基于壓電致動器的柔性構(gòu)件振動主動控制技術(shù)研究.pdf

1、對柔性構(gòu)件的振動主動控制問題，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目，針對一類空間柔性桿系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動及一類兩連桿柔性構(gòu)件系統(tǒng)中的柔性梁、柔性桿之間的彎曲-扭轉(zhuǎn)耦合振動進(jìn)行系統(tǒng)、深入的理論與實驗研究。 第一章概述了課題研究的背景與意義。從柔性構(gòu)件的系統(tǒng)建模、典型柔性構(gòu)件的研究、智能材料的應(yīng)用、致動器/傳感器的優(yōu)化配置、振動控制中的常用控制算法方面，綜述了柔性構(gòu)件主動控制的研究現(xiàn)狀。最后闡述了本文的主要研究內(nèi)容。 第二章闡述了壓電材料的

2、壓電方程及壓電應(yīng)用。設(shè)計了一種采用軸向極化方式的壓電扭轉(zhuǎn)致動器，導(dǎo)出了此致動器的輸出扭矩，分析了其諧振頻率，探討了此類致動器的制作加工工藝。分析了電阻應(yīng)變片測量扭轉(zhuǎn)振動的基本原理，推導(dǎo)了其扭轉(zhuǎn)角與電橋輸出電壓之間的關(guān)系。 第三章簡要分析了柔性桿的扭轉(zhuǎn)振動。提出一種由柔性桿、壓電扭轉(zhuǎn)致動器、電阻應(yīng)變片傳感器所組成的空間柔性桿件系統(tǒng)。針對該柔性桿系統(tǒng)中壓電致動器/傳感器的位置優(yōu)化配置問題，推導(dǎo)了系統(tǒng)的動力學(xué)方程，建立了系統(tǒng)的狀態(tài)空間

3、表達(dá)式。提出一種基于最小輸入能量、最大能量傳遞、Grammian矩陣最小奇異值最大化的復(fù)合優(yōu)化配置算法，運用遺傳算法對壓電扭轉(zhuǎn)致動器/傳感器的布局位置進(jìn)行了優(yōu)化。最后，進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化仿真研究，確定了致動器/傳感器的最優(yōu)配置位置，并與其它位置作了比較研究。 第四章基于線性二次型最優(yōu)控制基本理論，研究了線性二次型最優(yōu)控制理論中的加權(quán)矩陣Q的選擇策略，提出一種基于遺傳算法并具有約束條件的加權(quán)矩陣選擇方法。以第三章所建立的系統(tǒng)為例進(jìn)行了

4、優(yōu)化仿真研究，表明所提出的加權(quán)矩陣選擇策略是有效的、可行的。同時也作了致動器/傳感器在不同位置的控制研究，驗證了相關(guān)優(yōu)化理論的正確性。 第五章構(gòu)建了一種由柔性梁與柔性桿所組成的具有彎扭耦合特性的空間兩連桿柔性構(gòu)件系統(tǒng)，將兩種不同極化方式的壓電致動器應(yīng)用于此柔性構(gòu)件系統(tǒng)的彎扭耦合振動主動控制。運用拉格朗日方程和假設(shè)模態(tài)法推導(dǎo)了此柔性系統(tǒng)的動力學(xué)方程。在柔性桿上粘貼壓電扭轉(zhuǎn)致動器抑制柔性桿的扭轉(zhuǎn)振動，在柔性梁上粘貼壓電彎曲致動器抑制

5、柔性梁的彎曲振動。提出了兩種控制策略，第一種是基于Lyapunov穩(wěn)定性的速度反饋控制策略，第二種是帶有飽和環(huán)節(jié)及低通濾波器的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，對提出的兩種控制策略，分別進(jìn)行了主動控制數(shù)值仿真研究，并作了對比分析。 第六章構(gòu)建了基于工業(yè)PC機(jī)為核心的柔性構(gòu)件實驗系統(tǒng)，對實驗系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了闡述，分別進(jìn)行了柔性桿系統(tǒng)及兩連桿柔性構(gòu)件系統(tǒng)的主動控制實驗研究。實驗結(jié)果驗證了相關(guān)位置優(yōu)化理論及控制理論應(yīng)用的正確性。 第七章