Matlab基于压电陶瓷的柔性臂主动振动控制研究(2)
1.3.1 被动控制 4
1.3.2 主动控制 4
1.3.3 主被动混合控制 5
1.4 控制算法 5
1.5 智能结构的振动主动控制的发展方向 6
1.6 本章小结 7
2 柔性臂系统有限元建模 8
2.1 有限元法 8
2.1.1 单元的位移函数 8
2.1.2 单元质量矩阵 10
2.1.3 单元刚度矩阵 10
2.1.4 单元阻尼矩阵 12
2.2 柔性臂系统有限元建模 13
2.2.1 柔性臂系统的硬件 13
2.2.2 系统有限元建模 14
2.2.3 自由度凝聚 18
2.2.4 压电传感方程 19
2.2.5 压电致动方程 20
2.3 系统动力学方程与状态方程 21
2.4 本章小结 22
3 控制器设计 23
3.1 最优控制 23
3.1.1 线性系统的二次型最优问题 23
3.1.2 柔性臂系统的二次型Guass最优控制器设计 25
3.1.3 柔性臂系统的LQG控制器设计与仿真 26
3.1.4 各参数对控制效果的影响 28
3.2 模糊PID控制 31
3.2.1 模糊PID控制概述 31
3.2.2 模糊调整规则表 32
3.2.3 柔性臂系统的模糊自整定PID控制 34
3.3 本章小结 36
4 柔性臂系统振动控制实验研究 37
4.1 软件的设计 37
4.2 柔性臂振动参数识别 39
4.3 柔性臂主动振动控制 43
4.4 本章小结 46
5 总结与展望 47
致 谢 48
参考文献49
1 引言
随着航天科学技术的迅速发展，航天飞行器所承担的任务复杂性不断增加，对空间结构提出的要求越来越高，进一步推动了智能结构的发展。结构的振动普遍存在于各个领域，如机械系统、工业生产系统、航空航天器等等。结构的振动会影响到机械设备的性能、测量的精度、设备的寿命等，因此，对结构的振动控制问题的研究得到了广泛的重视，成为各个领域发展的关键技术之一。本论文主要针对带有压电陶瓷的柔性臂系统的主动振动控制方法进行研究，其课题背景是空间柔性结构的主动振动控制。
近年来，在航天器发展的过程中，随着计算机技术和测控技术的发展，各类航天器也渐渐趋于大型化、柔性化和轻型化方向发展[1]。采用轻巧、柔性度高的航天器具有反应速度快、驱动器小、功耗低、有效载荷重量大等优点，而采用大型柔性结构的航天器设备可以给设计者带来方便，增加设备的设计和制造的灵活性，降低发射成本。在太空中工作时，航天器设备会受到来自本体姿态轨道机动或环境中的外力干扰导致柔性结构产生大幅度振动。大型空间结构具有模态阻尼小、固有频率低且密集，一旦振动被激起，会产生持续振动，而且容易形成共振，严重影响到航天器的正常工作。如果柔性结构长时间振动还可能导致结构疲劳破坏，严重影响各种有效载荷的正常工作，导致系统性能下降，影响到设备的使用寿命。因此，柔性结构的主动振动的控制精度要求极其苛刻，而传统的控制算法和控制结构已经难以满足这种控制要求。上世纪80年代，美国空军为了降低直升机复合材料桨叶的振动幅度而提出了智能结构的概念。智能结构具有自感应、自适应、自修复等功能，即能感知结构所受到的激励，通过控制器和致动器做出适当的反应进行快速的振动抑制，使结构在最短的时间内回到最佳工作位置。航天器采用智能结构则可以减少有害振动对结构的影响，保证设备的正常工作，提高设备的可靠性。