層合壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制數(shù)值模擬及其優(yōu)化.pdf

1、壓電材料具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能力及其逆效用，常被制作成薄片形狀的致動(dòng)器/傳感器，粘貼在主結(jié)構(gòu)表面或埋置于主結(jié)構(gòu)內(nèi)部，構(gòu)成具有自檢測(cè)、自診斷、自修復(fù)及自適應(yīng)等功能的層合壓電智能結(jié)構(gòu)。層合壓電智能結(jié)構(gòu)在航空航天、機(jī)械和土木工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，極大的推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柔性層合智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究熱情。層合壓電智能結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有不連續(xù)密度分布、不連續(xù)材料性質(zhì)、機(jī)電耦合的動(dòng)力系統(tǒng)。因此，精確而有效的分析壓電材料的力電耦合

2、行為，探索力學(xué)場(chǎng)，電場(chǎng)的耦合作用；兼顧求解計(jì)算效率，建立能準(zhǔn)確描述層合壓電智能結(jié)構(gòu)在干擾荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析模型；揭示致動(dòng)器/傳感器分布位置、幾何尺寸和復(fù)合材料層間鋪設(shè)角度對(duì)層合智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響；分析控制器參數(shù)、結(jié)構(gòu)配置對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)和性能的影響，移動(dòng)荷載作用下智能結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制；研究智能結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的理論和算法，提高智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性；壓電致動(dòng)器/傳感器位置優(yōu)化的程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)層合壓電智能結(jié)構(gòu)多階目標(biāo)模態(tài)振動(dòng)控制等

3、，這些都是亟待解決的問(wèn)題。
　　 論文從Hamilton原理和壓電材料的力-電耦合本構(gòu)方程出發(fā)，建立了線彈性壓電體的動(dòng)力有限元狀態(tài)空間方程，基于ANSYS/APDL參數(shù)化語(yǔ)言編制了能夠準(zhǔn)確描述層合壓電智能結(jié)構(gòu)力-電耦合場(chǎng)的有限元數(shù)值模型。揭示了智能懸臂梁自振頻率及陣型隨致動(dòng)器/傳感器位置、尺寸、復(fù)合層合角度改變的變化規(guī)律。深入研究了壓電致動(dòng)器/傳感器位置、數(shù)量及控制器參數(shù)對(duì)PID閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響，引入先進(jìn)的積分分離、變速積

4、分、不完全微分PID控制有效解決了經(jīng)典PID控制器參數(shù)選擇不當(dāng)造成的系統(tǒng)發(fā)散失穩(wěn)等現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，擴(kuò)大了控制器參數(shù)選擇范圍。分析了移動(dòng)荷載作用下層合壓電智能梁系統(tǒng)不同振動(dòng)階段控制器參數(shù)、荷載移動(dòng)速度對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。
　　 提出了一種根據(jù)系統(tǒng)輸出誤差實(shí)時(shí)調(diào)整修正反饋增益的自學(xué)習(xí)控制（SLC）算法。將模糊邏輯和迭代學(xué)習(xí)控制的基本思想相結(jié)合，提出了以系統(tǒng)輸出誤差及其變化量作為模糊控制器的輸入，以迭代學(xué)習(xí)增益作為模糊控制

5、器的輸出，采用模糊控制實(shí)時(shí)確定迭代學(xué)習(xí)增益的模糊自學(xué)習(xí)控制（FSLC）方法，提高了自學(xué)習(xí)控制的收斂速度。建立了上下表面對(duì)稱粘貼有三對(duì)壓電致動(dòng)器/傳感器壓電智能懸臂板動(dòng)力分析有限元模型，通過(guò)仿真試驗(yàn)，證明了SLC和FSLC均能有效地控制了閉環(huán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明FSLC控制效果比SLC控制效果更好，為智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理論算法和迭代學(xué)習(xí)控制增益的確定增加了新的思路?；诰€性二次型最優(yōu)控制與迭代學(xué)習(xí)控制相結(jié)合的思想，研究線性二次型迭代學(xué)習(xí)混

6、合控制方法，加快了迭代學(xué)習(xí)控制的收斂速度?；贛ATLAB軟件建立了多點(diǎn)致動(dòng)一維層合壓電懸臂梁動(dòng)力分析的有限元數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了層合智能梁的經(jīng)典最優(yōu)控制和線性二次型最優(yōu)迭代學(xué)習(xí)混合控制，證明了線性二次型最優(yōu)迭代學(xué)習(xí)混合控制方法能夠有效控制層合壓電智能結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，并且控制效果得到了一定的改進(jìn)。
　　 以離散分布?jí)弘娭聞?dòng)器/傳感器的位置參數(shù)為優(yōu)化變量，壓電智能結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)阻尼比為目標(biāo)函數(shù)，提出了層合壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制及壓電致動(dòng)器

7、/傳感器位置優(yōu)化的遺傳算法程序。通過(guò)有限元數(shù)值模擬，研究了懸臂板自由端在瞬時(shí)荷載和簡(jiǎn)諧荷載作用下振動(dòng)控制問(wèn)題，數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了壓電致動(dòng)器/傳感器位置優(yōu)化程序的正確性，說(shuō)明采用遺傳算法搜索壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中壓電致動(dòng)器/傳感器的最優(yōu)位置是十分有效的，并具有較高的計(jì)算效率。
　　 基于數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的方法，研究了復(fù)合層合壓電梁比例反饋控制系統(tǒng)中，比例反饋增益、層間鋪設(shè)方式對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響?；趶?fù)合層合板模態(tài)應(yīng)變能分布大小，