动器,具有附加质量小的优点,尤其适用于对重量严格控制的飞机设计领域,本文研究了宏纤维复合材料(MFC)压电作动器垂尾抖振主动控制的方法,分别建立了以加速度和动态应变为反馈的多输入多输出(MIMO)垂尾抖振控制系统,取得了良好的抖振控制效果。采用MFC这一新型压电作动器,根据输出可控性理论,提出一种考虑剩余模态影响的作动器布局优化准则,研究了垂尾抖振压电主动控制中压电作动器的布局优化问题。根据压电驱动载荷等效原理和有限元理论,建立了带MFC压电作动器垂尾结构的动力学模型,使用遗传算法对压电作动器形心位置和布局方向角进行优化,得到了针对垂尾结构前五阶模态(前三阶为控制模态,第四、五阶为剩余模态)进行控制的最优MFC压电作动器布局。为了提高建模的准确性,使用子空间辨识实验建模的方法,建立了垂尾抖振控制系统模型。通过设计系统辨识实验,得到有效的MIMO系统辨识所需的输入输出数据,采用子空间辨识算法获得加速度反馈和动态应变反馈的状态空间开环系统模型,并通过模型吻合度、时域输出信号和频率响应的对比,验证了这两种辨识模型的准确性。分别设计了不考虑系统不确定性的线性二次型高斯(LQG)控制器,以及考虑风速引起的参数不确定性和未建模动态特性所造成的加性不确定性的鲁棒?控制器。在LQG控制器设计时,使用最优Hankel范数近似方法,对被控模型进行降阶。在鲁棒控制器设计时,使用最优Hankel范数近似方法,对控制器进行降阶,并分别进行了采用这两种控制方法的控制器设计与实现。抖振控制系统数值仿真表明,本文设计的两种控制器都能够降低垂尾的抖振响应。建立了垂尾抖振的压电主动控制模型实验系统,通过垂尾抖振控制的地面和风洞实验,验证了抖振控制系统的有效性。实验结果表明:加速度反馈和动态应变反馈控制系统都能显著控制垂尾的抖振响应;其中LQG控制只能够控制系统不确定较小状态时垂尾的抖振响应,而鲁棒控制则能有效控制所有状态的垂尾抖振响应。
【关键词】：垂尾抖振 MFC压电作动器 布局优化 LQG控制 鲁棒μ控制
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V271.41
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 研究背景9-12
• 1.2 结构振动主动控制12-16
• 1.2.1 压电作动器12-13
• 1.2.2 压电作动器的布局优化13-14
• 1.2.3 振动主动控制方法14-16
• 1.3 本文的主要内容16-19
• 第二章 压电作动器布局优化19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 MFC压电智能结构建模19-22
• 2.3 压电作动器优化准则22-25
• 2.3.1 模态可控性与模态价值理论22-24
• 2.3.2 优化准则24-25
• 2.4 垂尾抖振控制的压电作动器布局优化25-30
• 2.4.1 垂尾模型与MFC压电作动器25-27
• 2.4.2 MFC压电作动器的布局优化27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 垂尾抖振控制系统的子空间辨识建模31-49
• 3.1 引言31-32
• 3.2 子空间辨识算法32-40
• 3.2.1 预备知识32-34
• 3.2.2 线性系统状态空间描述34-35
• 3.2.3 子空间辨识算法流程35-40
• 3.3 垂尾抖振控制系统辨识40-48
• 3.3.1 系统辨识实验设计40-42
• 3.3.2 系统输入输出数据的预处理42-44
• 3.3.3 模型阶次确定与子空间辨识44-45
• 3.3.4 辨识模型评价45-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 垂尾抖振的线性二次型高斯控制49-63
• 4.1 线性二次型高斯问题49
• 4.2 线性二次型高斯控制49-51
• 4.2.1 最优状态反馈50
• 4.2.2 卡尔曼滤波器50-51
• 4.3 基于最优Hankel范数近似的模型降阶51-54
• 4.4 垂尾抖振的线性二次型高斯控制与仿真54-61
• 4.4.1 被控系统模型降阶54-57
• 4.4.2 线性二次型高斯控制器计算57
• 4.4.3 控制器分析与仿真57-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第五章 垂尾抖振的 μ 综合鲁棒控制63-83
• 5.1 引言63
• 5.2 系统的不确定性描述63-66
• 5.2.1 参数不确定性63-64
• 5.2.2 加性不确定性64-65
• 5.2.3 线性分式变换65-66
• 5.3 结构奇异值 μ 理论66-70
• 5.3.1 结构奇异值 μ 的定义66-67
• 5.3.2 鲁棒稳定性和鲁棒性能的 μ 分析67-69
• 5.3.3 μ 综合69-70
• 5.4 垂尾抖振控制系统的 μ 控制器设计70-82
• 5.4.1 抖振控制系统的 μ 控制转化70-71
• 5.4.2 抖振控制的开环不确定系统建模71-75
• 5.4.3 控制器求解与降阶75
• 5.4.4 控制器分析与仿真75-82
• 5.5 本章小结82-83
• 第六章 垂尾抖振控制实验83-97
• 6.1 垂尾抖振控制实验系统83-85
• 6.1.1 实验模型83-84
• 6.1.2 垂尾抖振控制实验原理84-85
• 6.2 垂尾抖振控制系统的地面实验85-87
• 6.2.1 多输入多输出加速度反馈控制85-86
• 6.2.2 多输入多输出动态应变反馈控制86-87
• 6.3 垂尾抖振控制风洞实验87-96
• 6.3.1 多输入多输出加速度反馈控制88-92
• 6.3.2 多输入多输出动态应变反馈控制92-96
• 6.4 本章小结96-97
• 第七章 总结与展望97-101
• 7.1 工作总结97-98
• 7.2 主要创新点98
• 7.3 工作展望98-101
• 参考文献101-109
• 致谢109-110
• 攻读硕士学位期间主要发表论文110-111

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王钰锋;郭咏新;毛剑琴;;压电作动器的率相关迟滞建模与跟踪控制[J];光学精密工程;2014年03期

2 杨智春;王巍;;一种新型压电作动器及在结构振动主动控制中的应用[J];机械强度;2008年05期

3 谢石林,张希农;书本式压电作动器的特性分析[J];振动工程学报;2004年01期

4 白冰,常军,刘正兴;梁振动控制中压电作动器的位置优化准则[J];上海交通大学学报;2005年02期

5 陈西府;周海;惠学芹;黄传锦;;压电作动器在精密定位中的研究与发展[J];科技信息;2011年36期

6 王威远;王聪;邹振祝;;含有粘贴式压电作动器的锥壳结构振动主动控制研究(英文)[J];哈尔滨商业大学学报(自然科学版);2008年06期

7 胡芳;张志谊;华宏星;;振动控制中压电作动器非线性的补偿方法研究[J];振动与冲击;2010年11期

8 马驰骋;张希农;谢石林;;温度梯度场中梁的形变控制研究[J];振动工程学报;2012年02期

9 潘继;陈龙祥;蔡国平;;柔性板压电作动器的优化位置与主动控制实验研究[J];振动与冲击;2010年02期

10 陈超;李繁;严小军;贾兵;沙立;;非接触式球形转子压电作动器的研究[J];中国电机工程学报;2012年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王巍;杨智春;;一种新型压电作动器的特性及应用研究[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文摘要集[C];2007年

2 张治君;徐明龙;冯勃;;一种新型压电作动器的研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

3 王巍;杨智春;;一种新型压电作动器的特性及应用研究[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年

4 潘继;蔡国平;陈龙祥;;柔性板主动控制中压电作动器优化位置的粒子群方法[A];第八届全国动力学与控制学术会议论文集[C];2008年

5 白瑞祥;陈浩然;王琦;;粘贴压电作动器层合板在热载荷作用下的形状控制和电压优化[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（下册）[C];2008年

6 于洋;张希农;谢石林;;使用层叠式压电作动器对薄板进行形状控制方法[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年

7 马驰骋;张希农;谢石林;;温度梯度场中梁的形变控制研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集（2011）上册[C];2011年

8 王晓明;亢战;;多层压电作动器结构拓扑优化设计[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）论文集[C];2009年

9 张亚红;张希农;;层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

10 陈龙祥;蔡国平;;柔性悬臂梁的多时滞最优控制[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文摘要集[C];2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李志强;V型双振子螺杆式直线压电作动器研究[D];太原科技大学;2015年

2 孟玉明;双弯曲螺杆型压电作动器设计制作与实验研究[D];太原科技大学;2015年

3 赵媛;螺杆型直线压电作动器的驱动控制研究[D];太原科技大学;2015年

4 朱鹏举;新型大推力直线压电作动器的研究[D];南京航空航天大学;2015年

5 苏钊;双足压电作动器的研究及其在二维平台中的应用[D];南京航空航天大学;2016年

6 刘柯佳;基于柔性铰链的压电作动器优化设计及实验研究[D];南京航空航天大学;2016年

7 梁力;垂尾抖振的压电主动控制方法研究[D];西北工业大学;2016年

8 孙运涛;非接触式直线型超声压电作动器的研究[D];南京航空航天大学;2010年

9 杨静;基于压电作动器的振动控制执行装置研究[D];西安电子科技大学;2004年

10 杨涛;压电作动器建模与非线性控制技术研究[D];国防科学技术大学;2005年

，

本文编号：943868