冯飞[1]2005年在《压电驱动的发动机自适应叶片振动主动控制研究》文中指出本文对应用于飞机发动机的基于压电智能结构的自适应叶片振动主动控制技术进行了系统的理论分析和实验研究。以一套模拟该叶片的环氧树脂悬臂板(平板叶片)为研究对象,利用压电智能结构,采用全新的灰色预测控制算法GFC,对平板叶片存在的弯曲模态和扭转模态振动进行单频主动控制。首先研究了压电材料的基本特性,介绍了最常用的压电传感器和驱动器。其次讨论了传感器和驱动器优化布置的D优化准则,优化了压电自适应结构中传感器和驱动器的布置方案,运用ANSYS对自适应风扇叶片进行模态分析,从而确定了传感器/驱动器的优化布置方案。接着介绍了灰色系统理论及其基本原理,提出了灰色预测控制算法GFC,并编写了该算法的控制程序gfc.c。然后对模拟自适应风扇叶片的平板叶片,运用理论计算和实验测量两种方法确定了该叶片的模态参数,由此确定了合理的压电传感器和驱动器布置方案。最后建立了基于计算机的振动控制实验系统,运用灰色预测控制算法GFC,对分布有压电传感器和驱动器的平板叶片前两阶弯曲和前两阶扭转模态进行了单频控制,并对实验效果进行了分析。除此之外,还将GFC和自适应滤波算法FX-LMS进行了理论比较和实验比较。
徐红钦[2]2003年在《压电驱动的自适应结构研究》文中进行了进一步梳理压电自适应结构是利用压电材料的性能，使结构具有承载、传感和驱动能力，在航空航天等领域有着重要的应用前景。本文分析讨论了压电元件的力学、电学性能并进行了压电元件的选取；介绍了压电驱动结构的力学模型，重新推导了单一表面粘贴的均匀应变模型的方程，建立了压电驱动的复合材料结构有限元模型和分析方法，进行了压电材料的有限元公式推导，并将有限元方法发展用于分析压电驱动板结构的变形规律，利用ANSYS软件得到了结构的变形图和最大挠度。本文给出了碳纤维复合材料板和壳试验件制作工艺方案；在进行了模具的设计与制作、树脂选取后，采用二维编织技术，利用RTM工艺完成了试验件的制作。
许燕飞[3]2015年在《旋转柔性铰接梁建模及振动主动控制研究》文中指出现代航天器通常安装有大跨度太阳能帆板和巨型天线等柔性构件,转动调姿、交会对接或者受到外部扰动时,都会容易引起柔性结构的振动。这种振动尤其是低阶的小幅值振动在太空环境中会持续很长时间,如果不对其进行主动抑制,将会影响系统的稳定性和指向定位精度,甚至造成灾难性的损失。针对旋转机械臂等刚柔耦合系统的振动问题,设计了一种带谐波齿轮减速器的旋转柔性铰接梁系统,以此为研究对象进行了动力学建模和振动控制实验研究。首先,建立了系统的动力学模型。采用混合坐标法建立惯性坐标系和浮动坐标系,结合柔性铰接梁的有限元离散化分析,利用Hamilton原理推导出旋转柔性铰接梁的零次近似动力学模型。当电机停止转动时,柔性铰接梁近似悬臂条件,采用矩形薄板单元对悬臂条件下的柔性铰接梁结构进行有限元建模,并转化成标准状态空间方程和离散化形式。由建模得到的状态空间方程对柔性铰接梁进行模态分析,并与采用ANSYS软件的模态分析进行对比。利用建立的模型,采用一种基于奇异值分解(SVD)方法进行压电传感器/驱动器的位置优化配置。其次,针对旋转柔性铰接梁系统中谐波齿轮传动引起的滞后、非线性及谐振等现象,分别设计了快速终端滑模、模糊快速终端滑模和自适应RBF模糊神经网络学习控制叁种非线性控制算法。针对滑模控制研究了消除抖振的方法,并进行了算法的理论分析和闭环控制稳定性分析。最后,建立了基于电机和压电驱动控制柔性铰接梁振动的实验平台,进行了设定点和转动过程中的振动主动控制实验研究。实验结果表明,PD控制算法可以有效地抑制旋转柔性铰接梁的大幅值振动,但对于小幅值振动的控制效果较差,而设计的叁种非线性控制算法可以迅速将振动抑制到零,快速终端滑模、模糊终端滑模控制算法保证控制效果的前提下有效地消除了抖振,自适应RBF模糊神经网络在线学习功能提高了控制器的抗干扰能力和鲁棒性。此外,设计了恒流源驱动电路,并应用于形状记忆合金丝的驱动实验研究。
杨华峰[4]2008年在《用于提高自适应光学系统空间校正能力的组合变形镜波前校正技术研究》文中研究说明自适应光学技术通过实时校正大气湍流等引起的波前动态误差,使光学系统可以适应外界环境的变化,始终保持最佳工作状态。波前校正器是自适应光学系统中的核心部件,如何提高波前校正器的空间校正能力是自适应光学理论和实验研究的重要内容之一。本文提出了利用光学共轭关系构造成组合变形镜实现波前校正的技术,可以在现有变形镜器件的基础上,使多个少驱动单元变形镜组合成一个等效的多驱动单元变形镜,从而有效的提高自适应光学系统的空间校正能力。论文围绕变形镜的空间特性,以连续表面分立压电驱动变形镜为对象,对组合变形镜波前校正技术的原理、特点和空间校正能力等进行了系统的理论和实验研究。首先,系统的研究了连续表面分立压电驱动变形镜的空间特性。分析了变形镜面形的求解方法,指出利用高斯型影响函数独立加权迭加方法描述面形存在一定的近似性。研究了变形镜结构参数和空间拟合能力的关系,结果表明:增加驱动器密度、选择适当的高斯指数和交连值,有利于提高变形镜的空间校正能力。进一步,应用空间滤波器模型研究了变形镜对畸变波前的校正过程,从空间频域验证了变形镜特性和波前校正能力的关系。此外,论文尝试使用随机并行梯度下降(SPGD)优化算法求解针对特定像差的变形镜驱动器的优化排布方式,获得了有规律的图形,结果说明:适当增加有效孔径边缘的驱动器数量有利于变形镜空间校正能力的提高。其次,提出了组合变形镜的系统结构,利用光学共轭关系可以将两个正方形排列或叁个叁角形排列的变形镜构成一个组合变形镜进行波前校正,甚至可以实现将不同种类的变形镜进行组合。分析了组合变形镜波前校正的原理,给出了以连续表面分立压电驱动变形镜构成的组合变形镜的整体面形表达式。仿真计算证明组合变形镜可以等效为一个单一变形镜,由于有效的增加了驱动单元数和交连值,因此可以明显的提高系统的空间校正能力。进一步,分析了应用组合变形镜进行波前校正时引入的轴向和横向匹配误差对空间校正能力的影响。一方面,通过几何光学和物理光学计算,说明理想4F系统可以实现波前再现,同时也看到小像差畸变波前在大菲涅尔数情况下自由传播的变化很小,因此实验室条件下使用组合变形镜时可以省去4F系统连接。另一方面,通过仿真计算表明:闭环情况下组合变形镜校正能力对各镜之间横向空间匹配误差并不敏感,这将有利于系统的实现。此外,分析和总结了各类多变形镜自适应光学系统中波前校正器的控制解耦方式,指出组合变形镜可以直接应用单变形镜的方法来控制,并具体分析了配合哈特曼波前传感器使用直接斜率法的控制方法。最后讨论了组合变形镜的应用前景。在实验验证方面,首先使用平面干涉仪验证了组合变形镜波前校正的原理,生成了指定的像差面形,然后搭建了应用组合变形镜的完整的自适应光学系统,实现了系统的闭环校正。对静态像差的良好校正结果从实验上证明了组合变形镜波前校正技术在提高系统空间校正能力方面的可行性和优越性。通过简单的方法,组合变形镜可以在现有器件上实现变形镜驱动单元密度的增加和排布方式的改变,从而提高自适应光学系统的校正能力。本文的研究结果将为变形镜的设计和组合变形镜系统的实际应用提供一定的理论参考和工程应用经验。
刘强[5]2009年在《叁维振动主动隔离智能结构中的若干关键技术研究》文中指出本论文结合智能材料与结构技术,对叁维隔振系统中涉及到的若干关键技术进行了研究,主要包括新型驱动器的开发、振动主动控制中的模型辨识、广义前馈自适应控制算法、控制算法中的解耦策略等关键技术。最后,在采用压电智能结构的隔振平台上进行了叁个方向的振动隔离试验。内容如下:首先针对单一驱动器频响范围较窄的缺点,采用金属压电圆环结构,弥补电磁驱动器高频响应差的缺陷,设计一种新型的电磁驱动结构,弥补压电驱动器低频段驱动位移小的缺点,从而形成一种驱动位移和响应频率都得到扩展的复合式驱动器。通过理论分析和有限元仿真,给出了复合式驱动器的阻抗特性、电磁力与电流及永磁体位置叁者间的关系,指出了磁路中磁隙宽度、线圈间隙对驱动力的影响。根据模型分析,给出了金属压电圆环结构的驱动力、变形与结构参数间的数学关系式。最后对所研制的驱动器进行了频响测试。在工程实际中,由于结构的复杂性,制造误差和测量数据的不精确等诸多因素的综合作用将给振动系统的模型辨识带来较大的影响,为此利用灰色理论中的累加求和思想,并根据采样数据的新旧程度进行加权乘积,提出了一种用于振动控制的灰色模型辨识算法。自适应前馈控制算法在振动主动控制领域有着广泛应用,本文利用被控对象的极点构造正交基函数,提出了一种广义前馈自适应控制算法。该算法很好地融合了常用的FIR和IIR两种结构的优点,有效地弥补了两种结构各自的不足。FIR结构的算法没有输出反馈,具有较好的稳定性,但是一旦系统的响应特性变得复杂,算法需要很长的权系数矢量才能逼近被控对象的动态响应特性,进而增加计算负担并使收敛过程放慢。与此相反,IIR结构的算法通过输出反馈引入系统极点,只需较短的权系数矢量就可满足要求,但是算法自身稳定性却得不到保障。叁维隔振系统采用的是多输入多输出控制算法,如果结构自身不具备解耦条件,那么算法就必须考虑解耦。文中针对次级通道耦合和参考信号与驱动输出信号耦合问题进行了讨论,给出了对应的解耦策略,成功实现了垂直尾翼的减振控制,单频激励下控制后振动响应的功率谱下降了35dB。最后对叁轴向压电隔振平台进行了实验,结果表明本文所提出的算法是有效的。相比常规的FXLMS算法,对于限带噪声激励下振动响应的控制具有更好的效果和稳定性。
丁盛虎[6]2009年在《快速刀具伺服装置跟踪控制的研究》文中研究说明基于快速刀具伺服的金刚石车削被工程界和学术界认为是加工非回转对称光学曲面最有前途的一种加工方法。其关键技术之一就是设计性能优越的快速刀具伺服系统并设计相应的行之有效的高性能控制方法。本文介绍了国内外快速刀具伺服系统最新进展和发展趋势,总结了目前国内外快速刀具伺服装置的主要驱动方式和控制方法。针对本课题所设计的多频段快速刀具伺服装置,分别对基于音圈电机驱动的大行程、低频段快速刀具伺服装置和基于压电驱动的小行程、高频段快速刀具伺服装置进行机电耦合建模分析。分别讨论了自适应前馈误差抵消重复控制和零相位误差跟踪控制两种控制的原理及其设计方法。针对已辨识的被控系统传递函数,分别采用自适应前馈误差抵消重复控制、零相位误差跟踪控制以及基于这两种方法的综合控制方法,对采用以上叁种控制方法的控制系统分别进行仿真分析,比较其优缺点并选择最优的控制方法。将采用所选的自适应前馈误差抵消重复控制+零相位误差跟踪控制的综合控制方法仿真得到的跟踪控制结果与相关领域其他作者所采用的控制方法进行对比,分析本文方法与前人所用方法的各自优缺点。分析总结本文的成果及不足,提出未来进一步的研究重点及方向。
袁华[7]2005年在《智能压电柔性板多输入多输出振动主动控制研究》文中指出研究背景为空间挠性结构的智能自主控制。主要针对航天柔性结构中常见的悬臂外伸二维薄板结构的振动主动控制展开研究,以一套模拟卫星太阳能帆板的环氧树脂柔性悬臂板系统为研究对象,利用压电智能结构对柔性板存在的弯曲模态和扭转模态二维耦合振动进行主动控制,并进行了相关的理论和实验研究。首先分析了压电材料的基本特性,给出了一维和二维传感和驱动方程。指出D优化方法和模态力准则的共同本质是将传感器和驱动器布置在模态应变最大的地方,可以直接从寻找结构模态应变最大处入手进行压电片位置优化。在分析柔性板模态振型特点的基础上,通过适当的压电片布置实现了柔性板弯曲模态和扭转模态相互独立的传感和控制通道。利用特征建模的思想克服了柔性结构难以精确建模的困难,设计了简单有效、便于工程实现的基于柔性板特征模型的自适应控制律。采用上述研究结果建立了基于计算机的多输入多输出柔性板二维振动主动控制实验系统。实验结果表明所设计的系统不仅可以很好的控制柔性板单个模态的振动,对于弯/扭二维耦合振动亦有较好的控制效果,证明了压电传感器和驱动器布置的合理性以及所用控制方法的有效性。
沈晓晨[8]2011年在《自适应弹药压电陶瓷驱动器技术研究》文中研究说明为了适应战争需求,以微电子技术为代表的高新技术逐渐渗透和应用于军事领域,出现了许多新型弹药,自适应弹药就是其中一种。此类弹药通过光、机、电、材料等高新技术,采取简易制导或弹道自适应方式,在外弹道某段上能自身搜索、识别目标,直至命中和毁伤目标。在所有涉及自适应机构和有源振动控制的元件中,压电陶瓷驱动器因其具有良好的性能而备受关注,这些都为自适应弹药的研制奠定了一定的技术基础。基于以上,本文提出了一种适用于自适应弹药机构的压电陶瓷控制系统设计方案。首先,叙述了压电陶瓷驱动器的基本理论。介绍了压电陶瓷驱动器的压电效应及压电方程,阐述了迭堆型驱动器的工作原理,总结了影响驱动器性能的几个主要因素并提出了补偿方法和驱动器控制系统的设计要求。其次,采用ANSYS有限元软件对压电陶瓷机电耦合系统建立有限元模型,进行了瞬态动力学分析和模态特性分析。得出其位移、应力分布和固有频率,可为弹头偏转驱动机构的进一步研究提供有效地参考。最后,针对压电陶瓷驱动器在自适应弹药上的应用,提出了一种以高压运放PA85为核心的高精度动态压电驱动控制系统设计方案(包括硬件电路和软件设计)。通过单片机产生驱动信号,经过串联负反馈放大电路放大后直接加载到压电陶瓷片上,保证其可以在不同的频率和电压下工作。利用Multisim10.0软件对驱动电源的性能进行了测试仿真分析,验证了所设计压电陶瓷驱动电源不仅具有良好的稳定输出,而且还具有较好的动态响应特性,为其走向实用化奠定了基础。
李宏[9]2012年在《新型压电微驱动器在光学微机电系统中的应用研究》文中提出随着MEMS(微机电系统)技术的高速发展,MEMS器件对驱动器材料的结构和性能有着越来越高的要求。MEMS压电驱动器由于体积小、速度快、能量密度高等优点在光学微机电系统领域已经越来越受到重视。所以,对MEMS压电驱动器的优化设计以及应用研究对MEMS的发展具有重要的实际意义。本课题主要通过优化压电驱动器的几何结构以增强其驱动品质。提出了计算优化结构的弯曲刚度及驱动力的解析方法；采用有限元模拟方法,验证了该解析方法的有效性及优化结构的优良特性。此外,采用新型PMN-PT(铌镁酸铅-钛酸铅)单晶巨压电材料于优化结构中,进一步增强了其工作性能。主要研究工作包括以下几个方面：(1)设计出“力学聚焦型”及“弯曲-力学聚焦型”悬臂梁式压电驱动器,采用欧拉-伯努利理论,分别推导出计算聚焦结构和弯曲-聚焦结构的弯曲弹性系数解析公式。其中用于计算单层聚焦结构及单层弯曲聚焦结构的弯曲弹性系数公式同样可以用于计算其它类似结构。通过解析计算方法和有限元方法,比较了两种驱动结构的特点。研究表明,在相同驱动器尺寸及相同外加电压条件下,弯曲聚焦型驱动器与聚焦结构相比,在牺牲了一定驱动力情况下产生了更高的位移。通过有限元分析方法,证明了计算弯曲弹性系数方法的有效性以及优化结构的驱动特性。(2)为了进一步改进驱动器性能,采用新型PMN-PT单晶压电材料用于所设计驱动器中,并与PZT(锆钛酸铅)驱动器作了比较。研究表明,在具有同样几何结构和大小的前提下,PMN-PT驱动器位移高于后者数倍,驱动力也明显提高,表现出更好的驱动性能。(3)作为所设计驱动器在光学微机电系统中的应用,研究了具有力学聚焦机制的单层压电片驱动器用于自适应光学系统(简称AO, Adaptive Optics)微变形镜的可行性。分析了微变形镜的位移迁移率。证明了聚焦型驱动器与简单悬臂梁驱动器相比具有更高的驱动效率(4)设计出采用PMN-PT弯曲-力学聚焦型驱动器的层状光栅干涉仪。在2mm×2mm尺寸下,设计了干涉仪的具体结构参数；研究了在该驱动器驱动下层状光栅干涉仪的分辨率。通过有限元仿真,证明了所设计层状光栅干涉仪具有结构紧凑,分辨率高的特点。
谢煜[10]2017年在《Lie群在压电驱动定位系统动力学分析中的应用研究》文中研究表明近年来,随着纳米科学与技术的飞速发展,基于压电陶瓷驱动的定位系统逐渐成为精密制造和精密测量等装备中实现微动操作的核心部件,是智能结构的一个重要的研究方向。迟滞非线性是造成压电驱动定位系统定位精度下降、限制其在高精密定位领域中的应用重要因素之一。由于迟滞、耗散等非保守力的存在,工程中对压电驱动定位系统一般采用数值求解,但是在有大量计算需求和实时控制的场合,当前工程中主流的求解压电驱动定位系统含迟滞非线性动力学方程的数值方法的计算速度并不理想。本论文以压电驱动定位系统为研究对象,建立适当的能够描述压电陶瓷驱动定位系统迟滞的动力学模型,并将Lie群方法引入到定位系统的分析中,建立压电驱动定位系统的对称性一般理论,通过研究压电驱动定位系统的特殊情形的对称性和系统存在的守恒量,给出可以满足工程应用需要的压电驱动定位系统新的Noether对称性数值解法,并将得到结果应用于压电驱动定位系统的输出位移的仿真计算、系统模型的参数辨识和补偿系统迟滞非线性效应的控制器设计中。本文的主要研究内容如下:给出了一种压电驱动定位系统改进的机电耦合模型,并建立系统的动力学方程。从压电陶瓷作动器的木构关系入手导出了经典模型,再结合压电驱动定位系统其它组件的特点,给出了一种改进的机电耦合模型。系统研究采用能量的方法,给出了系统总的机电耦合能量,并由此得到了系统的Lagrange函数,从而建立了系统的动力学方程。分别采用Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型和Duhem模型描述系统的迟滞非线性环节。研究压电驱动定位系统的Noether对称性和Lie对称性,并求解了特殊情形下系统的对称性。以轴向运动的压电驱动定位系统为研究对象,引入时间、位移和电荷坐标的无限小群变换,根据压电驱动定位系统Hamilton作用量的不变性,给出系统的广义Noether等式、广义Killing方程和广义Noether定理。为了便于压电驱动定位系统Noether对称性的求解,提出了压电驱动定位系统特殊情形的Noether对称性的概念,并求得了此时系统的Noether对称性的生成元和规范函数,并给出了相应的系统存在的守恒量。这种做法解决了采用传统方法时广义Noether等式或者广义Killing方程求解困难的问题。强于压电驱动定位系统运动微分方程在无限小变换下的不变性,给出了系统Lie对称的确定方程、结构方程和Lie定理,并求得了压电驱动定位特殊情形下的Lie对称性生成元。提出了一种压电驱动定位系统含迟滞非线性动力学方程的新的Noether对称性数值解法。利用已经得到的特殊情形下的守恒量,给出系统在采样时间间隔内的对称性解。采用Prandtl-Ishlinskii模型和Duhem模型来描述迟滞非线性,设计了快速求解算法从而给出了计算压电驱动定位系统的含迟滞非线性动力学方程新的Noether对称性数值解法。给出了新的Noether对称性数值解法与几种主流数值方法的计算结果及实验测量结果的对比,从而验证了新的Noether对称性解法有效性。更为重要的是,通过进一步实验研究显示新的Noether对称性数值解法不仅具有较高精度,而且相比目前工程中常用的数值算法在计算速度上有了极大地提高,在有大量计算需求和实时控制的场合更具有优势。给出了基于改进PSO算法的压电驱动定位系统含迟滞非线性动力学模型参数辨识方法。在经典的PSO算法基础上,通过引入自适应的惯性权重和加速系数,加入自适应变异模块和个体目标函数计算中采用新的Noether对称性数值解法等叁个方面的改进,在MATLAB环境下开发了改进的PSO算法程序,并用于压电驱动定位系统含迟滞非线性动力学模型的参数辨识实验中。从辨识的结果可以看出改进的PSO算法具有较快的收敛速度和史短的运行时间。而且利用辨识后的参数,计算出模型的仿真结果和实验测量的结果之间的误差较小。这些结果都说明了改进的PSO方法的有效性。将Lie群应用于压电驱动定位系统得到的几个研究结果,用于抑制系统迟滞非线性效应控制器的设计中。把含Duhem迟滞非线性动力学模型作为系统的仿真器,系统的位移输出采用新Noether对称性数值解法进行计算。以实际的压电式Z轴柔性物镜扫描定位系统为研究对象,采用基于迟滞逆模型的补偿控制方法,设计基于Duhem迟滞非线性动力学模型的同时具有前馈补偿和反馈环节的控制器,其中前馈补偿基于逆Duhem迟滞非线性动力学模型实现,而反馈控制采用比例-积分-微分(PID)控制,从而可以实现物镜扫描定位系统的精密定位控制。给出了基于改进的PSO算法PID控制器参数整定方法,并得到了最优的PID控制器参数。最后对设计的控制器进行了仿真实验测试。
参考文献：
[1]. 压电驱动的发动机自适应叶片振动主动控制研究[D]. 冯飞. 南京航空航天大学. 2005
[2]. 压电驱动的自适应结构研究[D]. 徐红钦. 南京航空航天大学. 2003
[3]. 旋转柔性铰接梁建模及振动主动控制研究[D]. 许燕飞. 华南理工大学. 2015
[4]. 用于提高自适应光学系统空间校正能力的组合变形镜波前校正技术研究[D]. 杨华峰. 国防科学技术大学. 2008
[5]. 叁维振动主动隔离智能结构中的若干关键技术研究[D]. 刘强. 南京航空航天大学. 2009
[6]. 快速刀具伺服装置跟踪控制的研究[D]. 丁盛虎. 吉林大学. 2009
[7]. 智能压电柔性板多输入多输出振动主动控制研究[D]. 袁华. 南京航空航天大学. 2005
[8]. 自适应弹药压电陶瓷驱动器技术研究[D]. 沈晓晨. 中北大学. 2011
[9]. 新型压电微驱动器在光学微机电系统中的应用研究[D]. 李宏. 四川师范大学. 2012
[10]. Lie群在压电驱动定位系统动力学分析中的应用研究[D]. 谢煜. 浙江理工大学. 2017
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