新型主動隔振系統(tǒng)的理論與實驗研究.pdf

1、振動主動控制技術是指根據所檢測到的結構振動響應，采用一定的控制策略，實時驅動作動器，使其對結構施加一定的作用以達到抑制結構振動的目的。由于其具有效果好、適應性強等潛在的優(yōu)越性，已成為一條重要的振動控制新途徑，可應用于航天結構振動控制、土木工程結構抗震、高速車輛隔振及其他機械設備振動控制等領域。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域，基于壓電智能結構的主動控制技術正蓬勃發(fā)展。本文在此背景下開展主動隔振技術的相關理論及實驗

2、研究，重點研究一種基于壓電智能結構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、內部性能指標以及作動器能力的基礎上，建立了基于系統(tǒng)傳遞函數模型下的主動隔振系統(tǒng)優(yōu)化模型。建立了壓電智能結構的通用性有限元模型。從討論壓電材料的本構方程入手

3、，通過Hamilton原理以及變分方法獲得微元體的單元方程，經過組裝得到壓電復合智能結構的通用性有限元模型。在此基礎上對系統(tǒng)進行模態(tài)分析，并采用振型疊加法計算系統(tǒng)的動態(tài)響應，從運動方程中進一步求取系統(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換矩陣建立了系統(tǒng)的運動方程，并進一步推導系統(tǒng)的頻響矩陣，計算系統(tǒng)的時域響應，對主動彈性隔振系統(tǒng)的特性進行了理論研究。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，結合有限元理論仿真結果，重點對低階模態(tài)進行辨識，以此建立系統(tǒng)的多輸入多輸出傳遞函數矩陣模型。從時域角度出發(fā)，進一步將系統(tǒng)模型轉換成差分方程，建立神經網絡與延遲線模塊構成的時域辨識模型。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。
　　 本文綜合考慮主動彈性隔振系統(tǒng)的隔振性能指標、內部性能指標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)的自適應前饋控制算法，并發(fā)展多輸入多輸出系統(tǒng)的自適應前饋算法。當系統(tǒng)擾動未知時，對系統(tǒng)性能指標等采用加權函數的方式描述，將控制系統(tǒng)模型轉換成標準的H∞設計問題。并結合神經網絡辨識模型，研究并建立神經網絡逆模型控制算法以及常規(guī)神經網絡控制算法。當擾動功率較小時，仿真結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的要求。設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：彈性基體結構、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)進行頻域傳遞函數辨識、神經網絡模型辨識、自適應前饋控制算法、魯棒反饋控制算法等實驗研究。實驗結果表明，實施主動控制后，低頻段能達到10dB左右的減振效果，可有效地降低共振峰值，該系統(tǒng)在高頻段相當于被動隔振器，自適應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，