結(jié)構(gòu)振動的時(shí)滯反饋控制及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、主動控制系統(tǒng)中不可避免的存在著時(shí)滯現(xiàn)象，它有時(shí)是控制系統(tǒng)本身所固有的，如傳感器信號的采集和傳輸、控制器的計(jì)算、作動器的作動過程等，有時(shí)是人為引入進(jìn)去的，如數(shù)字濾波器的使用等。時(shí)滯會使得最后作用于結(jié)構(gòu)的控制力產(chǎn)生不同步，導(dǎo)致在系統(tǒng)不需要能量時(shí)作動器向系統(tǒng)輸入能量，有可能引起控制效率的下降或控制系統(tǒng)失穩(wěn)。另外，即使原動力學(xué)系統(tǒng)本身是線性的，在加入控制環(huán)節(jié)和考慮時(shí)滯后，系統(tǒng)也會呈現(xiàn)出非線性諸多復(fù)雜的動力學(xué)行為。因此，對控制系統(tǒng)中時(shí)滯問題的研究

2、具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。時(shí)滯問題也是目前數(shù)學(xué)、控制、力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)前沿方向之一。
　　 時(shí)滯問題的研究大體可以分為兩方面:時(shí)滯消除技術(shù)，時(shí)滯利用技術(shù)。時(shí)滯消除技術(shù)認(rèn)為時(shí)滯是“壞”因素，應(yīng)當(dāng)在控制設(shè)計(jì)中消除它對系統(tǒng)性能所造成的負(fù)面影響，目前常采用的方法有泰勒技術(shù)展開法、移項(xiàng)技術(shù)、狀態(tài)預(yù)估法等。時(shí)滯利用技術(shù)則是不考慮控制系統(tǒng)本身所固有的時(shí)滯量，而是人為地向系統(tǒng)中引入時(shí)滯量，將時(shí)滯作為一個設(shè)計(jì)參數(shù)和利用時(shí)滯進(jìn)

3、行控制反饋，通過調(diào)整時(shí)滯量的大小以取得滿意的系統(tǒng)性能和控制效果，如時(shí)滯阻尼器、時(shí)滯濾波器、混沌時(shí)滯控制、利用時(shí)滯改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等。雖然目前人們關(guān)于時(shí)滯問題已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果，但是多數(shù)的研究是在理論上進(jìn)行探討，少有實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道。另外，目前的研究多數(shù)考慮的是單時(shí)滯問題，多時(shí)滯問題的研究較少。
　　 本論文在國家自然科學(xué)基金（編號:10772112，10472065）、教育部重點(diǎn)項(xiàng)目（編號:107043）、教育部博士點(diǎn)

4、專項(xiàng)基金（編號:20070248032）和上海市教育委員會科研重點(diǎn)項(xiàng)目（編號:09ZZ17）的資助下，開展了結(jié)構(gòu)主動控制中多時(shí)滯問題的研究，并且進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究內(nèi)容和成果總結(jié)如下:
　　 (1)對離散形式的多時(shí)滯問題處理方法進(jìn)行了研究。結(jié)構(gòu)模型分別考慮了有限自由度系統(tǒng)（建筑結(jié)構(gòu)）和分布參數(shù)系統(tǒng)（柔性梁、柔性板）。在時(shí)滯控制律設(shè)計(jì)中，通過一種特殊的狀態(tài)變量增廣，將包含有時(shí)滯項(xiàng)的時(shí)滯微分方程轉(zhuǎn)換成形式上不包含有時(shí)滯項(xiàng)的標(biāo)

5、準(zhǔn)差分狀態(tài)方程形式，然后采用離散最優(yōu)控制方法和離散變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行了時(shí)滯控制律的設(shè)計(jì)。論文中給岀了時(shí)滯控制律的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程和各個變量詳細(xì)的迭代計(jì)算格式，并且給出了時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。在所設(shè)計(jì)的時(shí)滯控制律的表達(dá)式中，不但包含有當(dāng)前步的狀態(tài)反饋，而且包含有前若干步控制項(xiàng)的線性組合。由于時(shí)滯控制律是直接通過時(shí)滯微分方程進(jìn)行設(shè)計(jì)而得出，而且在設(shè)計(jì)過程中無需做任何近似和假設(shè)處理，因此這種時(shí)滯問題處理方法易于保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不但可以處理小

6、時(shí)滯量問題，也能處理大時(shí)滯量問題。仿真結(jié)果顯示出，該方法是可行的和有效的。另外，論文中還采用可控Gramian矩陣和粒子群優(yōu)化算法對柔性板上壓電作動器的優(yōu)化位置進(jìn)行了詳細(xì)研究。
　　 (2)對連續(xù)形式的多時(shí)滯問題處理方法進(jìn)行了研究。結(jié)構(gòu)模型考慮了柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，系統(tǒng)模型采用了一次近似模型，控制方法采用了最優(yōu)跟蹤控制方法，柔性機(jī)械臂上粘貼有壓電作動器。在連續(xù)形式的多時(shí)滯控制律的設(shè)計(jì)中，通過一種特殊形式的積分變換，將系統(tǒng)的時(shí)滯微分方

7、程轉(zhuǎn)換成形式上不包含有時(shí)滯項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)方程形式，系統(tǒng)維數(shù)保持不變，控制律的設(shè)計(jì)可以針對該標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)方程進(jìn)行設(shè)計(jì)而得出。論文中給出了連續(xù)形式多時(shí)滯控制律的設(shè)計(jì)過程，以及積分變換中的積分項(xiàng)的迭代計(jì)算格式。仿真中分別考慮了如下三種情況:(i)僅使用關(guān)節(jié)扭矩進(jìn)行系統(tǒng)控制，關(guān)節(jié)扭矩存在時(shí)滯，(ii)使用關(guān)節(jié)扭矩和壓電作動器同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)控制，僅壓電作動器存在時(shí)滯;(iii)使用關(guān)節(jié)扭矩和壓電作動器同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)控制，兩者存在不同的時(shí)滯量。仿真結(jié)果顯示，

8、時(shí)滯控制律能夠有效地保證機(jī)械臂系統(tǒng)在有限時(shí)間到達(dá)預(yù)定位置，并且機(jī)械臂的殘余振動可以得到有效抑制。
　　 (3)基于DSP控制卡開展了柔性梁、柔性板和柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的單時(shí)滯和多時(shí)滯的主動控制實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和DSP程序的二次開發(fā)，解決了數(shù)據(jù)處理、差分電路、摩擦補(bǔ)償?shù)戎T多實(shí)驗(yàn)中的問題，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上離散和連續(xù)形式多時(shí)滯控制律的有效性。
　　 (4)對時(shí)滯動力學(xué)系統(tǒng)的時(shí)滯辨識問題進(jìn)行了研究和探索。研究中，將時(shí)