壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)自適應(yīng)濾波前饋控制方法研究.pdf

1、智能結(jié)構(gòu)代表著21世紀(jì)材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)新方向，特別在振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域具有非常誘人的前景，目前已成為振動(dòng)工程界的研究熱點(diǎn)。主動(dòng)減振智能結(jié)構(gòu)是智能材料結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容之一，它利用埋入結(jié)構(gòu)中的傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平，根據(jù)一定的控制規(guī)律去實(shí)時(shí)控制埋入結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)器以改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到自適應(yīng)抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的，從而提高了結(jié)構(gòu)的性能和安全性，延長(zhǎng)了其使用壽命。這一研究不僅在航空航天領(lǐng)域，而且在國防和民用的其它眾多領(lǐng)域也有著極其重要

2、的意義和廣闊的應(yīng)用前景。 在振動(dòng)主動(dòng)控制研究領(lǐng)域中，控制方法的研究是一個(gè)很重要的方面；目前壓電智能結(jié)構(gòu)主動(dòng)減振研究的一個(gè)重要發(fā)展方向就是自適應(yīng)控制策略的研究。其中自適應(yīng)濾波前饋控制方法已在試驗(yàn)中取得了較好的效果，這一方法的基本思想是：首先以濾波器的形式建立受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制器的數(shù)學(xué)模型，確定受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型參數(shù)，再用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)求得最優(yōu)控制器參數(shù)，其實(shí)現(xiàn)的核心是自適應(yīng)控制算法。它根據(jù)測(cè)得的新信息實(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)，保證控制效

3、果始終趨于最優(yōu)。但其通常假定干擾源可測(cè)且作為前饋控制器的參考輸入，而且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果也缺乏比較完善的分析方法，具體實(shí)現(xiàn)上也存在較多的問題，因此需要進(jìn)一步的研究。 本文以航天柔性結(jié)構(gòu)如太陽能帆板為理想應(yīng)用目標(biāo)，著重進(jìn)行面向主動(dòng)減振智能結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波前饋控制方法研究，在此基礎(chǔ)上結(jié)合控制理論與方法、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論和壓電材料學(xué)等相關(guān)技術(shù)方法，構(gòu)建主動(dòng)減振智能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)象和綜合測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控

4、制進(jìn)行了技術(shù)實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，同時(shí)本文還進(jìn)行了混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于移動(dòng)通信信道分配優(yōu)化配置問題的相關(guān)研究工作。全文可以概括為壓電主動(dòng)減振智能結(jié)構(gòu)概述、自適應(yīng)濾波前饋控制策略分析與方法研究、試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建與試驗(yàn)分析驗(yàn)證，以及混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)通信信道分配問題上的應(yīng)用四大部分，所做的主要工作和貢獻(xiàn)如下： (1) 對(duì)壓電主動(dòng)減振智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行概述；推導(dǎo)并探討了結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的基本原理與策略，深入研究了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的自適應(yīng)濾波控制理

5、論及其自適應(yīng)算法；著重于最小均方誤差算法的自適應(yīng)前饋控制策略進(jìn)行分析和研究。 (2) 分析研究面向振動(dòng)主動(dòng)控制的濾波-X自適應(yīng)控制算法，基于詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，對(duì)單輸入單輸出和多輸入多輸出的濾波-X算法分別進(jìn)行了討論，對(duì)算法參數(shù)的確定方式和性能進(jìn)行了論述，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)其進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)。同時(shí)研究了受控結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)建模方法，引入了采用最小均方算法的模型通道在軌辨識(shí)策略。 (3) 面向多通道濾波-U自適應(yīng)控制算法進(jìn)行分析和研究

6、，并進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)濾波-U和濾波-X算法進(jìn)行了性能的分析和比較；在此基礎(chǔ)上針對(duì)濾波-U算法進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)并與濾波-X算法進(jìn)行比較。 (4) 針對(duì)濾波-E自適應(yīng)控制算法進(jìn)行分析和研究，基于詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，對(duì)單輸入單輸出和多輸入多輸出的濾波-E算法分別進(jìn)行了討論，對(duì)濾波-E算法的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并與濾波-X算法的性能進(jìn)行比較，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)其進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)。 (5) 對(duì)濾波-V自適應(yīng)控制算法進(jìn)行分析，

7、并進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)全梯度濾波-V算法和簡(jiǎn)化梯度濾波-V算法分別進(jìn)行了討論，并對(duì)上述各種算法進(jìn)行總結(jié)。 (6) 運(yùn)用有限元模態(tài)分析方法對(duì)受控結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性分析，以此作為智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳感/驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)配置指導(dǎo)準(zhǔn)則；在對(duì)控制方法及其自適應(yīng)算法進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，面向壓電智能柔性試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)，采用濾波-X和濾波-U算法進(jìn)行了實(shí)際的自適應(yīng)振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，取得了良好的抑振效果。 (7) 將混沌理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用混沌神

8、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性解決移動(dòng)通信信道分配的最優(yōu)化配置問題，并提出了一種新的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略，MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，新方法具有更快的速度和更高的收斂率，性能較之于傳統(tǒng)方式顯現(xiàn)出更為優(yōu)良的特性。 謹(jǐn)致以誠摯的感謝和敬意，本文及所做的研究工作獲得了國家和上海市下述科研基金項(xiàng)目的資助： (1) 國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“空天飛行器若干重大基礎(chǔ)問題”資助項(xiàng)目----智能柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與自適應(yīng)控制研究項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào)9040