智能结构振动主动控制理论及实验研究.pdf

图书分类号:O328
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工学硕士学位论文

智能结构振动主动控制理论及实验研究







硕士研究生: 刘相秋
导师:邹振祝教授
申请学位: 工学硕士
学科、专业: 一般力学与力学基础
所在单位:航天科学与力学系
答辩日期:2006 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:O328
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Dissertation for the Master Degree in Engineering

THRORY AND EXPERIMENT RESEARCH
ON ACTIVE CONTROL OF SMART
STRUCTURES




Candidate: Liu Xiangqiu
Supervisor: Prof. Zou Zhenzhu
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: General Mechanics and
Foundation of Mechanics
Affiliation: Department of Aerospace
Science and Mechanics,
School of Astronautics
Date of Defence: July, 2006
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要

随着航空、微电子机械等高新技术发展的需要,结构向大型化发展,振
动环境也越来越复杂,使用传统的结构动力学设计将会很困难,结构振动控
制已经成为现代工程技术的重大课题之一,对结构的变形和扰动进行抑制的
智能主动控制已受到工程界和理论界的高度重视。在这些结构中,快速操作
或环境温度变化常引起结构形状的改变和振动。为满足结构的高可靠性的需
要,传统的被动控制技术难以满足要求, 迫使人们进一步寻求新的振动控制
途径。振动主动控制是当前振动工程领域内的高新技术, 是动力学、控制、
计算机、测试技术与材料科学等诸多学科的综合。由于它具有效果好、适应
性强等潜在的优越性, 目前已成为国内外振动工程界的研究热点, 并在航空
航天、土木建筑、车辆工程及机械工程等领域得到了初步应用。因此, 开展
振动主动控制方法的研究, 对促进振动主动控制理论的发展和提高工程抗震
技术的水平有着重要的理论意义和实用价值。
由于压电材料具有正压电效应和逆压电效应,既可以作为作动器又可以
作为传感器,它常常粘贴于主体结构的表面或嵌埋入结构内部,以形成压电
主动结构。实践证明,压电主动控制具有高效率控制和自适应性的优点,近
年来引起了人们的极大兴趣。
本文结合有限元方法,研究了压电结构的主动控制,研究内容主要包括
有限元建模、对模型进行有限元分析、主动控制方法、主动控制仿真及实验
等方面。具体的主要研究内容如下:
在压电方程基础上,基于Hamilton原理,由Kirchhoff假定,以结构的中性
面为参考面,采用4节点压电板单元建立了主动结构模型的动力学方程。
基于压电板单元的研究,用商业有限元软件 PATRAN/NASTRAN 对板
结构进行有限元建模和动力学分析。
随后由于主振型具有正交性,对动力学方程采用坐标变换,在满足工
程精度的前提下,采用低阶模态作为向量基,而将高阶模态截断,对其
进行解耦。
针对解耦后的方程和有限元软件分析所得的结果研究了直接负速度反馈
和鲁棒性比较好的基于 LQR(二次线性最优控制)独立模态控制方法,来
控制结构的振动。
- I -
摘要
为了验证上述振动控制方法的有效性,采用 NASTRAN 与 MATLAB 联
合仿真的方法,结合数值算例,得出主动控制前后的响应并做出了曲线。通
过仿真结果可以看出,采用压电结构进行主动控制对振动抑制是有效果的。
最后,为了进一步实验验证本文方法的正确性,采用 MATLAB 的 xPC
实时控制方法,进行了主动板的振动控制实验,并与相应的仿真结果进行了
对比。从对比结果可知实验结果与数值仿真结果是吻合的。此外研究表明本
文的 xPC 实时控制方法对结构振动控制具有方法简单、反应快速的特点,
真正做到了有效的实时控制。

关键词振动主动控制;压电材料;数值仿真;振动控制实验
- II -