新型主動隔振系統(tǒng)的理論與實驗研究.pdf

1、振動主動控制技術(shù)是指根據(jù)所檢測到的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，采用一定的控制策略，實時驅(qū)動作動器，使其對結(jié)構(gòu)施加一定的作用以達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)振動的目的。由于其具有效果好、適應(yīng)性強等潛在的優(yōu)越性，已成為一條重要的振動控制新途徑，可應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)振動控制、土木工程結(jié)構(gòu)抗震、高速車輛隔振及其他機械設(shè)備振動控制等領(lǐng)域。壓電材料由于具有頻響高等諸多優(yōu)點，適宜于振動主動控制領(lǐng)域，基于壓電智能結(jié)構(gòu)的主動控制技術(shù)正蓬勃發(fā)展。本文在此背景下開展主動隔振技術(shù)的相關(guān)理論及實驗

2、研究，重點研究一種基于壓電智能結(jié)構(gòu)的新型主動隔振系統(tǒng)，從概念、機理、理論與實驗辨識建模、振動控制算法以及實驗驗證等多方面進(jìn)行研究與探討。
　　 本文提出了主動彈性隔振系統(tǒng)的概念，建立了基于壓電元件的新型主動彈性隔振系統(tǒng)的基本理論體系。并在綜合考慮主動彈性隔振系統(tǒng)的隔振性能指標(biāo)、內(nèi)部性能指標(biāo)以及作動器能力的基礎(chǔ)上，建立了基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型下的主動隔振系統(tǒng)優(yōu)化模型。建立了壓電智能結(jié)構(gòu)的通用性有限元模型。從討論壓電材料的本構(gòu)方程入手

3、，通過Hamilton原理以及變分方法獲得微元體的單元方程，經(jīng)過組裝得到壓電復(fù)合智能結(jié)構(gòu)的通用性有限元模型。在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，并采用振型疊加法計算系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，從運動方程中進(jìn)一步求取系統(tǒng)的頻響矩陣，從頻域角度分析系統(tǒng)特性。針對Z形主動彈性隔振系統(tǒng)，通過帶電自由度的梁元模型以及空間轉(zhuǎn)換矩陣建立了系統(tǒng)的運動方程，并進(jìn)一步推導(dǎo)系統(tǒng)的頻響矩陣，計算系統(tǒng)的時域響應(yīng)，對主動彈性隔振系統(tǒng)的特性進(jìn)行了理論研究。證明了主動彈性隔振系統(tǒng)辨識的

4、可行性，分別建立了主動彈性隔振系統(tǒng)時域與頻域辨識模型。從頻域角度出發(fā)，討論系統(tǒng)頻響矩陣的各種估計模型，結(jié)合有限元理論仿真結(jié)果，重點對低階模態(tài)進(jìn)行辨識，以此建立系統(tǒng)的多輸入多輸出傳遞函數(shù)矩陣模型。從時域角度出發(fā)，進(jìn)一步將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成差分方程，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與延遲線模塊構(gòu)成的時域辨識模型。通過系統(tǒng)辨識驗證了理論建模的有效性，并為實施控制算法奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文綜合考慮主動彈性隔振系統(tǒng)的隔振性能指標(biāo)、內(nèi)部性能指標(biāo)以及壓電元件的作動

5、能力，研究主動彈性隔振系統(tǒng)的振動控制算法。當(dāng)系統(tǒng)擾動可測或有參考信號時，建立主動彈性隔振系統(tǒng)的自適應(yīng)前饋控制算法，并發(fā)展多輸入多輸出系統(tǒng)的自適應(yīng)前饋算法。當(dāng)系統(tǒng)擾動未知時，對系統(tǒng)性能指標(biāo)等采用加權(quán)函數(shù)的方式描述，將控制系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的H∞設(shè)計問題。并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模型，研究并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型控制算法以及常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。當(dāng)擾動功率較小時，仿真結(jié)果表明前饋控制算法與反饋控制算法均能滿足綜合性能指標(biāo)的要求。設(shè)計及研制了以計算機控

6、制系統(tǒng)為核心的主動彈性隔振系統(tǒng)的整套實驗裝置。實驗系統(tǒng)主要包括：彈性基體結(jié)構(gòu)、信號處理電路板、功率放大器及電荷放大器以及基于MATLAB SIMULINK的系統(tǒng)軟件等。對系統(tǒng)進(jìn)行頻域傳遞函數(shù)辨識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型辨識、自適應(yīng)前饋控制算法、魯棒反饋控制算法等實驗研究。實驗結(jié)果表明，實施主動控制后，低頻段能達(dá)到10dB左右的減振效果，可有效地降低共振峰值，該系統(tǒng)在高頻段相當(dāng)于被動隔振器，自適應(yīng)前饋算法以及魯棒反饋控制均能滿足系統(tǒng)性能的綜合要求，