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控制理论与应用 2004年第2期21卷 211-216页

作者：陈勇孙炳楠楼文娟倪一清高赞明浙江大学土木工程学系浙江杭州310027 香港理工大学土木及结构工程学系

根据模态降阶理论,获得了斜拉索-阻尼器系统的降阶模型,有效地缩减了系统的自由度.根据ER/MR阻尼器特性和主动控制中LQG控制理论,建立了面向速度剪切的半主动LQG控制方法,并获得了很好的控制效果.本文设计了神经网络的观测器,使用的传... 详细信息

根据模态降阶理论,获得了斜拉索-阻尼器系统的降阶模型,有效地缩减了系统的自由度.根据ER/MR阻尼器特性和主动控制中LQG控制理论,建立了面向速度剪切的半主动LQG控制方法,并获得了很好的控制效果.本文设计了神经网络的观测器,使用的传感器数目大大减少,根据智能控制理论,设计了神经网络控制器,并提出采用该神经网络作斜拉索半主动控制的控制算法.振动仿真的结果表明,经过离线训练后的神经网络观测器和控制器,有效地抑制了斜拉索的振动.

关键词：斜拉索模态降阶 ER/MR阻尼器半主动振动控制神经网络控制器

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铁路接触网最优主动控制研究

铁道工程学报 2012年第3期29卷 79-84,90页

作者：杨岗李芾西南交通大学成都610031

研究目的:本文为研究主动控制对接触网性能的影响,建立了接触网有限元模型,应用Ansys软件计算模型的整体质量及刚度矩阵数据,并利用KMExtract程序分离出整体质量、整体刚度矩阵,据此建立接触网系统动力学方程。为便于系统仿真及控制器设... 详细信息

研究目的:本文为研究主动控制对接触网性能的影响,建立了接触网有限元模型,应用Ansys软件计算模型的整体质量及刚度矩阵数据,并利用KMExtract程序分离出整体质量、整体刚度矩阵,据此建立接触网系统动力学方程。为便于系统仿真及控制器设计,使用模态降阶法对系统降阶并将其转化为状态方程形式,而后为系统设计LQR控制器,使用simulink对实施主动控制前后的接触网系统进行动态仿真分析。研究结论:研究表明:(1)对接触网实施主动控制能有效改善其振动特性,接触网振动的最大值、最小值有较大降低,幅度达90%以上,均方差也有较大下降,幅度达70%以上,系统性能得到了极大提升。(2)在通过改变弓网自身参数的方法改善弓网性能遇到瓶颈时,接触网的主动控制或半主动控制将成为改善弓网性能的重要手段。

关键词：接触网模态降阶最优控制主动控制仿真分析

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智能空间刚架扰动抑制研究

智能空间刚架扰动抑制研究

作者：赵慧中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着空间光学技术的迅猛发展以及我国不断在空间探索上取得斐然的成绩,研究人员对于空间望远镜传递稳定影像的精度要求也越来越高。空间望远镜在太空中的运动会受到诸多扰动,尤以低频扰动最为明显,支撑刚架随之而产生低频振动,导致望远... 详细信息

随着空间光学技术的迅猛发展以及我国不断在空间探索上取得斐然的成绩,研究人员对于空间望远镜传递稳定影像的精度要求也越来越高。空间望远镜在太空中的运动会受到诸多扰动,尤以低频扰动最为明显,支撑刚架随之而产生低频振动,导致望远镜成像不稳定。此外,由于空间望远镜的主光路安装在支撑架上,支撑架的抗干扰能力将直接决定主光路的稳定。因此,本文针对空间望远镜的支撑刚架进行相关的扰动抑制研究,以期传递高精度影像。本文基于压电主动杆设计出智能空间望远镜支撑刚架结构,采用有限元方法和模态分析法建立了系统的动力学模型,进而得到相应的传递函数。由于空间刚架是一个高阶系统,采用模态截断的方法实现系统的模型降阶,以便于后续的分析和控制器的设计。为验证模态降阶的合理性和有效性,基于原系统频响数据采用矢量拟合辨识算法对降阶系统进行辨识研究,辨识出固有频率、阻尼比等模态参数并由此得到降阶系统的频响函数。仿真结果验证了矢量拟合辨识模态参数的准确性,并分别在频域和时域上验证了降阶模型的合理性和有效性。针对降阶系统模型采用自抗扰控制算法,将系统受到的未知扰动以及建模过程中的不确定性视为总扰动,实现对总扰动的实时估计和补偿。在仿真中对比控制前后节点的位移响应,以此说明了所提算法的有效性。为解决非线性状态误差反馈控制律中参数的整定问题,引入模糊控制算法实现参数的在线自整定,针对智能刚架系统设计出一种新型复合控制器,即模糊自抗扰控制器,它通过模糊逻辑推理自适应地实现参数的整定。进一步运用输入输出稳定性理论中的钝性定理得到闭环系统满足输入输出稳定的充分条件,仅通过考察模糊自抗扰控制器中非线性状态反馈控制律的增益参数便可以分析出系统的稳定性。对比普通自抗扰控制器进行仿真验证,所设计新型控制器一方面有效抑制系统所受到的扰动,另一方面快速客观地实现了参数自整定。

关键词：扰动抑制智能空间刚架压电主动杆模态降阶自抗扰控制模糊控制参数辨识矢量拟合

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气动弹性问题中的几何非线性降阶模型研究

气动弹性问题中的几何非线性降阶模型研究

作者：汪启航合肥工业大学

学位级别：硕士

气动弹性研究是飞行器研制过程中的重要环节,在气动弹性研究中几何非线性效应是壁板颤振、大展弦比机翼气动弹性等问题的一个主要特征,在进行数值仿真分析时往往需采用商业非线性有限元求解器,但是经常存在着计算效率低且迭代策略不易... 详细信息

气动弹性研究是飞行器研制过程中的重要环节,在气动弹性研究中几何非线性效应是壁板颤振、大展弦比机翼气动弹性等问题的一个主要特征,在进行数值仿真分析时往往需采用商业非线性有限元求解器,但是经常存在着计算效率低且迭代策略不易改变等问题,因此发展出一种适用于几何非线性分析的降阶模型(ROM)具有重要的意义。针对气动弹性研究中的几何非线性问题,本文开展了以下的研究工作:本文发展了一种适用于几何非线性的结构动力学降阶模型,利用广义坐标的非线性多项式表征非线性内力,通过增加额外的线性模态来改善模型精度,参与降阶计算的模态通过模态参与因子进行选取,采用强制力法对模型进行训练,并采用参数识别方法获取模型中非线性项多项式系数。将非线性ROM应用于静力学、动力学分析算例,根据典型关联分析(CCA)算法对计算结果的可信度进行评价,得到可信度大小均在95%以上,验证了本文所构建的非线性ROM的有效性。针对壁板颤振问题,本文建立了适应壁板结构特征的非线性ROM,给定来流条件基于三阶活塞理论对非定常气动力进行计算,并通过有限单元法将气动力作用于壁板上,将气动力带入所构建的非线ROM,计算可得到壁板非线性瞬态响应。求解得到壁板颤振速度为590 m/s,颤振频率为174 Hz,与有限元结果误差分别为0.8%、1.7%,各来流条件下极限环振荡(LCO)幅值误差均在5%以内,结果表明本文采用的降阶模型具有较高的预测精确。为提高气动弹性耦合仿真的计算效率,本文将非线性ROM接入Easy CFD求解器,通过构建MSPSlover模块实现CFD/ROM耦合过程中物理量求解及数据交换。CFD/ROM耦合过程中对于有限元部分利用ROM进行结构响应求解,并通过IPS插值将其作用于耦合交界面,气动网格受到位移加载后采用Delaunay Graph法进行更新,计算得到的气动力再通过插值向有限元部分传递,如此迭代实现高效的气动弹性耦合仿真,在耦合分析过程中通过紧耦合计算方式来提高计算精度。对AGARD 445.6标准算例进行颤振分析,0.499 Ma工况下计算得到的颤振动压为32500 Pa,与实验值误差在10%左右,各工况下的计算结果均表明了CFD/ROM求解模式的有效性;对切尖三角翼非线性颤振问题开展了时域响应分析,0.879 Ma工况下得到颤振动压为2.25 Psi,与非线性有限元相比的误差为3.8%,多个工况下LCO幅值和频率误差均在11%以内,结果表明CFD/ROM耦合求解模式具有良好的计算精度与参考价值,一定程度上可替代非线性有限元开展气动弹性分析。

关键词：几何非线性模态降阶降阶模型颤振分析 CFD/ROM

液压冗余驱动并联机构的上平台振动抑制方法研究

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液压冗余驱动并联机构的上平台振动抑制方法研究

作者：何俊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

并联机构以其承载能力强、刚度大、精度高等优点在学术上和工程上得到广泛研究和应用。冗余驱动并联机构相比于非冗余驱动并联机构有着更大的负载能力。冗余驱动并联机构常常通过减少上平台厚度来减少自身重量和提高负载能力,上平台的... 详细信息

并联机构以其承载能力强、刚度大、精度高等优点在学术上和工程上得到广泛研究和应用。冗余驱动并联机构相比于非冗余驱动并联机构有着更大的负载能力。冗余驱动并联机构常常通过减少上平台厚度来减少自身重量和提高负载能力,上平台的固有频率会随着厚度的减少而降低,在高频振动作用下,其上平台甚至整个机构都有可能会发生振动变形。在冗余驱动并联机构的各驱动支腿中存在一定的内力,本文主要通过研究控制各驱动支腿中的内力对上平台的变形或柔性造成的平台本身的振动进行一定的抑制作用。本文首先冗余驱动并联机构的运动学反解、运动学正解、雅克比矩阵进行理论分析求解,通过仿真分析验证了运动学正反解的正确性。之后对冗余驱动并联机构各支腿中的内力分析求解,根据机构驱动系统的压力信息及伪逆方法求解的内力矩阵,解算得到冗余驱动并联机构各驱动支腿中存在的内力,对该内力进行协调控制,并通过仿真分析验证内力协调控制的效果。根据添加冗余驱动支腿将实验室现有的非冗余并联机构样机改造成冗余驱动并联机构样机,通过实验验证冗余驱动并联机构在横向振动和升沉方向上振动时各驱动支腿的内力情况及内力协调控制的效果。接着将冗余驱动并联机构分解为柔性的上平台和刚性的驱动系统,利用有限元软件ANSYS对运动平台进行模态分析,通过集中质量法和模态空间变换法两种不同方法对运动平台进行模态降阶处理,通过分析比较两种模态降阶方法求解得到运动平台的状态方程的优劣,选择模态空间变换法得到运动平台在模态空间的状态方程。之后需要对振动主动控制的分析,本文选择线性二次型最优控制为对运动平台的振动主动控制,通过对线性二次型最优控制的分析以及权值矩阵选择分析,求解最优反馈矩阵,结合液压驱动系统和运动平台模态空间的状态方程构建,实现最优反馈控制对运动平台的模态空间中的状态方程的控制,并通过仿真验证最优控制反馈对运动平台的振动控制效果。之后建立整个冗余驱动并联机构运动与振动同时控制的控制方法和具体的结构控制框图,在建立冗余驱动并联机构运动与振动控制系统之前首先需要研究了运动控制策略及控制器设计、振动控制中运动平台传感器观测点(铰点)柔性变量的分析求解、振动控制器的分析设计以及振动闭环控制回路分析设计,其次建立被控制对象-三维的刚柔结合的ADAMS虚拟样机模型替代实际冗余驱动并联机构。之后根据上述结果最终建立起液压冗余驱动并联机构运动与振动控制的MATLAB和ADAMS虚拟样机模型,通过应用其虚拟样机得到的振动控制前后柔性变量的变化规律来验证振动主动控制方法的效果。

关键词：冗余驱动并联机构内力协调模态降阶振动抑制线性二次型最优控制

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基于谱方法的柔性悬架系统动力学建模与分析

基于谱方法的柔性悬架系统动力学建模与分析

作者：李晓飞广东工业大学

学位级别：硕士

悬架系统是车辆底盘中的重要部件之一,其主要功能是传递车轮与车架之间的力和力矩,减小由路况引起的振动或冲击对车架和车身的影响。当车辆行驶的路面条件比较苛刻时,悬架系统传递的力和力矩比较大,悬架系统中双叉骨梁不但经历着大位移... 详细信息

悬架系统是车辆底盘中的重要部件之一,其主要功能是传递车轮与车架之间的力和力矩,减小由路况引起的振动或冲击对车架和车身的影响。当车辆行驶的路面条件比较苛刻时,悬架系统传递的力和力矩比较大,悬架系统中双叉骨梁不但经历着大位移的旋转运动,还伴随着一定程度的弹性变形运动,这两者在悬架系统动力学建模中往往是耦合在一起的,所以悬架系统是一个典型的柔性多体系统,在对其进行动力学建模时必须考虑柔性梁的弹性变形。在采用假设模态法和有限元方法处理悬架系统中的柔性梁弹性变形时,需要先求解柔性梁的振型函数或者对柔性梁进行网格划分,才能拟合柔性梁的弹性变形,而且为了提升动力学模型求解精度,假设模态法一般是使用更多项数的振型函数来拟合柔性梁的弹性变形,有限元方法则是划分更多的网格,两者都会使动力学模型求解的计算量增大,产生计算效率低的问题。所以本文为了简化对柔性梁弹性变形的拟合处理和提升悬架系统动力学模型的求解效率,提出一种基于谱方法的悬架系统柔性多体动力学高效仿真求解方法。该方法通过谱方法离散拟合三维柔性梁的弹性变形位移,然后依据拉格朗日方程法建立悬架系统的柔性多体动力学模型,再利用模态降阶法对悬架系统柔性多体动力学模型降阶,最后通过广义α方法对悬架系统柔性多体动力学模型进行迭代求解。本文的主要研究工作如下:(1)简述了谱方法的基本原理及其特点,梳理了谱方法离散求解偏微分方程时选取基函数的原则,推导了依据谱方法求解一般偏微分方程的过程,并利用谱方法求解了二阶偏微分方程数值案例,验证了谱方法的准确性与快速收敛性。(2)通过浮动框架法建立了悬架系统的坐标系,依据悬架解耦方法对巴哈赛车悬架系统进行了结构解耦,然后利用谱方法将三维柔性梁的弹性变形位移场离散成了多项式有限级数形式,再通过拉格朗日方程法建立了基于谱方法的悬架系统柔性多体动力学模型(SM-DM)。(3)简述了当前柔性多体动力学模型常用的降阶方法及其优缺点,从高效性方面分析确定了模态降阶法更适合于SM-DM的降阶。根据悬架系统柔性梁的质量矩阵、刚度矩阵和模态求解公式求解了柔性梁的模态频率及其对应的模态向量,并将求得的模态频率转换成无量纲频率与基于ANSYS软件求解转换得到的柔性梁无量纲频率进行对比验证,结果表明:当离散柔性梁的切比雪夫正交多项式的项数达到10×10时,柔性梁无量纲频率的计算精度在有效数字三位小数点内不在发生变化,验证了模态降阶法的可行性。最后依据模态降阶法截断柔性梁低阶模态频率,并获取其对应的模态转换矩阵,然后通过模态转换矩阵对SM-DM进行降阶,获得基于谱方法的悬架系统柔性多体动力学降阶模型(SM-RDM)。(4)通过广义α方法对SM-RDM进行数值求解,并将SM-RDM的求解结果与SM-DM的求解结果、基于有限元方法的悬架系统柔性多体动力学模型(FEM-DM)的求解结果进行对比。以FEM-DM的求解结果作为准确值,对比结果表明:SM-RDM的车架z轴位移相对误差为2.77%,β转角位移的相对误差为3.16%,车轮1和4在z轴方向位移的相对误差分别为2.93%和2.74%;当选取的切比雪夫正交多项式的项数为20,选取的模态降阶数为160时,SM-RDM的柔性梁弹性变形相对误差在2.76%之内,SM-RDM的求解效率是FEM-DM求解效率的22.07倍;SM-RDM的柔性梁弹性变形计算精度相对于SM-DM的柔性梁弹性变形计算精度下降了0.779%,但是SM-RDM的计算效率为SM-DM计算效率的5.82倍。

关键词：谱方法悬架系统动力学建模模态降阶弹性变形

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斜拉桥拉索振动控制理论分析

斜拉桥拉索振动控制理论分析

作者：张贤才湖南科技大学

学位级别：硕士

拉索的高强度、轻质量使其成为高效的结构构造之一,然而拉索是柔性的且固有频率很低。因此，在外部作用力和支座移动下，拉索极易产生大幅度的振动,如尾流驰振、参数共振、涡激共振和风雨振等;在斜拉桥中，拉索的振动会使拉索锚固端产... 详细信息

拉索的高强度、轻质量使其成为高效的结构构造之一,然而拉索是柔性的且固有频率很低。因此，在外部作用力和支座移动下，拉索极易产生大幅度的振动,如尾流驰振、参数共振、涡激共振和风雨振等;在斜拉桥中，拉索的振动会使拉索锚固端产生微小的裂缝,且会使拉索的保护系统受到破坏，甚至导致拉索失效及对桥梁安全运营构成极大威胁。因此，研究拉索振动的机理及其振动控制措施对于斜拉桥的建设和维护具有重要意义。对于超细长拉索而言，采用被动控制、半主动控制来抑制其振动具有一定的局限性。目前，虽然主动控制尚存有一些问题，但它仍然是抑制拉索振动的一种有效的选择方法,本文主要是通过轴向支座移动来实施小垂度拉索的主动控制。本文是在国家自然科学基金项目的资助下完成的，主要研究了小垂度拉索的轴向振动控制，并对其进行了仿真分析。主要研究内容如下：（1）在综合大量国内外文献的基础上，介绍了结构振动控制的概念，对国内外有关斜拉桥拉索振动及其控制的研究现状和进展进行了回顾与总结。（2）介绍了目前常用的主动控制算法：极点配置、经典线性最优控制、瞬时最优控制、独立模态控制、滑动模态控制、H状态反馈控制及最优多项式控制等算法。（3）为了抑制小垂度拉索的振动，本文主要思路是通过拉索一端固定，拉索另一端通过作动器来实现的时变移动支座且沿着拉索轴向移动，从而达到施加轴向主动控制力的作用;利用模态降阶理论和Lagrange方程建立了小垂度拉索平面内振动的轴向单模态和多模态主动控制模型。（4）根据小垂度拉索振动的主动控制模型，用线性二次型（LQR）最优控制策略实现了在不同的荷载工况下，拉索平面内振动单模态和多模态的主动控制，并对控制效果进行了分析比较，最后求出最优主动控制力。（5）根据小垂度拉索振动的主动控制模型，应用Bang-Bang算法对拉索在不同荷载工况下，拉索平面内振动的单模态及多模态进行了半主动控制，并说明其对拉索振动的控制效果。

关键词：小垂度拉索模态降阶轴向主动控制单模态多模态线性二次型控制 Bang-Bang算法半主动控制

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多跨转子—轴承系统标高问题研究

多跨转子—轴承系统标高问题研究

作者：夏志鹏复旦大学

学位级别：硕士

一直以来,转子动力学的研究在国内外都十分活跃,广大科研工作者和工程技术人员在该领域发表了大量有价值的结论和成果。近年来,针对大型多跨多支撑旋转机械转子系统的轴承标高、模态降阶及非线性求解问题逐渐又引起了广泛关注,很多研究... 详细信息

一直以来,转子动力学的研究在国内外都十分活跃,广大科研工作者和工程技术人员在该领域发表了大量有价值的结论和成果。近年来,针对大型多跨多支撑旋转机械转子系统的轴承标高、模态降阶及非线性求解问题逐渐又引起了广泛关注,很多研究人员在这方面做了一些有意义的工作.本文首先给出了多跨转子轴承系统的轴承载荷分配、静平衡位置及动力系数求解的理论方法;其次探讨了轴承纵横向标高对系统载荷分配、动力系数和临界转速、失稳转速等静动特性的影响;最后介绍了求解非线性动力系统周期解的改进打靶法,基于新的模态降阶方法的非线性响应求解方法和轴承标高对非线性响应的影响。具体地,本文的研究内容主要有:(1)首先本文指出,传统上求解多跨转子-轴承系统载荷分配的简支模式在理论上是不正确的,运转过程中的转子系统在外载荷及轴承油膜力联合作用下的动平衡状态满足一组非线性方程,轴系的静变形(包括轴承处轴颈的位移)及轴承油膜力都是未知的,需要求解非线性方程得到.本文给出了此方程组及其求解方法。求解该方程组可同时得到系统的轴承承载分配、静平衡位置和轴承动力系数.(2)对于多支撑系统某些轴承存在纵向和横向标高的情况,通过适合的坐标转换得到轴承在存在标高情况下的油膜力和Jacobian矩阵(数值上为轴承动力系数的相反数),进而可以考察轴承纵横向标高与系统载荷分配、轴承动力系数、系统静平衡位置、系统阻尼自然频率、系统对数衰减率、系统临界转速和系统线性失稳转速等指标的定量关系.(3)针对有周期解的动力系统边值问题可以转化为初值问题这一特点,改进了非线性动力系统周期解的数值求解,在计算边界条件代数方程关于待定初值参数的导数的过程中利用前一次Runge-Kutta方法计算得到的节点函数值并通过再次利用Runge-Kutta方法获得了该导数值.消除了两次使用Runge-Kutta方法中截断误差不一致的问题,提高了计算精度。并且基于该方法计算了多跨系统的周期非线性响应,同时研究了轴承纵横向标高对系统周期非线性响应的影响。(4)基于Ritz向量直接叠加法(也称为WYD-Ritz向量法)的思想,使用一种更为合理的模态降阶方法,在考虑非线性力影响的前提下重新形成模态变换矩阵F,使用新的降阶方法,借助于Runge-Kutta方法研究了多跨转子系统的周期解失稳后的非线性动力学行为,同时也研究了轴承纵横向标高对系统非线性分岔行为的影响。(5)编制了本文算法的相关程序,对一个三跨、六支撑模拟转子-轴承系统,分别使用本文算法和简支模式,计算了系统轴承载荷、静平衡位置和动力系数;同时使用上述方法考察了轴承标高对系统载荷分配、静平衡位置、动力系数、阻尼自然频率、对数衰减率及临界转速、失稳转速的影响,使用改进的打靶法求解了该模拟转子—轴承系统的周期非线性响应.使用基于新的降阶模型的Runge-Kutta方法对模拟转子系统失稳后的非线性响应进行了计算,同时还研究了轴承标高对系统非线性分岔行为的影响。结果具有较强的工程意义,能为实际系统的安全运转和稳定性增强提供一定的理论和技术支持。

关键词：多跨系统轴承标高载荷分配模态降阶周期解非线性

大跨度斜拉桥Benchmark控制模型降阶研究及线性二次型最优算法实现

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福建建筑 2011年第3期 96-99页

作者：余友熙余香林余志勇厦门大学建筑与土木工程学院福建厦门361005

本文在二代斜拉桥Benchmark控制模型基础上进行分析,首先在实体模型建立时采用物理降阶进行自由度缩减,之后使用matlab控制工具箱对状态空间进行均衡实现并降阶,从而得到简化模型,之后基于线性二次型最优控制原理对模型采用了LQG算法主... 详细信息

本文在二代斜拉桥Benchmark控制模型基础上进行分析,首先在实体模型建立时采用物理降阶进行自由度缩减,之后使用matlab控制工具箱对状态空间进行均衡实现并降阶,从而得到简化模型,之后基于线性二次型最优控制原理对模型采用了LQG算法主动控制,并分析墩梁固结体系模型与原模型差别,加载地震波并进行时程响应分析,并比较了无控结构,固结体系和受控结构的时程响应结果及对比了主动控制的所得的一系列评价系数,得到了很好的效果。

关键词： Benchmark 模态降阶线性二次型最优控制固结体系 LQG