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![壓電智能結構系統(tǒng)閉環(huán)振動控制的數值仿真方法研究.pdf_第1頁](https://static.zsdocx.com/FlexPaper/FileRoot/2019-3/14/18/8e03e5e4-ee84-4e8f-9c0a-41001909c1d0/8e03e5e4-ee84-4e8f-9c0a-41001909c1d01.gif)
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文檔簡介
1、將壓電材料層合于彈性薄殼表面并進行多模態(tài)閉環(huán)振動控制的智能結構系統(tǒng)已經成為航空航天領域的重要發(fā)展方向。盡管近年來國內外針對于若干種幾何形狀較為規(guī)則的板殼結構,對其壓電傳感與模態(tài)控制的相關結構電子學問題開展了大量的理論研究工作,但是當遇到曲面函數較為復雜甚至無法統(tǒng)一描述的薄殼結構,普通的動力學理論分析往往束手無策,需要建立仿真模型來輔助分析系統(tǒng)的受控特性。傳統(tǒng)的模態(tài)解析法受到諸多條件制約,必須已知模態(tài)固有頻率及模態(tài)振型函數,并且只能對獨立
2、模態(tài)的振動控制問題進行實時仿真,不能反映實際情況。而各種數值仿真方法雖然能分析結構的多模態(tài)振動特性,但由于壓電傳感信號和控制力、力矩的產生機理過于復雜,無法對復雜結構系統(tǒng)實現完全閉環(huán)控制仿真。本課題針對工程中連續(xù)曲面薄殼的形狀、壓電傳感/作動器的構型和分布方式、以及施加的控制策略都具有任意多樣性的特點,提出一種基于有限差分離散化的多模態(tài)通用智能元仿真方法。對動力學方程的離散化處理及智能元矩陣模型的多模態(tài)特性分析、動力學響應下智能元仿真系
3、統(tǒng)的設計及閉環(huán)振動控制分析、仿真系統(tǒng)與實際物理實驗模型之間的仿真精度及有效性等方面開展研究,為壓電智能結構系統(tǒng)在機電自動化領域更深入應用提供理論和技術支持。
為了能夠實現壓電智能結構系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的離散化仿真,本文針對提出的智能元概念,首先以壓電熱彈性板殼理論下的應變與變形分量之間的關系作為出發(fā)點;提出基于任意形狀連續(xù)曲面薄殼的逆時針發(fā)散式節(jié)點劃分法;將系統(tǒng)動力學偏微分方程利用有限差法擬合出離散化節(jié)點的動力學常微分方程;將壓電傳
4、感信號按照各節(jié)點有效子區(qū)域的分布進行差分近似解析,并結合壓電作動器產生的節(jié)點分布控制力、力矩提出了智能元節(jié)點動力學差分方程。
針對未知曲面函數的連續(xù)薄殼結構,通過規(guī)劃樣條曲線擬合函數來設計節(jié)點彎曲特征參數算法;建立含有控制效應矩陣的智能元矩陣模型,分析模型的模態(tài)特性;引入三種振動簡化理論從而降低模型復雜度并探討各自適用范圍;分析不同結構算例的矩陣模型在非受控時的模態(tài)固有頻率和模態(tài)振型,特別對不同彎曲程度的壓電拋物殼在各種簡化理
5、論下分別探討,并將模態(tài)解析結果與理論值及經典的有限元法結果進行對比。
為了得到結構在任意激勵條件下包含全部模態(tài)的動態(tài)響應信號,對智能元仿真系統(tǒng)進行任務及功能劃分,確定軟件系統(tǒng)結構并完成各程序模塊的編譯與調試;考慮智能元矩陣模型具有非對稱正定性的特點,改進了Newmark-β時間數值積分算法;分析未受壓電控制效應作用時,系統(tǒng)在不同的激勵方式、節(jié)點位置、積分時間步長以及離散化分段密度情況下的動力學仿真性能;通過不同隨機激勵信號下的
6、不同節(jié)點振動響應波形的耦合模態(tài)仿真結果與矩陣模型模態(tài)解析值進行比較。
根據智能結構閉環(huán)控制系統(tǒng)的多樣復雜特性,以不同算例的形式在結構本體涉及一維至三維的薄壁彈性板殼中,分別深入研究傳感器構型為經典的完全布置、基于模態(tài)振型的成型式分布及遵循曲面坐標規(guī)律的分段式貼片等類型下的智能元傳感信號矩陣,以及由普通的位移、速度反饋到更高級的反饋控制策略產生的控制效應矩陣作用下的仿真系統(tǒng)閉環(huán)控制動態(tài)響應特性;在仿真結果與模態(tài)控制理論的比較達到
7、設計期望的基礎上,提出將曲面空間有限差分離散與 LQR狀態(tài)反饋控制相結合,尋找壓電傳感/作動器最優(yōu)分布區(qū)域的方法,并解析最優(yōu)狀態(tài)反饋增益矩陣。
以自由邊界的淺拋物薄殼上層合布置分布式壓電傳感與作動器為仿真對象,搭建了壓電層合淺拋物殼閉環(huán)振動控制的物理實驗平臺,在完成相關材料制備、信號調理電路與數據采集、分析及控制軟件系統(tǒng)設計后,計算各環(huán)節(jié)傳遞函數,確定仿真系統(tǒng)參數;對淺拋物殼壓電智能結構實驗模型針對前二階模態(tài)進行LQR狀態(tài)反饋
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