層合壓電智能結構振動主動控制數值模擬及其優(yōu)化.pdf

1、壓電材料具有將機械能轉化為電能的能力及其逆效用，常被制作成薄片形狀的致動器/傳感器，粘貼在主結構表面或埋置于主結構內部，構成具有自檢測、自診斷、自修復及自適應等功能的層合壓電智能結構。層合壓電智能結構在航空航天、機械和土木工程等領域中的應用和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，極大的推動了國內外學者對柔性層合智能結構振動控制的研究熱情。層合壓電智能結構是一個具有不連續(xù)密度分布、不連續(xù)材料性質、機電耦合的動力系統(tǒng)。因此，精確而有效的分析壓電材料的力電耦合

2、行為，探索力學場，電場的耦合作用；兼顧求解計算效率，建立能準確描述層合壓電智能結構在干擾荷載作用下的動態(tài)響應分析模型；揭示致動器/傳感器分布位置、幾何尺寸和復合材料層間鋪設角度對層合智能結構振動特性的影響；分析控制器參數、結構配置對控制系統(tǒng)品質和性能的影響，移動荷載作用下智能結構的振動控制；研究智能結構主動控制的理論和算法，提高智能結構控制系統(tǒng)穩(wěn)定性；壓電致動器/傳感器位置優(yōu)化的程序設計及實現(xiàn)；實現(xiàn)層合壓電智能結構多階目標模態(tài)振動控制等

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

4、分、不完全微分PID控制有效解決了經典PID控制器參數選擇不當造成的系統(tǒng)發(fā)散失穩(wěn)等現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，擴大了控制器參數選擇范圍。分析了移動荷載作用下層合壓電智能梁系統(tǒng)不同振動階段控制器參數、荷載移動速度對系統(tǒng)控制性能的影響。
　　 提出了一種根據系統(tǒng)輸出誤差實時調整修正反饋增益的自學習控制（SLC）算法。將模糊邏輯和迭代學習控制的基本思想相結合，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，以迭代學習增益作為模糊控制

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

6、合控制方法，加快了迭代學習控制的收斂速度?；贛ATLAB軟件建立了多點致動一維層合壓電懸臂梁動力分析的有限元數值模型，實現(xiàn)了層合智能梁的經典最優(yōu)控制和線性二次型最優(yōu)迭代學習混合控制，證明了線性二次型最優(yōu)迭代學習混合控制方法能夠有效控制層合壓電智能結構的振動，并且控制效果得到了一定的改進。
　　 以離散分布壓電致動器/傳感器的位置參數為優(yōu)化變量，壓電智能結構閉環(huán)控制系統(tǒng)阻尼比為目標函數，提出了層合壓電智能結構振動控制及壓電致動器

7、/傳感器位置優(yōu)化的遺傳算法程序。通過有限元數值模擬，研究了懸臂板自由端在瞬時荷載和簡諧荷載作用下振動控制問題，數值仿真結果驗證了壓電致動器/傳感器位置優(yōu)化程序的正確性，說明采用遺傳算法搜索壓電智能結構振動控制中壓電致動器/傳感器的最優(yōu)位置是十分有效的，并具有較高的計算效率。
　　 基于數值仿真實驗的方法，研究了復合層合壓電梁比例反饋控制系統(tǒng)中，比例反饋增益、層間鋪設方式對閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響?；趶秃蠈雍习迥B(tài)應變能分布大小，