柔性梁振动的压电时滞控制研究

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随着科技的不断发展,板、梁等柔性结构因具有轻量化已在工程中得到广泛的应用,但由于柔性结构系统的模态阻尼较小,当受到外界激励时振动衰减幅度较小且会保持很长一段时间,严重危害系统的工作效率甚至会减少其使用寿命,故对于柔性系统的振动控制具有非常重要的实际意义;并且在主动控制不可避免地存在时滞现象,如果忽略时滞因素可能对控制效果甚至系统稳定性产生不利影响,因此如何处理时滞因素具有重要的理论与实际价值。本文将压电材料作为执行器并建立柔性系统数学模型,随后采用不同类型的控制方法对控制系统进行仿真与实验研究。本文主要工作如下:(1)首先建立悬臂梁柔性系统的动力学模型,根据压电材料的压电性能得到了作动器的输出方程,最后将两者联立最终得到了悬臂梁压电控制系统的振动微分方程并考虑了传感器的影响,随后研究了压电作动器的位置设计问题,建立了相应的性能指标从而找出了压电作动器的最优位置。(2)基于PID控制律,并通过粒子群优化算法对PID控制器的控制参数进行寻优,从而得到控制参数。同时研究了计算机控制系统中的采样周期对控制系统稳定性的影响以及给出了在时滞影响下在使得控制系统保持在稳定区间内的控制参数变化范围,得到可以使得控制系统稳定的各个参数范围。(3)针对含时滞下的状态方程,通过对该状态方程进行扩维处理得到不显含时滞的标准状态方程,然后采用LQR最优控制进行了控制系统的设计,此外又对时滞项进行积分变换得到对应的状态方程,并采用鲁棒控制设计控制系统,同时还给出了无时滞下反馈参数的变化范围以及时滞变化对稳定性的影响。(4)搭建了柔性梁振动主动控制实验台,基于前述所设计的控制律并利用LabVIEW及CompactRIO平台设计了集数据采集、处理、输出于一体的控制器,通过数值仿真实验证明了所设计的多种控制方法的可行性和准确性。通过以上研究最终获得的结果表明,所设计的控制律对于不同时滞下的柔性系统均有显著的控制效果。但仍有许多不足之处,因此在本文最后对所做工作进行总结并对接下来工作指明方向。
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