压电悬臂梁系统振动主动控制研究

发布时间：2020-10-23 08:41

　　 节约原材料和能源的同时如何提高能效已经成为了全球科技、军事和经济发展面临的重要研究课题。航空航天结构大量地采用轻型化材料,同时一系列的的使用问题也随之产生:结构模态阻尼系数的减小、结构刚度的减小、大振幅或持续的振动响应等问题给系统的使用寿命和精度带来了严重影响。另一方面,近些年来,一种新型的智能材料—压电材料,由于它优异的电学、力学特性—机电耦合特性,使其频繁应用于结构振动控制领域。基于上述情况,为了有效地抑制柔性结构的振动,本文以柔性结构中比较经典和简单的悬臂梁结构为被控对象,分析了其动力学特性和模态特点,结合压电材料的正、逆压电效应和机电耦合特性得到了压电悬臂梁的微分方程和状态空间方程。并以压电陶瓷作为致动器,设计了压电悬臂梁结构振动主动控制实验系统。针对正弦信号干扰,通过利用基于时频分析技术的频率提取算法,不仅可以准确又快速地辨识出振动信号的未知频率,还可以剔除掉随机干扰的频率影响。也就是说,本文提出了一种新型的面向应用的自适应前馈控制控制算法,这种方法使控制输入不断收敛到干扰信号,最终可以对频率未知的正弦干扰进行比较好的的振动控制。并通过相应的实验验证了该方法的有效性和优点。考虑到PID控制的优点而应用于复杂被控对象的设计难点。提出了逆模型控制的思想,目的是抑制或是消除掉控制对象的高阶模态振动影响,尽可能只保留其低阶模态,然后就能较容易地设计PID控制器。再利用PID控制器的特点比较好的地抑制其低频范围的振动。很重要的一点是该方法中逆模型传递函数中的参数灵敏度不高,即便在实际情况中因为模型未知或是随机因素造成的参数误差,也不会对闭环系统的输出效果有很大影响。通过仿真与LQG控制和H_?控制器的比较也验证了该方法优异的控制效果。并且将该方法推广到汽车悬架模型上,仿真结果也验证了该方法的优势。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U463.33
【部分图文】：

压电智能结构是采用压电材料作为传感器和致动器的智能结构，成为了目前结构的热门研究方向。压电传感器是一种应变传感器，它的工作原理是正压电效即压电材料受到外力作用发生形变时，会在其两极感应出电荷，将机械信号转换于测量的电信号；压电致动器的原理是与传感器相反的逆压电效应，当压电致动受到由数据采集装置传送的控制电压，本身会产生变形，执行控制指令，以此来基体结构的振动。压电致动器产生的驱动力较小，多与驱动电源（电压放大器）使用，多应用于柔性结构的振动主动控制中，另外一种办法是把多片压电片堆叠可以在一定程度上解决驱动力较小的问题。压电材料的研制已有 100 多年的历史，目前已知的压电材料种类繁多，其中最广泛的是锆钛酸铅压电陶瓷（Piezoelectric Ceramic Transducer，PZT）简称压电和压电聚合物（PolyVinylidene DiFluoride，PVDF）两类。其中压电陶瓷兼顾了传和致动器的特点，本课题就是利用压电陶瓷作为实验的致动器来进行研究。PVDF的驱动力太小，一般不作致动器，多用作传感器。

压电智能结构是采用压电材料作为传感器和致动器的智能结构，成为了目前结构的热门研究方向。压电传感器是一种应变传感器，它的工作原理是正压电效即压电材料受到外力作用发生形变时，会在其两极感应出电荷，将机械信号转换于测量的电信号；压电致动器的原理是与传感器相反的逆压电效应，当压电致动受到由数据采集装置传送的控制电压，本身会产生变形，执行控制指令，以此来基体结构的振动。压电致动器产生的驱动力较小，多与驱动电源（电压放大器）使用，多应用于柔性结构的振动主动控制中，另外一种办法是把多片压电片堆叠可以在一定程度上解决驱动力较小的问题。压电材料的研制已有 100 多年的历史，目前已知的压电材料种类繁多，其中最广泛的是锆钛酸铅压电陶瓷（Piezoelectric Ceramic Transducer，PZT）简称压电和压电聚合物（PolyVinylidene DiFluoride，PVDF）两类。其中压电陶瓷兼顾了传和致动器的特点，本课题就是利用压电陶瓷作为实验的致动器来进行研究。PVDF的驱动力太小，一般不作致动器，多用作传感器。

西南交通大学硕士研究生学位论文 第 其转换为便于测量的电信号，并通过提前设计好的控制策略计算出控制信号，该一般要经过电压放大器的处理后施加给致动器，由致动器产生机械变形来执行该信号，这样就实现了结构的振动控制。压电主动控制方法可以根据不同的控制对为方便地修改设计控制器，且比较适用于低频范围的振动控制，已经应用于许多的振动控制领域。它简要的主动控制流程图如下图所示：
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本文编号：2852803