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

1、智能結(jié)構(gòu)集主結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器及控制器一體，常應(yīng)用于航天航空、船舶橋梁以及機(jī)械加工生產(chǎn)過(guò)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(dòng)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(dāng)受到外界激勵(lì)干擾時(shí)，其自由振動(dòng)將因阻尼小而衰減的比較慢。這樣的空間結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)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(shí)，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(hào)計(jì)算均要花費(fèi)一定時(shí)間，使控制系統(tǒng)中實(shí)際輸入的控制信號(hào)具有一定的時(shí)滯，這種時(shí)滯由于設(shè)備長(zhǎng)年反復(fù)工作而慢慢變大，這將會(huì)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(shí)滯現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是信號(hào)在傳播過(guò)程需要花費(fèi)一定的時(shí)間，使信號(hào)輸出時(shí)在時(shí)域上滯后于輸入信號(hào)，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(shí)滯現(xiàn)象與遲滯特性相互影響。因此本文通過(guò)建立動(dòng)態(tài)力學(xué)模型對(duì)智能結(jié)構(gòu)遲滯特性和時(shí)滯現(xiàn)象進(jìn)行展開(kāi)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(shí)滯對(duì)智能結(jié)構(gòu)遲滯特性的影響。
　　在智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)滯現(xiàn)象是不可避免地存在著，但時(shí)滯現(xiàn)象并不一定都是不利因素。當(dāng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)滯量過(guò)大時(shí)，這將會(huì)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(dāng)向控制系統(tǒng)引入小時(shí)滯時(shí)，有利于增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效驗(yàn)證，本論文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　　1、壓電驅(qū)動(dòng)器在施加電場(chǎng)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?；趬弘娋€性本構(gòu)方程及Bouc-Wen遲滯模型，描述壓電驅(qū)動(dòng)器外加電場(chǎng)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(duì)智能懸臂梁建立動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)仿真結(jié)果

5、與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：理論非線性動(dòng)力學(xué)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(shí)滯現(xiàn)象與非線性遲滯是不相關(guān)的，但與線性遲滯在遠(yuǎn)離基頻時(shí)是相關(guān)的。通過(guò)分析智能懸臂梁時(shí)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(shí)滯特性與遲滯現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，分析時(shí)滯對(duì)基頻處遲滯特性的影響，并得出結(jié)論：時(shí)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(guò)對(duì)智能懸臂梁時(shí)滯-遲滯模型系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：智能懸臂梁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性受時(shí)滯大小的影響。
　　3、在自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)中，采用ARMAX模型與增廣遞推最小二乘法對(duì)智能懸臂梁的遲滯特性與時(shí)滯現(xiàn)象進(jìn)行在線辨識(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ARMAX模型能實(shí)時(shí)有效地在線辨識(shí)智能懸臂梁的遲滯特性；時(shí)滯對(duì)遲滯特性周期性的影響亦得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于ARMAX模型與增廣遞推最小二乘

7、法的在線辨識(shí)功能，采用最小方差自校正直接調(diào)節(jié)器，對(duì)智能懸臂梁的自由振動(dòng)進(jìn)行控制，仿真結(jié)果表明：合理引入小時(shí)滯能增強(qiáng)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(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中，傳感器采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往伴隨高頻率的測(cè)量噪聲，而濾波器的設(shè)計(jì)是基于最速跟蹤微分器的低通特性，實(shí)驗(yàn)證明：最速跟蹤微分器能有效地濾除智能懸臂梁自由振動(dòng)信號(hào)的高頻噪聲。
　　5、最后基于智能懸臂梁自適應(yīng)振動(dòng)控制的仿真結(jié)果，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。