光电层合柔性板壳结构的智能主动振动控制研究

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1、中图分类号：O327论文编号：102870115-B033学科分类号：080104博士学位论文光电层合柔性板壳结构的智能主动振动控制研究研究生姓名贺容波学科、专业工程力学研究方向振动主动控制指导教师郑世杰教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年七月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonIntelligentActiveVibrationControlofPh

2、otostrictiveLaminatedFlexiblePlatesandShellsStructureAThesisinEngineeringMechanicsbyHeRongboAdvisedbyProf.ZhengShijieSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJuly,2015I承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文

3、中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：II南京航空航天大学博士学位论文摘要在航空航天领域，板壳结构有着广泛的应用背景，其形状控制和振动控制一直是系统设计和工程应用中的重点和难点。当前，利用智能材料对板壳结构实施有效的主动激励来抑制振动的方法是一种有效的方法。但传统的由电、

4、磁信号激发的智能材料，需要附加复杂的电磁激发装置，不利于系统的轻质小型化，同时其与激发装置之间需要导线连接，易引起电磁噪音干扰，而影响控制信号的传送准确性和实时性。而新型的镧改性锆钛酸铅（PLZT）陶瓷，可直接将光能转化为机械能，不受电磁干扰的影响，适于在太空环境下实施非接触激励及远程控制，有着广阔的应用前景。本文以层合光致伸缩PLZT驱动器的板和壳结构为对象，研究其智能振动主动控制技术，对与其相关的驱动器构型、动力学建模、驱动器位置优化以及单模态和多模态智能主动控制方法等几个方面的问题进行了相应的理论研究。论文的主要工作和创新

5、性成果如下：(1)基于PLZT驱动器的光-热-力-电多场耦合本构模型，采用数值仿真方法分析了影响PLZT驱动器性能的主要因素；对当前常用的驱动器构型进行了分析比较，分析指出现有的驱动器构型在外部光源作用下“只能伸长不能缩短”，因而只能产生单向膜控制力。进一步，提出了两种能够产生正负膜控制力的多片组合驱动器构型，成功地克服了现有驱动器构型的缺陷，这种构型在曲壳结构的主动控制中具有明显的优势，能够显著的提高驱动器的作动效率；(2)基于板壳结构振动理论，建立了可适用于不同结构类型、不同几何参数的光电层合板壳结构的通用动力学模型，利用此

6、模型可以进一步推导出层合有光致驱动器的不同类型板壳结构，如矩形板、圆柱壳、球壳，锥壳等结构的系统动力学方程；基于所建立的动力学模型，利用模态展开技术建立了光电层合板壳结构的模态控制方程。(3)结合PLZT驱动器切换致动和非线性驱动的特性，提出了独立模态变结构模糊控制器，与现有的常规李亚普洛夫控制(常光强控制)和速度反馈控制(变光强控制)相比，该控制器具有两方面的优势：一方面对光照方向的切换函数进行了优化设计，得到了最优光照方向切换函数；另一方面对光强的控制采用量化因子自调节模糊控制器，充分考虑了驱动器的驱动特性。所提出的控制器综

7、合了模糊控制与变结构控制的优点，是一种不依赖于系统精确模型的智能控制器，能够克服驱动器的非线性驱动特性，其控制效果明显优于速度反馈控制。(4)结合算例给出了相应受控模态在驱动器位置变化时其模态控制因子的变化规律；分析得出了：对于确定的模态，存在一个或多个极值区域；在该区域，驱动器产生的模态控制因子幅值明显大于其他贴片区域；而且，随着模态半波数的变化，极值区域的分布会发生变化。III光电层合柔性板壳结构的智能主动振动控制研究进一步，为了实现对多个受控模态的振动同时进行抑制，需要将驱动器粘贴在能够对所有受控模态都产生尽可能大的模态因

8、子的位置，为此，提出了以受控模态控制力因子的绝对值之和为优化函数及以驱动器的位置坐标为优化变量的板壳结构的多模态振动驱动器位置遗传优化算法，并结合本文提出的多片组合驱动器构型对板壳结构的驱动器位置进行了优化设计，计算得到了板壳结构在相应驱动器构型下的驱动器优化布