智能悬臂梁的振动控制及其优化配置

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1、硕士学位论文摘要智能结构是指在基体结构中使用压电材料做为传感和驱动元件的新型结构，它不仅具有自感知、自适应、自诊断和自修复的优点，而且还具有集传感和驱动一体化的优越特性。它是一个由材料科学、机械工程、控制科学、计算机科学等多学科交叉而成的新兴课题。近年来，智能结构的研究己引起世界主要发达国家的极大重视。智能结构振动控制技术已被广泛应用到军事、机械、医学、民用产品上，尤其在航空航天工业中展示了广阔的应用前景。本文以压电悬臂梁振动系统为研究对象，利用压电材料的正、逆压电效应，推导了其做为传感器时对结构变形的感知能力，以及其做为致动器时对基体结构的致动能力，得到压电传感器的传感方程和压电致动器

2、的致动方程。分析了压电片与悬臂梁之间的耦合关系，建立了智能悬臂梁的机电耦合动力学模型和基于闭环控制系统的状态方程，将解耦的动力学方程转化到状态空间，推导出输出反馈的数学模型，设计了线性最优控制器。最后通过MATLAB软件对智能悬臂梁进行振动主动控制仿真试验，验证了基于线性输出反馈控制的独立模态控制法的有效性。研究了压电片位置、长度，以及压电片的厚度对柔性梁振动控制性能的影响，为智能悬臂梁的振动控制系统的设计提供了依据。基于最大形变的角度，提出了一种有效的传感器与致动器能量耗散配置方法；综合控制代价与控制效果之间的利益，提出了一种储能最小准则的优化目标函数。粒子群优化算法(PSO)是一种基

3、于群智能的优化方法，由Kennedy和Eberhart于1995年提出。PSO算法通过粒子间的相互作用发现复杂搜索空间中的最优区域。PSO的优势在于只涉及简单的计算、易于实现、适用范围广泛。本文结合粒子群优化算法，对压电片的坐标和反馈矩阵进行了优化。最后，通过计算机数值仿真，验证了文中智能结构振动主动控制方法的有效性，同时得到了一些有意义的结论。关键词：智能结构；悬臂梁；振动控制；优化配置；粒子群优化算法AbstractAintelligentstructurecanbedefinedasastructure0rstructurecomponentwltnbondedorembedded

4、sensofsandactuatorsaswellasanassociatedcontrolsystem，whichenablesthestructuretorespondsimultaneouslytoextemalstimuliexertedonitandthensuppressesundesiredeffectsorenhancedesiredeffects．ItinVolVesmulti．disciplineknowledge，suchasmaterialsscience，mechanicalengineering，controltheory，andcomputerscience

5、．Theperfofmancerequirementsoffuturespacestructures，jetfightersandconceptautomobileshaVebroughtmuchinteresttotheareaOfsmartstructures．Acantileverbeamwithsmartmaterialsisstudyinthispaper．Firstly，bythepiezoelectricmaterial’spositivepiezoelectriceffectandnegatiVepiezoelectriceffect，thesensingandactua

6、tingabilitiesarearticularlyanalyzedinthispapef，andgainedthesensingandactuatingequationsespectiVely．ThispaperanalysestheinteractiOnbetweenpiezoelectricmaterialsfilmandtheVibratiOnsystem0fpiezoelectricsmartcantileverbeam，thedynamicalmodelandclose·loopcontrolstateequationareestablishedwithregardtoso

7、mepairsofpiezoelectricmaterialssensorsandactuators．TheindependentmodalspaCecontroltechniquewhichisbased0nanegativevelocityfeedbackcontrollawisputforth，andthecontrolunitisdesigned．Atlast，theemulationalexampleinthispaper