压电结构的自适应模态阻尼控制实验

文[1]提出了用分布式的、实时可调的压电片组建模态传感器及作动器实现准独立模态控制的方法，为结构的自适应控制提供了物质基础。本文在文[1]的基础上，结合自适应控制技术、进一步进行了基于这种独立模态控制策略的自适应阻尼控制实验研究，在压电板上取得了理想的控制效果。     

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

提出了使压电陶瓷传感器在采样间隔内作执行器、并应用于振动主动控制的方法。一个传感执行周期包含传感时隙、执行时隙和放电时隙,依次进行振动测量、振动控制和释放残留电荷。由时序电路控制三个时隙的切换,论述了时序设计和开关选取等技术细节。实验证明了传感功能和执行功能在时间上的切换不影响压电元件的传感效果,执行能力取决于执行时隙与传感执行周期之比。在对悬臂梁进行模态分析的基础上,采用独立模态控制和线性二次型最优控制算法,将分时复用的压电传感器和执行器用于悬臂梁一阶模态的振动主动控制,结果表明控制后悬臂梁的振动衰减时间缩短为控制前的20％。     

结构振动的独立模态和耦合模态的组合控制

基于模态空间控制的基本原理，提出了一种将独立模态控制与耦合模态控制相结合应用于结构振动主动控制中，得以利用两者的优点而使控制更加有效和稳定的方法。利用该组合控制法，可实现在一个控制过程中实时跟踪主被控模态的变化从而对其实施独立模态控制以达到有效地抑制结构的主要振动。而对其它非主控模态则实行耦合模态控制。这样，可使控制系统的稳定性提高、减少作动器／传感器的数量、降低控制能耗，并能在不同的激励下达到最佳的控制效果。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统.设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

压电智能结构的一种模态控制新方法

提出了一个用于压电智能结构振动控制的模态控制方法。就智能梁给出了压电模态传感器与压电模态致动器的新设计方法以及相应的模态控制方法，并对相应的观测溢出与控制溢出问题进行了分析，给出了抑制这些溢出的措施。     

用于微电池的压电悬臂梁电特性仿真

研究了一种带质量块的压电悬臂梁结构,利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能,可以用于振动能的收集。利用有限元分析软件ANSYS对结构进行建模,通过模态分析和谐波分析得到：悬臂梁在一阶模态时上下振动,形成恰当的工作状态;通过改变梁的各个几何参数和振动源的频率,得到了悬臂梁上下电极间峰值电压的变化情况;当振动源的频率为悬臂梁的一阶共振频率时,得到的峰值电压最大。     

智能空间桁架结构独立模态控制方法

采用现代模态滤波器（ＭＦ）技术和最优控制理论研究智能空间桁架结构的独立模态空间控制方法（ＩＭＳＣ）。仿真结果表明，按提出的控制策略，解决了传统ＩＭＳＣ控制中的状态解耦问题，使ＩＭＳＣ方法不再局限于简单、低自由度数的结构动力控制，对于智能空间结构，实施ＩＭＳＣ方法也是可行并且有效的。     

基于PolyMAX方法的悬臂梁振动模态分析

为分析某悬臂梁的振动模态,根据锤击法模态测试流程,利用Poly MAX方法对悬臂梁的传递函数进行模态参数估计和识别。利用有限元软件和欧拉梁理论仿真并计算该悬臂梁前五阶固有频率和振型。结果表明:对悬臂梁的实验分析结果和理论值、仿真值吻合良好,说明锤击法的模态实验可靠,为以后分析相似结构的模态提供参考。     

主动隔振平台模态区间参数模型的独立模态控制方法

针对六自由度隔振平台模态区间参数模型的控制器设计问题,提出了一种模态参数存在摄动时的独立模态控制设计方法,其中将振型矩阵存在不确定性时的模态位移变换转换为模态坐标下增广的等效模态位移测量噪声,在模态控制器设计时通过对噪声的适当加权进行处理;将振型矩阵存在不确定性时的实际控制力变换等效为模态控制器设计时的控制输入矩阵的摄动.通过所提出的方法,将振型矩阵存在不确定性的模态控制器设计问题转换为输入矩阵存在摄动的新辅助系统的控制器设计,为模态参数区同模型的性能鲁棒控制器设计奠定了理论基础.对六自由度隔振平台进行了直接干扰和地基干扰下的主被动隔振实验,实验结果证实了所提方法的有效性.     

单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。文中还将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。     

基于不同压电材料作动机制的压电层厚度研究

研究了压电材料复合板的3种作动机制,弯曲作动机制、剪切作动机制、混合作动机制,针对粘贴在纤维板上不同厚度的压电作动层,具体分析了复合板的端部位移,研究结果对噪声和振动的主动控制中的模态控制和智能结构静态形状控制提供了一定的参考。     

特征模型自适应控制方法在悬臂梁振动主动控制中的应用

特征建模理论和方法是对现有控制理论关于对象建模理论的一个发展,为高阶、参数未知对象进行低阶控制器、自适应控制器和智能控制器的设计提供了理论依据,为工程设计带来极大的方便。基于特征模型的自适应方法与常用的间接自适应方法相比,待辨识的参数更少,控制器算法更简单。由于基于特征模型的自适应方法是一种很新的方法,在实际系统中的应用还比较少,因此有必要通过在实际系统的应用来验证该方法的有效性并不断改进和完善该方法。为此,利用压电智能结构作为挠性悬臂梁的敏感器和致动器,采用特征模型自适应控制方法对挠性悬臂梁的振动进行主动控制,并比较研究了特征模型自适应控制算法和正位置反馈（PPF）控制算法的物理仿真结果,通过物理仿真验证了特征模型自适应控制器抑制梁弯曲振动的有效性。     

非线性梁压电分阶最优减振控制

提出非线性的分阶最优控制方法,并将其应用于梁的非线性振动压电减振控制。建立梁压电减振系统动力学模型,导出减振系统的非线性动力学运动微分方程,利用摄动法,实现非线性微分方程的线性化。将各阶线性方程解耦,化为状态空间方程。设计非线性分阶控制器,对减振系统进行分阶最优控制。仿真算例验证这种控制方法的有效性。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

基于模态控制法的振动主动控制试验研究

根据模态控制法的思想,直接对被控制对象的模态振型进行控制,最终达到减小传递到基础上的振动的目的。试验结果表明,所要控制的模态振型得到控制,被控结构向基础传递的振动减小。     

基于布局优化的压电分流阻尼抑振实验研究

建立了带压电分流阻尼系统的四边固支正方形弹性薄板振动控制的实验模型。针对其前五阶模态振动响应的抑制问题,以压电元件存储的电能最大化为优化目标,对采用多个压电元件的压电分流阻尼系统进行了布局优化分析。将压电元件布局优化后的压电分流阻尼系统应用于弹性薄板的多阶模态振动响应的抑制实验,分别研究了不同压电元件数量和布局对抑振效果的影响。在压电分流阻尼抑振实验中,与分流电路开路时相比,电路闭路后弹性薄板的频响函数在对应的模态频率处的幅值分别降低了11.90dB、16.94dB、16.94dB、19.91dB和16.77dB,说明经过布局优化后的压电分流阻尼系统使弹性薄板的前五阶稳态响应都得到了很好的抑制。同时也进行了非优化布局的压电分流阻尼抑振实验,实验结果对比表明,对压电元件进行布局优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

基于迟滞观测器的压电工作台自适应控制

为提高压电陶瓷驱动的微定位工作台的精度和速度,设计了一种基于迟滞状态观测器的自适应控制系统.在分析压电陶瓷迟滞非线性特性和工作台结构的基础上,建立了压电工作台的动态迟滞模型.迟滞观测器用于估计由位移偏差、传递函数、迟滞变量和扰动而产生的不确定误差,对神经网络控制器的输出量进行补偿,使工作台的位移跟随参考值.基于李雅普诺夫稳定理论推导了迟滞观测器的自适应调节律.实验结果表明,采用带有迟滞观测器的自适应控制系统时,在30μm、1 Hz正弦信号作用下,工作台的平均定位误差从之前的0.39μm减小到了0.19μm,对迟滞特性的非对称拟合平均误差由0.42μm减小到0.22μm,在10μm阶跃输入时的平均定位误差从0.22μm减小到了0.13μm,稳定时间由0.19 s缩短为0.08 s,定位工作台的性能得到明显的改善,能够满足实验要求.     

基于动态规划的光伏蓄冰空调预测控制

光伏空调和蓄冰空调同属于绿色空调,两者均能起到缓解电网压力、节约空调运行费用的作用。本文将光伏空调与蓄冰空调结合,提出了一种含有充供(充冷同时供冷)工作模式的光伏蓄冰空调系统,构建了光伏蓄冰空调系统运行调度的非线性优化模型,并基于动态规划方法对优化问题进行了全局最优求解;根据光伏发电与建筑冷负荷的预测数据,进行了不同建筑冷负荷下的光伏蓄冰空调预测控制案例分析。结果表明:在考虑光伏发电预测的情况下,光伏蓄冰空调系统的预测控制可将夜间的蓄冰能耗转移到日间,有效降低了系统的运行费用,并提高了系统的太阳能保证率、光伏消纳率和平均能效;当光伏售电价格降低时,预测控制下的光伏蓄冰空调系统可更充分利用光伏电能,系统的运行费用得到了更大幅度的降低。     

基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应辨识与逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳.本文采用经典PI模型描述压电驱动器的迟滞非线性,利用自适应投影算法对PI模型的权向量进行在线辨识,并与传统的最小二乘辨识方法进行比较.迟滞PI模型的优点是模型存在解析逆,因此本文对压电驱动器采用自适应逆跟踪控制,利用驱动器的输出位移与参考位移之差使用自适应投影算法在线辨识PI模型的权向量,并计算PI逆模型的权向量和阈值,最终得到要输入的电压值.最后实验结果表明自适应逆跟踪控制比传统的逆模型跟踪控制精度提高了49.8%.