自适应桁架结构天线形状最优控制

给出了两种含压电作动杆的自适应桁架抛物面天线的形状最优控制方法,分别以天线表面点相对原设计抛物面和最佳吻合抛物面(BFP)的光程差为精度指标,建立了同时考虑精度和能耗的综合控制目标。控制考虑杆件轴力与作动电压限制,以作动电压为被控量。利用桁架力学量及天线精度与作动电压的关系,将控制问题精确表达为显式数学规划问题。理论分析和仿真结果均说明基于BFP的控制方法在天线精度和能量消耗方面的优越性,最后通过仿真算例讨论了结构受载形式和电压限设定对天线形状控制能力的影响。     

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景.由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一.为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法.基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标.优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法.优化问题采用基于梯度的数学规划法求解.数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.     

振动工程中智能结构的研究进展

介绍了智能结构的概念,评述了近年来用于振动工程中的智能结构所研究的几个基本问题：传感器,作动器,智能结构动力学建模及其振动控制,传感／作动器在结构中的优化配置,并提出了建议研究的几个问题：作动／传感材料的研究、集成技术的研究、控制器的研究和结构控制一体化优化技术     

基于周期拼装的平面压电作动器结构拓扑优化

具有狭长形状的压电作动器有利于输出较大的位移,而采用周期拼装方式实现这类结构则具有制造成本相对较低的优点.本文提出了基于周期拼装的平面压电作动器结构拓扑优化设计的数学模型.其中,以位移输出点作功最大化为设计目标,考虑了材料体积和控制能耗约束,对结构基体材料和压电材料的分布以及控制电压的分布进行优化设计.本文给出了结构响...     

考虑激励确定作动器优化布置方法的研究

作动器优化布置是振动主动控制中的一个重要问题。本文考虑了外部激励的作用,提出了一种与独立模态空间控制方法结合使用的作动器位置优化准则。为使系统具有最大可控度,依据被控结构动态响应中各阶模态贡献的大小,建立相应的目标函数通过求其极大值,可得出作动器优化布置方案。最后通过一个算例验证了所提出理论与方法的有效性,从算例中可以看出,作动器的优化位置与激振力的位置和频率有直接联系。     

基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制研究

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动"线性"二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间τ=0.025 s时控制效果可以得到进一步优化。     

STOCHASTIC VIBRATION CONTROL BASED ON PIEZOELECTRIC STACK INERTIAL ACTUATOR1)

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动 "线性"二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间$\tau = 0.025$s时控制效果可以得到进一步优化。     

密频模态滤波器的实现及其在智能结构中的应用

针对空间智能桁架密频结构,提出了一种适应性较好的模态滤波器的实现方法,基于模态滤波器和分时共享充分利用作动器的思想,采用独立模态空间控制方法,实现了空间智能桁架结构的振动主动控制。仿真结构表明了这种控制策略的有效性。     

Shape measurement and control of deployable membrane structures

The shape inaccuracies of inflatable antennas and the potential shape control of the surface of those structures are investigated. Surface shape inaccuracies are due to geometric nonlinear deformation. Correcting the shape of these inflatables focused on the integration of piezopolymer actuators on the membranes. The out-of-plane displacements of a membrane structure were assessed with the shadow moiré method. The experimentally measured shape of the structure confirmed the extent of deviation from the ideal optical surface, a paraboloid of revolution. Active control of the shape of the membrane was tested using a piezoelectric material, polyvinylidene fluoride (PVDF). The deformation caused by actuation of the membrane structure was evaluated using electronic speckle pattern interferometry. An analytical solution was developed to verify the extent of shape correction that can be achieved by embedded PVDF actuators. It was confirmed that micron-level shape corrections are possible for future space-based sensors that use inflatable antennae technology.     

压电智能环形板的主动控制

对在不同位置粘有任意多组压电传感器和压电执行器的轴对称弹性环形薄板的振动控制进行了研究．根据压电执行元件的等效作用量得到了压电智能环板的振动控制方程和传感方程,再利用分离变量法以及由传感器测得的电量和作用在执行器上电压之间的控制模式得到振动方程的全解．实行了对整体结构的主动控制．对不同的压电片布置进行了数值计算．结果表明：当离散分布压电元件布置越密,振动衰减的效果越佳     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高，且性能稳定，在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析，基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型，据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料（UMAT）子程序；利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算，与实验结果的对比验证了计算结果的有效性；在SMA波纹板原始结构基础上，提出了SMA短带错落布置型新结构，并进行了数值模拟分析与验证；提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施，可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

A novel static shape-adjustment technique for planar phased-array satellite antennas

Planar phased-array satellite antennas deform when subjected to external disturbances such as thermal gradients or slewing maneuvers. Such distortion can degrade the coherence of the antenna and must therefore be eliminated to maintain performance. To support planar phased-array satellite antennas, a truss with diagonal cables is often applied, generally pretensioned to improve the stiffness of the antenna and maintain the integrity of the structure. A new technique is proposed herein, using the diagonal cables as the actuators for static shape adjustment of the planar phased-array satellite antenna. In this technique, the diagonal cables are not pretensioned; instead, they are slack when the deformation of the antenna is small. When using this technique, there is no need to add redundant control devices, improving the reliability and reducing the mass of the antenna. The finite element method is used to establish a structural model for the satellite antenna, then a method is introduced to select proper diagonal cables and determine the corresponding forces. Numerical simulations of a simplified two-bay satellite antenna are first carried out to validate the proposed technique. Then, a simplified 18-bay antenna is also studied, because spaceborne satellite antennas have inevitably tended to be large in recent years. The numerical simulation results show that the proposed technique can be effectively used to adjust the static shape of planar phased-array satellite antennas, achieving high precision.     

压电曲壳结构形状控制和优化设计

板壳结构作为航空、航天工程以及控制系统中的重要工作元件，在工作状态 中，要承受机械载荷、温度载荷、冲击载荷等各种负面影响， 而航空航天部件对结构形状变化非常敏感，如飞行器机翼、信息接收天线等结构, 微小的结构变形就会引起很大的性能改变，想要在设计初始阶段充分考虑所有不 利因素的影响显然是比较困难的. 利用压电材料控制结构变形往往是现代空间结 构开关控制中一个很好的选择. 基于一般壳体有限单元法, 推导了空间任意曲壳 压电单元, 利用约束方程连接主体壳元和压电壳元, 模型中约束方程的使用大大 减少了结构自由度, 使得计算速度有了明显的提升. 在此基础上, 重点研究了压 电曲壳结构的形状控制方法, 首先利用最小二乘法优化结构的电压分布, 控制结 构形状接近最优工作状态; 其次构建了以压电壳元厚度和电压联合作为设计变量 的优化控制模型, 采用非线性优化求解方法, 取得了更好的控制效果. 数值算例 表明了该文计算模型、 优化设计和控制方法的有效性.     

离散变量优化设计的方向差商法

本文根据离散变量的特点，提出了方向差商的概念，并且针对一类目标函数、约束函数具有单调性的优化设计问题，发展了一种在可行集外由目标函数最小的点出发，沿目标函数增加最小、约束函数降低最多的方向逐步搜索，逐步靠近可行集边界的方向差商法。并将此方法应用于离散变量结构优化设计中。     

位移约束下智能桁架的强度最优控制

针对智能桁架结构，提出了在考虑多点位移约束的情况下，使结构工作应力处于最佳状态的规划法最优控制模型。当结构位移约束起主要作用时，模型可在保证位移约束的前提下，同时尽可能提高结构的承载能力；当结构位移并不重要时，仍可用该模型来提高结构的承戴能力。对于复杂结构，为了提高控制效果，可以调整为了满足位移条件而需要的作动器数目及布置方案。文中给出了数值算例，说明该方法的调控能力。