【摘 要】
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随着航空航天事业的发展,航天器在轨运行的振动不可避免。就航天器本体结构而言,太阳能电池板、空间机械臂及航天器基础构架等空间结构具有刚度低、阻尼小的特性,这些因素都致使航天器很容易受到内外干扰而发生振动,以致影响航天设备正常运行。因此对航天设备与装置的实时振动控制,已成为航天工程领域亟待解决的关键技术问题。本文主要对在外力作用下柔性结构的振动及控制进行研究,利用柔性悬臂梁作为控制对象,压电薄膜(Po
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随着航空航天事业的发展,航天器在轨运行的振动不可避免。就航天器本体结构而言,太阳能电池板、空间机械臂及航天器基础构架等空间结构具有刚度低、阻尼小的特性,这些因素都致使航天器很容易受到内外干扰而发生振动,以致影响航天设备正常运行。因此对航天设备与装置的实时振动控制,已成为航天工程领域亟待解决的关键技术问题。本文主要对在外力作用下柔性结构的振动及控制进行研究,利用柔性悬臂梁作为控制对象,压电薄膜(Polyvinylidene Fluoride,P VDF)作为传感器和致动器,从而分析其振动的控制问题。首先,运用有限元分析软件ANSYS APDL对悬臂梁结构进行建模、静态、模态、屈曲和瞬态的分析,得到了主动控制前结构的响应曲线以及压电梁的固有频率和振型,根据振型曲线确定了压电薄膜的最佳粘贴位置。其次,分析了PVDF的基本性能和正逆压电效应的特性,在此基础上,推导了压电传感器的传感方程和压电致动器的致动方程。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ANSYS得到的质量矩阵和刚度矩阵导入状态空间方程,推导出压电梁输出反馈的数学模型。再次,根据模糊控制的基本理论和模糊控制器的设计方法,设计并分析了8种不同隶属度的模糊控制器。在MATLAB/Simulink模块建立悬臂梁主动控制仿真模型,分别对8种模糊控制器进行了仿真分析,并对比了模糊控制方法和比例-积分-微分的控制效果。基于模糊控制器高斯隶属度函数控制器稳态误差最小,但不具备自学习能力、不能自动适应外界环境的改变,从而将模糊控制器与径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络融合。针对传统模糊RBF神经网络处理多维数据以及过分依赖于隐含层数据中心的选取存在的不足,本文提出基于改进的樽海鞘群算法(Salp Swarm Algorithm,SSA)优化模糊径向基神经网络来设计悬臂梁主动控制器。采用混沌映射的种群初始化策略、疯狂算子的领导者位置更新策略、精英保留及动态惯性权重的追随者位置更新策略改进的樽海鞘群算法来优化模糊径向基神经网络权值。最后,采用MATLAB来测试改进SSA前后的模糊RBF神经网络控制系统对压电悬臂梁的振动控制效果,通过仿真,可以得到各算法在振动抑制中的控制效果。同时仿真结果表明,应用改进的模糊径向基神经网络控制器可以有效地提升主动控制的振动效果,较原始SSA的控制方法,系统振动抑制平均提高了5 5%,控制性能更有效。
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