基于遲滯特性與時滯現(xiàn)象的智能懸臂梁自適應(yīng)振動控制研究.pdf

1、智能結(jié)構(gòu)集主結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動器及控制器一體，常應(yīng)用于航天航空、船舶橋梁以及機械加工生產(chǎn)過程中所用到的各種設(shè)備。而在智能結(jié)構(gòu)中，作為驅(qū)動器的智能材料存在遲滯非線性特性，這種特性不但降低了智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制精度，而且限制了智能材料在高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。特別是輕質(zhì)柔性空間結(jié)構(gòu)，定位精度要求高，模態(tài)阻尼小，易受外界環(huán)境的影響，當受到外界激勵干擾時，其自由振動將因阻尼小而衰減的比較慢。這樣的空間結(jié)構(gòu)長時間在不穩(wěn)定、復(fù)雜多變的環(huán)境下工作，不但影

2、響空間結(jié)構(gòu)的正常工作性能而且影響其使用壽命。同時，在智能空間結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中，因傳感器采集數(shù)據(jù)、濾波器濾波和控制信號計算均要花費一定時間，使控制系統(tǒng)中實際輸入的控制信號具有一定的時滯，這種時滯由于設(shè)備長年反復(fù)工作而慢慢變大，這將會影響控制系統(tǒng)的控制效果，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　時滯現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是信號在傳播過程需要花費一定的時間，使信號輸出時在時域上滯后于輸入信號，這種滯后現(xiàn)象與智能結(jié)構(gòu)的遲滯特性表示的現(xiàn)象非常相似，但這是兩種不

3、同的特性，不能混為一談，甚至在智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中，時滯現(xiàn)象與遲滯特性相互影響。因此本文通過建立動態(tài)力學模型對智能結(jié)構(gòu)遲滯特性和時滯現(xiàn)象進行展開性的研究，分析這兩種現(xiàn)象的相關(guān)性與不相關(guān)性以及時滯對智能結(jié)構(gòu)遲滯特性的影響。
　　在智能結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)中，時滯現(xiàn)象是不可避免地存在著，但時滯現(xiàn)象并不一定都是不利因素。當主動控制系統(tǒng)的時滯量過大時，這將會降低控制系統(tǒng)的控制效果甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但當向控制系統(tǒng)引入小時滯時，有利于增強控制系

4、統(tǒng)的抗振能力及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且該結(jié)論得到仿真與實驗結(jié)果的有效驗證，本論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：
　　1、壓電驅(qū)動器在施加電場后，壓電電疇的極化方向重新排列，電疇疇壁相互擠壓摩擦，從而有能量的損耗，使智能懸臂梁產(chǎn)生遲滯特性。基于壓電線性本構(gòu)方程及Bouc-Wen遲滯模型，描述壓電驅(qū)動器外加電場與電位移之間的遲滯關(guān)系，得到壓電非線性本構(gòu)方程。再結(jié)合Hamilton原理以及假設(shè)模態(tài)方法，對智能懸臂梁建立動力學模型，通過仿真結(jié)果

5、與實驗數(shù)據(jù)對比表明：理論非線性動力學模型能有效地描述智能懸臂梁輸入電壓與輸出應(yīng)變之間的遲滯特性，且智能懸臂梁的遲滯特性不但受輸入電壓幅值的影響還受輸入電壓頻率的影響。
　　2、遲滯特性分為線性遲滯與非線性遲滯，時滯現(xiàn)象與非線性遲滯是不相關(guān)的，但與線性遲滯在遠離基頻時是相關(guān)的。通過分析智能懸臂梁時滯現(xiàn)象與遲滯特性相關(guān)性與不相關(guān)性，建立智能懸臂梁時滯特性與遲滯現(xiàn)象的數(shù)學模型，分析時滯對基頻處遲滯特性的影響，并得出結(jié)論：時滯不但影響遲滯

6、環(huán)面積的大小，而且還影響遲滯環(huán)的方向，并且這種影響是呈周期性變化的。經(jīng)過對智能懸臂梁時滯-遲滯模型系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析發(fā)現(xiàn)：智能懸臂梁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性受時滯大小的影響。
　　3、在自適應(yīng)控制器的設(shè)計中，采用ARMAX模型與增廣遞推最小二乘法對智能懸臂梁的遲滯特性與時滯現(xiàn)象進行在線辨識，實驗結(jié)果表明：ARMAX模型能實時有效地在線辨識智能懸臂梁的遲滯特性；時滯對遲滯特性周期性的影響亦得到實驗驗證?；贏RMAX模型與增廣遞推最小二乘

7、法的在線辨識功能，采用最小方差自校正直接調(diào)節(jié)器，對智能懸臂梁的自由振動進行控制，仿真結(jié)果表明：合理引入小時滯能增強智能懸臂梁控制系統(tǒng)的控制效果。
　　4、在智能懸臂梁自由振動控制實驗中，傳感器采集的實驗數(shù)據(jù)往往伴隨高頻率的測量噪聲，而濾波器的設(shè)計是基于最速跟蹤微分器的低通特性，實驗證明：最速跟蹤微分器能有效地濾除智能懸臂梁自由振動信號的高頻噪聲。
　　5、最后基于智能懸臂梁自適應(yīng)振動控制的仿真結(jié)果，搭建實驗平臺進行實驗驗證。