机敏约束阻尼层合结构的分散式振动主动控制

摘要

汽车车身轻量化对于提高汽车的燃油经济性尤为重要。而车身轻量化往往是以减薄车身结构、降低车身刚度为代价，势必会造成汽车车身结构相应的动态性能和NVH性能恶化，其中最为突出的是低频振动问题。机敏约束层阻尼是将被动阻尼和主动控制相结合的一种新型主动控制技术，其具有结构简单、响应快、可控频率宽、低频振动抑制效果良好等优点。针对汽车车身、太阳能帆板和船舶等大型复杂柔性结构的振动抑制问题，集中式振动主动控制存在传感器/作动器数目多、测量信息量大和控制器设计复杂等不足。分散式振动控制技术恰好能弥补集中式振动控制技术在大型柔性结构振动抑制中的不足，为汽车车身的低频振动问题提供新的解决方法与手段。　　本文将局部覆盖机敏约束阻尼的对边约束薄板结构作为研究对象，基于分散式控制思想，对汽车车身薄壁板件结构展开振动主动控制相关研究。首先，依据有限元法建立SCLD结构的动力学模型，引入GHM模型描述粘弹性材料的阻尼特性来提高数学模型的阻尼精度；其次，采用模态H2范数可控性优化准则对各子系统对应的作动器贴放位置进行优化，针对动力学模型自由度较大的问题，引入内平衡降阶与状态空间复模态截断的联合降阶法获得各子系统低维控制模型；然后，对于分散式系统出现的稳定化问题，采用局部状态反馈的稳定化方法，根据最优极点配置法设计带有观测器的局部状态反馈控制器，并利用各子系统相互间低输出反馈对控制器参数进行调整，使分散式闭环大系统具有良好的动态性能和全局稳定性；最后，搭建硬件在环实验平台，在不同外扰信号激励下对分散式闭环大系统的振动控制效果进行实验验证。　　研究结果表明：基于有限元法建动力学模型时，引入GHM模型和考虑基层板阻尼等结构阻尼的影响，使建立的理论模型与模态实验结果更贴近；采用联合降阶法可以对高维模型实现有效降阶，保证降阶前后结构的低阶固有特性基本保持不变；在不同外扰信号激励下搭建硬件在环实验平台进行实验验证，并取得了良好的控制结果，其中在第一阶固有频率（32Hz）正弦信号激励和前三阶固有频率（32Hz，53Hz，93Hz）叠加的复合周期信号激励下振动响应幅值分别衰减了48%和35%，在20～200Hz高斯白噪声信号激励下振动响应幅值的均方根下降了28%，同时在施加控制后振动响应信号表现得相对平稳。

目录

1 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机敏约束阻尼层合结构的建模研究

1.2.2 传感器/作动器优化配置研究

1.2.3 结构振动控制策略与方法研究

1.3 本文的研究目的与主要研究内容

①研究目的

②主要研究内容

2 机敏约束阻尼层合薄板结构动力学建模

2.1 压电材料的本构关系

2.2 粘弹性材料的 GHM模型

2.3 SCLD板结构总的动力学方程

2.3.1 假设条件及其运动关系

2.3.2 单元位移模型及形函数

2.3.3 SCLD单元能量关系

2.3.4 结构动力学模型

2.4.1 考虑基层板阻尼

2.4.2 引入 GHM模型的总动力学方程

2.5 机敏约束阻尼层合板动力学模型的实验验证

2.6 本章小结

3 控制系统传感器/作动器位置优化与降阶处理

3.1.1 传感器的贴放位置

3.1.2 压电作动器的位置优化配置

3.1.3 各子系统作动器的优化配置分析

3.2 SCLD板结构模型降阶处理

3.2.1 内平衡降阶

3.2.2 状态空间复模态降阶

3.2.3 子系统控制模型

3.3 联合降阶后模型验证

3.4 本章小结

4 机敏约束阻尼层合板结构分散式振动主动控制

4.1 局部状态反馈稳定化

4.2 子系统控制器的设计

4.2.1 期望极点的预选

4.2.2 局部状态反馈增益矩阵

4.2.3 子系统相互间的输出反馈增益矩阵

4.2.4 状态观测器的设计

4.2.5 引入观测器的状态反馈控制子系统

4.2.6 最大灵敏度指标

4.3 控制仿真分析

4.4 本章小结

5 分散式振动主动控制实验研究

5.1 实验目的及设备

5.2 振动主动控制实验

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B．第4章的部分图示

C．第5章的部分图示

D. 学位论文数据集

致谢