项目名称: 基于光致伸缩驱动器的复合材料柔性结构振动无线主动控制研究

项目编号: No.10872090

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2009

项目学科: 轻工业、手工业

项目作者: 郑世杰

作者单位: 南京航空航天大学

项目金额: 39万元

中文摘要: 建立了用于光致伸缩层合结构振动无线主动控制仿真分析的力、电、光、热多场耦合有限元列式方法,该方法考虑了光致伸缩驱动器刚度对结构振动特性的影响,可用于任意复杂边界条件和物理属性结构的振动无线主动控制仿真分析。推导了光电层合简支板的独立模态控制方程,以模态控制力指数作为遗传算法的适应度函数,基于二进制编码的遗传算法对用于简支板振动控制的单对、双对光致伸缩驱动器的布局进行了优化,计算机仿真结果表明优化后的驱动器布局方案可有效提高板结构振动控制的有效性。在此基础上提出了一个初步的板结构多模态振动控制方法,仿真算例表明该方法可有效地对简支板的前二阶模态进行振动无线控制。基于变结构控制理论推导了最优光强切换面的函数形式,设计了参数自调整模糊主动控制器,引入了消除抖振的方案。数值仿真分析表明该控制策略提高了能源利用率,有效的抑制了振动。提出了一种将二进制编码的GA和LQR相结合的光电层合板振动控制方法,该方法仅需优化三个加权系数,即可获得最大化的模态控制力指数、闭环阻尼比及最合适的输入光强,减少了遗传算法染色体的编码长度,提高了计算效率。搭建了实验平台,开展了初步的实验研究。

中文关键词: 光电有限元;振动无线主动控制;光致伸缩驱动器;遗传算法

英文摘要: A novel opto-electromechanical solid shell finite element formulation is developed for accurate analysis of the multiphysics effects of photovoltaic, pyroelectric and thermal expansion of photostrictive materials. The present approach considers the effect of photostrictive actuators on the inertial mass and effective stiffness of the structures, and can be used to simulate the wireless vibration control of flexible structures with any boundary conditions and physical properties. Dynamics and modal control equations of a photostrictive laminated a simply supported plate are presented in this paper. The layout of photostrictive actuators for active vibration control of a simply supported plate is optimized by using a binary-coded genetic algorithm, in which the normalized modal control force indexes are chosen as fitness function of GA. The simulation results demonstrate that the new control method is more effective. Furthermore, a novel multiple modal control method is researched in this paper and numerical examples show that the present approach can be used to control the first two modes of a plate effectively. Due to the switching actuation and nonlinear dynamic characteristics of photostrictive actuator, sliding mode fuzzy active controller was proposed to suppress the vibration. In order to further increase the range of sliding mode to facilitate vibration suppression, the function of the optimal switching surface was derived. Continuous function was applied to replace sign function to reduce the variable structure control chattering. Numerical simulation results show that the proposed control strategy provides better performance and control effect to plate actuation and control, and improves energy efficiency and effectively suppresses vibration. A binary-coded GA based combined optimal placement and LQR control scheme has been incorporated, which maximizes the modal force index, the closed loop damping and minimizes input light intensity to the actuators. In the present method only three weighting factors have been used to search optimal Q and R matrices using GA, which reduces chromosome length and hence minimizes computational time. Numerical results demonstrate that the use of strategically positioned actuator patches can effectively control the fundamental modes that dominate the structural vibration.An experimental platform has been set up and a preliminary experimental research are carried out.

英文关键词: pto-electromechanical solid shell finite element formulation;wireless vibration controlgenetic;photostrictive actuators;genetic algorithm

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