基于滑模控制的车身结构压电主动抑振技术研究

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基于压电智能结构的振动主动控制技术与方法是综合性的前沿学科,涉及到材料学、现代控制理论、力学、有限元分析、实验分析等各个领域,对其进行深入研究具有非常重要的科研意义和工程价值。在汽车领域,车身结构的轻量化和振动噪声都是评价汽车结构的重要指标,但是这两项指标又互为矛盾,追求轻量化就可能降低汽车结构刚度从而产生振动噪声,破坏驾驶员的乘坐舒适性。压电材料最主要的特性是正逆压电效应,而且本身质量也比较小,可以用于控制结构的振动。这为车身结构振动控制提供了新思路。本文利用压电智能结构理论,基于滑模控制算法对矩形薄板进行振动仿真分析,并搭建实验平台,对矩形薄板和车身顶棚进行振动控制实验。本文首先研究智能结构的发展历程以及振动主动控制在各个领域的应用,并对各种控制算法进行了对比说明,阐明了本项研究的意义。另外对作为传感器和致动器的压电材料的特性进行了阐述。本文对滑模控制理论的研究,包括其发展状况、切换条件以及应用等,并深入研究了滑模控制器的设计方法及思想。第三章主要利用D优化算法优化压电片可以粘贴的位置,并且根据优化的结果设置了四种不同的布置方案。利用D优化算法,根据Fisher信息矩阵,在模态分析的基础上导出矩形薄板各阶模态位移,并将各阶模态位移进行二阶差分、叠加,得到各阶模态应变之和最大的位置即为需要粘贴压电片的位置。另外推导出粘有压电片的四边固支矩形薄板的动力学方程和状态空间方程,为下一步仿真做准备。仿真分析部分,采用滑模控制算法对矩形薄板进行仿真分析。首先设计滑模控制器和状态观测器,然后在Matlab/Simulink中编写程序框图,分别针对压电片的不同布置情况施加正弦信号、阶跃信号和白噪声信号激励进行仿真分析。实验验证部分,分别搭建矩形薄板和白车身顶棚的实验平台,激励的施加方式分别为激振器激振和阶跃激振。实验控制过程中,用简单PID控制算法和滑模控制算法进行控制,进行对比分析。并且采用不同的传感器采集信号,如:加速度传感器、电涡流传感器和电阻应变片等。实验中采用NI公司生产的PCI-6229采集卡,结合LabVIEW软件进行数据采集、输出和处理,其中利用DAQmx进行数据采集和输出,采用生产者消费者循环进行数据处理,用滑模控制算法进行实验控制并对结果进行分析。最后对本文的研究总结,并对振动主动控制技术进行展望。本文研究结果表明,基于滑模控制的压电主动抑振技术能够对车身板件的振动起到抑振作用。
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