新型压电约束层阻尼结构及其在整星隔振中的应用

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 11次 | 上传用户:wh820228
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压电主动约束层阻尼结构很好地结合了振动主动控制和振动被动控制各自的优点,是一种非常有效的主被动混合振动控制技术。而且,由于压电材料兼具正、逆压电效应,使得压电约束层不仅能够与反馈控制系统相连构成压电主动约束层阻尼结构,还可以与分流电路相连构成压电被动约束层阻尼结构。  但是在以往的研究中,压电主动约束层阻尼结构和压电被动约束层阻尼结构是两个相对独立的研究对象。换句话说,研究者或者对压电主动约束层阻尼结构进行研究,或者对压电被动约束层阻尼结构进行研究。  因此,深入系统地研究压电约束层阻尼结构的振动控制机理,结合压电主动约束层阻尼结构和压电被动约束层阻尼结构各自的优点进一步发展新型压电约束层阻尼结构,在此基础上大胆探索这类新型压电约束层阻尼结构在整星隔振中的应用前景,将对我国航天工业的发展起到积极的助推作用。  有鉴于此,本文在国防科技工业预研项目的支持下,对新型压电约束层阻尼结构及其在整星隔振中的应用作了深入、系统的研究。本文主要研究了以下几个方面的内容:  首先对主被动混合压电网络进行了系统的研究,不仅证明了主被动混合压电网络具有比纯主动控制更好的振动控制性能和更高的可靠性,还对主被动混合压电网络中的RL分流电路进行了优化。更主要的是,全面揭示了RL分流电路在主被动混合压电网络中的作用,从而为后面研究新型压电约束层阻尼结构奠定了基础。  其次结合压电主动约束层阻尼结构和压电被动约束层阻尼结构各自的优点,设计并研究了两种新型压电约束层阻尼结构,即混合 APPN/PCLD结构和混合APPN/PSOLD结构。利用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz法建立了两种新型压电约束层阻尼结构的动力学模型,并对其进行了开环和闭环特性分析。通过与主被动混合压电网络以及传统压电主动约束层阻尼结构进行比较发现,混合APPN/PCLD结构和混合APPN/PSOLD结构均具有比前两者更好的振动控制性能。在此基础上,利用minmax法对新型压电约束层阻尼结构中的RL分流电路进行了参数优化。  随后研究了新型压电约束层阻尼结构的鲁棒控制问题。针对控制系统设计中存在的问题(系统鲁棒性的问题、系统响应速度和阻尼程度之间存在矛盾的问题),结合组合非线性反馈控制和滑模控制各自的优点,提出一种组合非线性反馈滑模控制。通过与传统滑模控制进行比较发现,组合非线性反馈滑模控制不仅能够有效地改善系统响应速度和阻尼程度之间存在的矛盾,而且对参数摄动也具有比传统滑模控制更好的鲁棒性。进而利用组合非线性反馈滑模控制为一类匹配不确定系统和一类非匹配不确定系统设计了鲁棒控制器,使组合非线性反馈滑模控制的适用范围进一步扩大。在此基础上,利用组合非线性反馈滑模控制设计鲁棒控制器,对新型压电约束层阻尼结构进行实验研究。  在利用组合非线性反馈滑模控制对新型压电约束层阻尼结构进行实验研究时,考虑到利用机理分析法获得的数学模型无法对实际结构进行准确地描述,而且实际结构的状态变量又大多不可测,所以本文通过特征系统实现算法来建立实际结构的状态空间表达式,并为组合非线性反馈滑模控制设计了状态观测器。在此基础上,以悬臂梁作为实际被控对象,利用特征系统实现算法和带状态观测器的组合非线性反馈滑模控制完成了对新型压电约束层阻尼悬臂梁结构的实验研究。实验结果表明,新型压电约束层阻尼结构具有比纯主动控制和传统压电主动约束层阻尼结构更好的振动控制性能。  最后研究了基于新型压电约束层阻尼结构的整星隔振。通过对星箭系统进行适当的简化,确定了新型压电约束层阻尼结构在星箭系统中的安放位置以及结构形式。随后利用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz法建立了简化的整星隔振系统的动力学模型,并对其开环和闭环特性进行了分析,阐明了整星隔振系统所具有的振动控制性能。在此基础上,设计了整星隔振系统的原理性样机,通过对原理性样机进行实验研究,证明了设计方案的可行性和有效性。
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