文摘
一种新颖的分布式压电控制策略提出了基于特征模型的空间框架结构。这是一个挑战,获得空间结构的力学模型,因为它是一种耦合天线系统植物,未知参数和干扰。因此,采用特征建模理论建立所需的模型,可以准确地描述空间框架结构的动态特性。这个模型的基础上,保持跟踪控制器设计积极抑制振动。结果表明,拟议中的模范自由方法非常健壮且容易实现。解决压电陶瓷位置优化复杂和困难的问题,一个有效的方法和模态应变能和最大振动幅值。最后,仿真研究进行的调查提出了主动振动控制方案的有效性。
1。介绍
空间结构通常应用于航空航天和空间的繁荣等土木工程结构(1]。一般,因为光线和空间结构灵活,他们敏感的振动将影响空间设备的性能(2]。因此,有必要为空间结构抑制振动。
主动振动控制方法是一个不错的选择,空间结构的振动控制。为了实现振动控制性能好,有三件事要做,也就是说,系统建模,传感器/致动器位置配置和控制策略的设计。
空间结构的模型可以分为两类:机械模型和识别模型。组建了一个力学模型通常是复杂的有限元法(3,4]。此外,它一般用于系统动力学分析和传感器/致动器的位置优化。然而,它不能用来直接设计控制器由于其复杂性和不准确。由于巨大的努力投入研究,识别有价值的结果取得了空间结构的建模。黄提出一个分析过程基于卡尔曼滤波的方法来估计模态载荷应用于结构(5]。Hazra等人提出了一个集盲识别方法与灵活的信号时频分解结构(6]。Schoen等人提出了一个识别算法,利用模态贡献系数监测数据收集大型柔性空间结构(7]。尽管一些上述的方法已经广泛应用于空间结构识别,仍然存在一些缺点。一方面,系统本身是复杂的,更少的干扰。另一方面,现有的结果只依赖于复杂的离线识别方法,它是很难把握实时系统动力学。因此,这是一个挑战与在线识别建立空间结构模型的方法。
空间结构的振动主动控制,执行机构位置的确定是一个重要的工作。如果执行器的位置不正确,甚至可能不会抑制振动,振动主动控制它可以增加结构振动。因此,致动器的位置优化已经吸引了许多学者的研究。陈等人提出了一个基于第一奇异值扰动的位置优化方法的可观察性和可控制性8]。徐姜和证明方法与系统的可控制性和可观测性指数(4]。赵等人提出了一个连续变量优化方法来解决最优位置的压电活性酒吧(2]。李、黄地址位置优化问题提出了一个分层优化策略(9]。虽然上面的方法可以实现执行器位置优化,优化过程是复杂的。因此,需要找到一个简单而有效的优化方法。
主动振动控制器结构简单和很强的鲁棒性是必要的。许多学者致力于解决这个问题。罗等人设计的简单的PD控制器在环形桁架结构振动衰减(10]。阿伯等人使用的一个标准鲁棒控制器抑制结构振动(11]。杨等人提出了一种自适应模糊滑模控制器对弹性矩形板的振动12]。林和郑提出了一个并行neurofuzzy控制遗传算法优化智能压电旋转桁架结构(13]。德阿伯等人设计了一种自组织模糊控制器智能桁架结构的振动控制(1]。Mahmoodi开发修改正位置反馈控制器对振动控制(14]。威廉和Rajamani应用等控制器实现多通道振动抑制(15]。在上述控制策略,简单的控制器(PID)等较弱的鲁棒性。复杂的控制器(控制器,模糊控制器具有很强的鲁棒性,但他们有困难在参数调优。
出于上述的讨论,一种新颖的基于特征模型的分布式压电控制。特征模型建立了空间结构及时准确地描述系统的动态的形式很简单,它可以包含信息的特征参数的时间延迟或高阶16]。此外,一个简单的控制器基于特征模型称为保持跟踪控制器具有较强的鲁棒性应用于实现振动控制。此外,新型驱动器位置优化方法与模态应变能(MSE)和最大振动幅值。
本文的其余部分组织如下。部分2建立了空间结构的特征模型。部分3介绍了特征参数的识别和控制策略。压电陶瓷位置优化提出了部分4。数值模拟部分所示5。结论部分所示6。
2。空间结构特征建模
空间框架结构如图1它包含26 63个梁节点和元素。节点2、3、7和8是限制固定在地板上。结构激励方向是10的节点。每个节点有6个自由度(自由度)。总自由度。空间结构有63梁元素。表1显示了节点之间的连接信息。空间结构由铝的横截面是矩形。表2显示了排名前十的固有频率。
根据有限元公式,给出结构的运动方程 在哪里质量矩阵,阻尼矩阵,刚度矩阵,加载力矢量,,,是结构性的位移、速度和加速度向量,分别。
与知识的空间框架,参数,,慢时变。然后,在采样时间短(女士),它可以认为,,定常。然后运动方程的离散形式(1)可以被描述为
有上面的方程(2), 在哪里,,。表达式(3)特征模型;,,特征参数。
当很小,下列方程是:
进一步的一个特征参数的总和
如果输出循环是解耦的,因此和对角矩阵,可以制定
特征参数可以写成
同样,一个字符的特征参数th输出回路
由于压电陶瓷体积小和重量轻,不影响结构的特点后粘贴在结构表面,选择压电传感器和致动器。图2表明压电结构的示意图。结果表明,一双PZT1 PZT2作为致动器和另一个PZT3作为传感器。此外,致动器远PZT3 PZT3上几乎没有函数。因此,(8)可以简化为 在哪里和。
3所示。保持跟踪控制律
用一个适当的参数估计量,特征参数可以自适应地收敛于真实值。参数识别的一般方法是最小二乘法和梯度法。与最小二乘法相比,梯度法具有计算量小,不会导致参数偏离与不当遗忘的因素。因此,梯度法(16)将被用来估计特征参数。表单 的范围和是,。的估计,,的特征模型。
确保输出等于所需的参考输入,需要控制输入应具备下列条件:
避免的事实,一个松弛变量介绍,可以保证控制输入是光滑和容易实现。考虑 在哪里是一个常数。这种控制律被称为基于模型的特征保持跟踪控制(CMKTC)法律16,17]。与系统控制律,可以完美地跟踪参考输入。
4所示。压电陶瓷位置优化
考虑传统优化算法的复杂性,应用MSE和最大振幅来优化压电换能器的位置的优化过程很简单。
首先梁元素的空间结构分为三类:顶梁元素,前后梁元素和连接梁前后之间的元素。通过梁的MSE,敏感梁。与th固有频率,th梁的MSE (18可以被描述为 在哪里是模态形状向量固有频率的th列。是归一化模态矩阵,在哪里是模态矩阵。是th梁刚度矩阵;是振动频率。
数据3- - - - - -6前四阶MSE。从数据敏感梁元素集获得:下面敏感梁元素集,前后敏感梁元素集和连接敏感梁元素集。,,的子集,,分别。
此外,它需要选择最敏感的梁元素,,根据最大振幅。激励节点选为节点10和激励方向。激励力量和激励频率被选为第一个自然频率10.03赫兹。通过分析振动响应曲线,得出结论方向振动幅度远远大于和这被认为是。同样,分析振动响应曲线和,它是显示方向振动幅度远远大于和。因此,它只需要比较方向的最大振幅的光束和。
从表3这显示了方向最大振动幅值10日或11日梁元素是最敏感的梁单元。此外,相对于其他位置在10或11日梁单元,位置接近10节点有较大的振动振幅适当的位置粘贴压电陶瓷。同样的,表4表明19或第37梁元素是最敏感的梁元素虽然19梁元素被选中。此外,考虑到方向振动振幅接近节点19比19梁单元,而其他位置19梁单元方向振动的振幅在任何位置几乎是相同的,所以位置接近节点梁单元19日19是另一个适当的位置粘贴压电陶瓷。最后,35梁元素是最敏感的梁元素从表5。从任何位置35梁元素的方向振动振幅几乎相同的值,方向振动振幅。定义变量在任何位置之间的距离在35梁单元和节点19。表6显示最大振动幅值的中间位置是另一个适当的位置粘贴压电陶瓷。
一句话,三个优化位置中间位置在35梁单元(1号控制器CMKTC1),位置临近节点梁单元19日19日(第二控制器CMKTC2)和位置接近10节点梁单元10日(第三控制器CMKTC3)。
5。数值模拟
5.1。特征模型验证仿真
验证特征模型能够准确地描述系统的动态特征,与文献[16),四个形式的控制输入选择如下:(一)阶跃信号。(b)光滑的阶跃信号。(c)10 Hz正弦信号。(d)10 Hz方波信号。
四种不同的控制输入信号如图7。控制输入方向是方向的节点10;振动位移输出方向选择方向的节点19。输出估计误差可以表示为。采样时间选为0.001 s。
数据8- - - - - -11显示输出估计误差具有不同的控制输入。当控制信号输入步骤或光滑的阶跃信号,输出估计误差的大小。如果控制输入正弦信号和方波信号,输出估计误差的大小。因此,输出特性模型方法的空间结构的输出。此外,特征模型能够准确地描述空间结构的动态特征。
5.2。分布式压电振动仿真
表7显示的相关参数与字符的特征参数(压电陶瓷和艾尔。9),选择特征参数的初始值。相关参数的梯度法,。采样时间选为0.001 s。控制参数如表所示8。激励力量;激励频率被选为第一个自然频率10.03赫兹。选择节点19、22和25作为观测节点。它应该是强调CMKTC1的输出反馈方向位移。
数据12- - - - - -14节点的振动位移曲线是19日,22日和25日分别。结果表明,方向振动位移要大得多或和抑制振动的影响方向是显而易见的。CMKTC,方向振动位移的节点19日、22日和25日变弱,,分别表示分布式压电陶瓷振动控制的有效性。控制输入呈现在图15这表明,控制电压是压电换能器的电压范围内。
验证CMKTC的鲁棒性,添加匹配的干扰。当正弦扰动添加不同的振幅,表9显示方向振动衰减率的节点19日,22日和25日。从表中,众所周知,节点25比节点19和22节点更敏感。无论如何,正弦扰动小的影响方向振动位移。
考虑到实际系统中存在噪声,所以带白噪声具有不同噪声功率是补充道。方向振动衰减率的节点19日,22日和25日提出了表10。表表明振动阻尼比随噪声功率的增加而减小。当然,带白噪声对系统性能影响小,CMKTC具有较强的鲁棒性。
6。结论
在本文中,一种新颖的基于特征模型的分布式压电陶瓷控制策略提出了。避免的困难获取空间结构的力学模型,一个高效的模范自由建模方法,即所谓的特征模型理论,采用。然后压电位置优化方法基于MSE和最大振动振幅已经提出,在传感器和致动器的位置优化实现。由于建立了特征模型,设计了一个简单但有效的CMKTC。提出的控制策略的力量是演示了几个数值的例子。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。61573332)。