旋转柔性智能结构分析与振动控制研究

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随着航天工业的发展,对掌握卫星柔性机械臂、太阳帆板等柔性构件的运动、动力特性及其振动控制要求越来越高;同时随着科学技术的发展,工程中各构件的设计趋于轻型化、柔性化以降低能耗或者使其适应自主运行的要求,但又必须考虑由于柔性臂的弹性变形引起的振动,及其同时影响到的运动精确度,对于这类振动的抑制,在结构中嵌入压电智能材料是一种非常有前景的手段。压电智能材料具有刚度大、质量轻、能量消耗低及容易控制等特点,而智能材料的加入又会出现力、电、磁等多场耦合问题。因此柔性多体系统的研究成为科研人员关注的焦点问题之一。本文在柔性多体系统的建模、振动控制及数值计算稳定性方面进行了详细的论述、研究和实例仿真。 本文通过连续介质理论,考虑横向弯曲和纵向弯曲的相互耦合作用,得出比零次耦合模型更精确的平面柔性梁的一次耦合模型,并采用一次耦合模型描述柔性体的变形,该模型增加了二次耦合项-1/2 integral from n=0 toχ(?)~2dx,把该二次耦合项应用于带端部质量的旋转刚-柔耦合智能结构,基于Hamilton原理和有限元方法推导出结构的离散非线性动力学方程,通过数字仿真说明该结构在开环、闭环的动力学特性,端部质量、离心力对结构刚度和频率的影响。 对于柔性多体结构的振动控制本文采用滑模控制方法,该方法具有对外界干扰不敏感的特性,在非线性控制领域具有很强的优势。本文在已建立的动力学方程基础上,通过算例仿真说明了该方法对带端部质量的旋转刚-柔耦合耦合智能结构控制是有效的。但是结构的不确定性、时滞及控制器的限制,都会降低滑模控制在实际系统中的控制效果,本文针对这一点采用神经网络对不确定部分建模,确定部分用标称模型,对这样的混合模型应用滑模控制。数字仿真结果表明神经网络滑模控制比滑模控制具有更高的优越性、控制能力和更好的控制效果。 一切保守的、无耗散的物理过程与物理现象都可以用Hamilton系统描述,但传统数值方法在模拟Hamilton系统,尤其是在长时间数值模拟之后会使问题面目全非,从而寻找保持Hamilton系统辛结构的算法具有重要的实际与理论意义。辛算法在多刚体动力学方面的应用相对广泛,而对于在刚-柔耦合多体系统的数值计算中应用的研究工作还很不够。本文根据有限元自动保辛的特点,将刚-柔耦合楔形梁的动力学方程转化为Hamilton系统下的对偶方程,然后根据相应的对偶方程构造出辛算法,这样就使辛算法在柔性多体系统的数值计算中也得到了应用。数
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