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基于压电作动的变刚度半主动振动控制器设计与控制研究

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基于压电作动的变刚度半主动振动控制器设计与控制研究

作者：彭军兰州理工大学

学位级别：硕士

由于固有刚度不足,机器人自动制孔系统在外部激励的作用下,会导致振动甚至颤振,严重影响加工质量。应用位置与刚度补偿技术对静刚度不足所造成的静态误差补偿效果较好,但对于工件薄壁振动,钻削振动和振动钻削附加振动引起的钻削系统耦... 详细信息

由于固有刚度不足,机器人自动制孔系统在外部激励的作用下,会导致振动甚至颤振,严重影响加工质量。应用位置与刚度补偿技术对静刚度不足所造成的静态误差补偿效果较好,但对于工件薄壁振动,钻削振动和振动钻削附加振动引起的钻削系统耦合振动所造成的动态误差补偿效果不佳,因此需对机器人自动制孔过程中产生的振动进行有效控制。本文通过对国内外关于主动振动控制器与被动振动控制器研究现状的分析,提出了一种基于压电作动的变刚度半主动振动控制器;为其建立了动力学模型,并根据动力学模型精确设计了振动控制器结构;最后进行压电作动器变刚度控制。其主要研究内容如下:1、建立了机器人自动制孔系统被动振动控制器动力学模型;分析了振动控制系统参数对机器人末端执行器绝对位移传递率的影响;通过优化算法得出了振动控制器最优参数;在最优参数下验证了所建模型的准确性;并分析了被动振动控制器振动控制效果,为变刚度半主动振动控制器的设计做理论准备。2、在被动振动控制器的基础上加入变刚度半主动振动控制,以压电陶瓷材料作为驱动器改变动力吸振器刚度;建立了基于压电作动的变刚度半主动振动控制器模型;分析得到了动力吸振器最优刚度与外部激励频率的关系;采用中心差分法验证了其振动控制效果优于被动振动控制器。3、精确设计了基于压电作动的变刚度半主动振动控制器总体结构,并对每个零件进行具体的分析设计;对振动控制器中的弹性元件进行应力应变分析;最后分析了振动控制器各零件尺寸变化对振动控制器振动控制效果的影响,以确保所设计结构的最优性。4、为压电陶瓷材料的迟滞建立了数学模型;确定了其模型中的未知参数;并采用前馈补偿-PI反馈控制对压电作动器进行复合线性化控制;通过模拟仿真分析了控制方法的线性化程度。最后对本文所设计的基于压电作动的变刚度半主动振动控制器设计了联合仿真实验,实验验证了振动控制器结构的合理性与控制方法的实用性。

关键词：变刚度压电作动振动控制前馈补偿-PI反馈动力吸振

基于压电作动的声操控型开放边界微流控芯片研究

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基于压电作动的声操控型开放边界微流控芯片研究

作者：魏莹南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着空间生命科学研究的不断深入,面向微纳物体精准操控的微尺度智能驱动技术在空间生物医学试验中发挥着十分重要的作用。其中,智能操控微纳颗粒运动的微流控芯片技术,已经在细胞分选、微纳颗粒自组装等多个领域表现出了极为出色的驱... 详细信息

随着空间生命科学研究的不断深入,面向微纳物体精准操控的微尺度智能驱动技术在空间生物医学试验中发挥着十分重要的作用。其中,智能操控微纳颗粒运动的微流控芯片技术,已经在细胞分选、微纳颗粒自组装等多个领域表现出了极为出色的驱动能力。然而,庞大复杂的驱动系统及外围设备严重制约了微流控技术在空间生命科学中的进一步应用与推广。另外,操控精准度等关键技术难题尚未得到有效解决。本研究基于声流场驱动机理,开展了面向微纳颗粒精准操控与集群控制的声操控型开放边界微流控芯片研究,主要内容和成果概括如下:基于压电作动技术和声流场分析方法,利用COMSOL Multiphysics软件建立模型进行了仿真计算,分析了微纳物体在声流场中的受力和运动。基于声操控型开放边界微流控芯片实验平台,以直线型人工微结构为功能组件,在液滴中建立局部增强的声流场,结合视觉反馈控制系统,实现了单个微颗粒及生物细胞的精准定向运输。在微流控芯片上集成声-电复合型针状电极,利用气泡共振实现了多种类型微纳马达的分散运动;将针状电极主体作为声阻隔器,实现了微流控芯片内微纳马达的聚集运动。研究结果表明微流控芯片是实现微纳物体运动控制的良好载体平台,通过集成不同的功能组件,能够实现单个微纳物体的精准定向运输或微纳物体的集群运动控制,为进一步研制面向空间生命科学研究的便携式智能检测平台提供了新的思路。

关键词：微流控芯片压电作动声流理论微纳马达视觉反馈闭环控制集群运动

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声操控型微流控芯片的加工与测试技术

振动．测试与诊断 2023年第2期43卷 209-214,404页

作者：芦小龙魏莹欧欢赵聪施陆锴钱丰南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

介绍了一种声操控型微流控芯片的加工方法与测试技术。首先,基于声操控型微流控芯片的工作原理和功能需求设计了硬质微流控芯片的基本结构,采用激光切割方法实现了聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,简称PMMA)材质开放边界微流... 详细信息

介绍了一种声操控型微流控芯片的加工方法与测试技术。首先,基于声操控型微流控芯片的工作原理和功能需求设计了硬质微流控芯片的基本结构,采用激光切割方法实现了聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,简称PMMA)材质开放边界微流道的加工,采用数控加工(computerized numerical control,简称CNC)精雕方法实现了封闭边界微流道的加工,通过光固化型(ultra violet,简称UV)胶实现了硬质微流道与基板的室温封接,利用表面改性技术与毛细作用实现了芯片的无泵进样;其次,研究了不同加工工艺、工艺参数对微流道形貌的影响;最后,依据声操控微颗粒需求,综合仿真分析、阻抗测试及多普勒激光测振,选定了声操控型微流控芯片的工作频率,实现了微纳物体运动控制。该微流控芯片具有成本低、加工效率高及易于调整微流道结构的优点,在微纳操控、微纳制造和生化检测方面拥有广阔的应用前景。

关键词：微流控微细加工压电作动超声微颗粒操控

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基于不同压电材料作动机制的压电层厚度研究

材料导报 2010年第4期24卷 1-3页

作者：韩国华靳晓雄 Joris Degrieck Wim Van Paepegem 侯艳芳同济大学汽车学院上海201804 根特大学材料科学工程学院同济大学电信学院上海201804

研究了压电材料复合板的3种作动机制,弯曲作动机制、剪切作动机制、混合作动机制,针对粘贴在纤维板上不同厚度的压电作动层,具体分析了复合板的端部位移,研究结果对噪声和振动的主动控制中的模态控制和智能结构静态形状控制提供了一定... 详细信息

研究了压电材料复合板的3种作动机制,弯曲作动机制、剪切作动机制、混合作动机制,针对粘贴在纤维板上不同厚度的压电作动层,具体分析了复合板的端部位移,研究结果对噪声和振动的主动控制中的模态控制和智能结构静态形状控制提供了一定的参考。

关键词：作动机制主动控制压电作动端部位移

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用于微纳马达的超声辅助装配和驱动技术研究

用于微纳马达的超声辅助装配和驱动技术研究

作者：沈晖南京航空航天大学

学位级别：硕士

具有自驱动特性的微纳马达作为一种新型的功能化微纳米系统,能够实现在微尺度上的运输、检测和清除等复杂任务。由于其良好的可靠性、可持续性和生物相容性,在以细胞等活性物质为对象的空间生命科学研究中展现了广阔的应用前景,有望在... 详细信息

具有自驱动特性的微纳马达作为一种新型的功能化微纳米系统,能够实现在微尺度上的运输、检测和清除等复杂任务。由于其良好的可靠性、可持续性和生物相容性,在以细胞等活性物质为对象的空间生命科学研究中展现了广阔的应用前景,有望在空间生命科学仪器的研制中发挥不可替代的作用。本研究的主要内容和成果概括如下:本研究对微纳马达的发展趋势和研究现状进行了归纳,阐述了超声技术在微纳马达领域的应用和发展,结合目前超声驱动技术的不足,提出了本研究的重要性和必要性。从压电作动基本理论出发,基于摄动理论构建了超声振动下的声流场方程,并在Comsol有限元软件中提出了不同振动条件下的仿真计算方法。采用光刻技术制备了具有V型微结构的声操控平台,对其基板振动引起的局部声流场开展有限元分析和试验验证,实现了功能化微纳马达的超声辅助装配。针对Fe-Mn O管状微纳马达,将超声技术与电化学制备相结合,初步探讨了超声场对微纳马达表面结构及运动性能的影响。最后,基于气泡驱动型管状微纳马达,对气泡共振下的声流场分布进行了仿真分析,并对微纳马达在无表面活性剂环境和超声场驱动下的超高速大行程集群运动开展了试验研究。研究成果初步表明,超声技术在微纳马达的活性层精细化制备、动态自组装和马达集群的超高速驱动等方面展示了其独特的优势,为进一步开展用于空间生命科学研究的微纳马达智能化平台提供了新的思路。

关键词：微纳马达压电作动声流理论超声辅助装配表面结构调控集群运动

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基于人工微结构的精密声操控技术研究

基于人工微结构的精密声操控技术研究

作者：赵康东南京航空航天大学

学位级别：硕士

伴随空间生命科学研究的不断深入,以生物活细胞等微纳颗粒为研究对象的精密微操控技术在面向未来的载人航天基础研究以及空间环境下的生物医学研究中发挥着日益重要的作用,是研制空间生命科学仪器装置必须突破的关键核心技术之一。本研... 详细信息

伴随空间生命科学研究的不断深入,以生物活细胞等微纳颗粒为研究对象的精密微操控技术在面向未来的载人航天基础研究以及空间环境下的生物医学研究中发挥着日益重要的作用,是研制空间生命科学仪器装置必须突破的关键核心技术之一。本研究的主要内容如下:归纳现有的微纳操控技术,总结声操控技术的发展历程、取得的最新进展和存在的关键技术问题,阐述了本研究的重要性及必要性。对现有声操控平台的结构特点进行综合比较,提出基于人工微结构的精密声操控平台的设计方法。详细分析石英基板振型与微结构振动形式之间的关系,并基于摄动理论在Comsol有限元仿真软件中建立超声振动下人工微结构周围声流场的计算模型。设计并制造圆形、直线形和V形三种人工微结构,验证声流场分布与振动形式之间的关系,利用圆形人工微结构和V形人工微结构开展不同运动模式的微颗粒操控实验。基于直线形人工微结构,开发一套利用多种交互方式的开环声操控系统,引入机器视觉作为反馈信号,采用闭环控制的方式实时修正操控效果,将微颗粒运输至指定目标位置,探讨智能化可编程技术用于微纳颗粒精密声操控的可行性。

关键词：人工微结构压电作动声流效应微纳颗粒人机交互闭环控制

空间索网-框架结构动力学谱元法建模与振动控制方法

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空间索网-框架结构动力学谱元法建模与振动控制方法

作者：李波西安电子科技大学

学位级别：硕士

空间索网-框架结构具备重量轻、易折叠、收缩比大等优点,广泛应用于卫星通信、深空探测等领域。这类结构在轨展开锁定后,长期处于复杂多变的空间环境中,同时受到航天器本体调姿和太空垃圾碎片撞击的影响,容易产生持续剧烈振动,严重影响... 详细信息

空间索网-框架结构具备重量轻、易折叠、收缩比大等优点,广泛应用于卫星通信、深空探测等领域。这类结构在轨展开锁定后,长期处于复杂多变的空间环境中,同时受到航天器本体调姿和太空垃圾碎片撞击的影响,容易产生持续剧烈振动,严重影响其在轨工作性能。因此本文从以下三个方面研究空间索网-框架结构的动力学分析与振动控制。(1)建立空间索网-框架结构的动力学谱元模型。基于谱方法和虚功原理推导了空间索和梁的谱单元方程,通过单元组集建立了空间索网-框架结构的动力学谱元模型,以环形桁架天线结构为例验证了空间索网-框架结构动力学谱元模型的正确性。根据频响结果,通过FFT逆变换分析了索内部节点和索梁耦合节点在时间域的响应历程。结果表明,索内部节点振动幅值远大于索梁耦合节点振动幅值,且索内部节点和索梁耦合节点各方向均在振动,因此研究其振动控制时需综合考虑节点各方向的振动能量。(2)研究空间索网-框架结构带隙优化方法。针对周期空间索网-框架结构,首先建立了超单元结构等效动力学谱元模型,并给出算例验证。将超单元结构沿轴线方向扩展成周期空间索网-框架结构。通过对空间索网-框架结构带隙影响因素分析,揭示了影响带隙的结构参数,并将这些参数作为设计变量,以带隙下限频率和带隙宽度的比值作为目标函数建立带隙优化模型。结果表明,优化敏感结构参数可有效调整结构带隙位置,即通过优化结构参数可以调整空间索网-框架结构自身的被动控制效果。(3)研究空间索网-框架结构压电作动振动控制。首先建立了空间索网-框架结构的功率流模型,并推导了压电作动器的动力学谱元模型。通过引入频域PD反馈控制律,将空间索网-框架结构节点总功率流加权和作为能量指标,建立了压电作动器位置优化模型和增益系数优化模型。以张拉整体结构为对象,验证了压电作动振动控制效果。结果表明,配置单作动器时,结构5s内振动衰减幅度可达91.3%。配置多作动器时,结构2s内振动衰减幅度可达94%,且作动器位置应靠近基础激励源。优化反馈增益系数,可明显提高结构振动控制效果。

关键词：空间索网-框架结构动力学分析谱元法带隙优化压电作动

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压电薄壳结构的形状主动控制研究

辽宁石油化工大学学报 2018年第1期38卷 79-83,96页

作者：赵民新史航李平辽宁石油化工大学信息与控制工程学院辽宁抚顺113001 上海宇航系统工程研究所上海200000

随着卫星、空间站等航天器日趋大型化、复杂化和高精度化,迫切需要研究采用形状控制的空间薄壳结构航天器,解决在火箭运载舱的空间限制下,实现其较高形状精度的大型航天器空间结构设计问题。针对压电薄壳结构设计形状主动控制算法,借助... 详细信息

随着卫星、空间站等航天器日趋大型化、复杂化和高精度化,迫切需要研究采用形状控制的空间薄壳结构航天器,解决在火箭运载舱的空间限制下,实现其较高形状精度的大型航天器空间结构设计问题。针对压电薄壳结构设计形状主动控制算法,借助于Abaqus软件对压电薄壳结构进行形状主动控制仿真,研制压电薄壳结构形状主动控制系统的地面演示样机和实验平台,研究结果表明,其形状控制率达到80.00%以上。

关键词：压电作动薄壳结构形状控制有限元分析原理实验验证

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压电复合板弯曲性能分析

常熟理工学院学报 2010年第8期24卷 55-57页

作者：韩国华靳晓雄侯艳芳张凯同济大学汽车学院上海201804 同济大学电信学院上海201804 常熟理工学院机械工程学院江苏常熟215500

在进行噪声和振动的主动控制中,压电作动片因其具有重量轻、安装布置容易等优点,越来越受到重视.本文研究了压电复合纤维板的弯曲特性,对不同的边界条件、复合纤维板的不同纤维角度、不同的电压、压电作动片的不同厚度,具体分析了复合... 详细信息

在进行噪声和振动的主动控制中,压电作动片因其具有重量轻、安装布置容易等优点,越来越受到重视.本文研究了压电复合纤维板的弯曲特性,对不同的边界条件、复合纤维板的不同纤维角度、不同的电压、压电作动片的不同厚度,具体分析了复合板的纵向位移.仿真结果显示了不同的边界条件对智能结构静态形状控制的影响.

关键词：主动控制复合板压电作动纵向位移