一种MFC压电作动器的壳体振动分散控制方法及装置

一种mfc压电作动器的壳体振动分散控制方法及装置
技术领域
1.本发明属于壳体振动分散控制技术领域，具体而言属于一种mfc压电作动器的壳体振动分散控制方法及装置。


背景技术：

2.在航天航空领域对于壳体的应用十分广泛，多用于作为各种飞机、航天器、火箭和导弹等结构的外壳以及部分结构内部器件的承载体等；海洋工程业和造船业领域中，各行各业中所应用的这些壳体结构都会受到各种不同的外力作用，根据不同的工作环境的变化，如风载、冲击、海浪、地震、气动力、振动等载荷的作用。由于设备受到外部载荷的作用严重影响其工作效率，很多机械设备中的壳体结构很容易被破坏和报废都是由于这类振动引起的，对工业生产产生严重的损失。因此对壳体结构的振动特性的深入研究可以对相关设备进行减震以及降噪，具有十分重要的研究意义。
3.现有的壳体大部分都使用压电陶瓷片材料作为壳体材料，传统的压电陶瓷片材料存在许多缺陷。例如：容易出现脆性断裂，在处理和焊接时需要特别小心，无法应用于应变较大的场合。在长期使用过程中，压电陶瓷内部容易出现微小裂纹，可靠性降低，且很难粘贴在表面弯曲的结构上。压电陶瓷片的这些缺点也限制了压电陶瓷的广泛应用。鉴于这样的原因，mfc压电纤维复合材料应运而生，通过将压电陶瓷材料与其它结构材料的优异特性复合的方式，形成一个整体的执行器或传感器，弥补了单层压电陶瓷片的不足。基于压电复合材料的优势，mfc也得到了广泛的应用。
4.各行各业中所应用的这些壳体结构都会受到各种不同的外力作用，根据不同的工作环境的变化，如风载、冲击、海浪、地震、气动力、振动等载荷的作用。由于设备受到外部载荷的作用严重影响其工作效率，很多机械设备中的壳体结构很容易被破坏和报废都是由于这类振动引起的，对工业生产产生严重的损失。因此对壳体结构的振动特性的深入研究可以对相关设备进行减震以及降噪，具有十分重要的研究意义。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种mfc压电作动器的壳体振动控制方法及装置，本发明的方法将分散控制理论和有限元分析联合应用，便于在壳体的设计阶段进行振动控制预估，提高了分析效率，通过采用分散控制的方法，改善了壳体的振动特性，提高了控制的稳定性。
7.具体地，本发明是通过以下技术方案实现的：
8.第一方面，本发明公开了一种mfc压电作动器的壳体振动分散控制方法及装置，包括如下步骤：
9.s1、将mfc压电作动器内嵌入壳体中，对所述壳体施加作用力，并对所述壳体进行有限元模型分析，获得实验数据参数；
10.s2、根据所述实验数据参数，得到所述壳体的有限元模型的振动控制微分方程，将
所述振动控制微分方程转化成状态空间方程形式；
11.s3、对所述壳体划分子结构，并对所述状态空间方程和状态向量进行线性变换，得到变换状态空间方程、变换状态向量和子结构变换状态方程；
12.s4、基于包含原理将所述变换状态空间方程、所述变换状态向量和所述子结构变换状态方程进行扩展-解耦-收缩，得到扩展系统；
13.s5、从所述扩展系统中提取所述子结构的两两重叠子结构，对所述重叠子结构进行壳体振动的分散控制设计，在输出调节器问题中得到二次型形式的性能指标；
14.s6、应用数学软件计算得到所述重叠子结构状态反馈增益矩阵，通过所述增益矩阵计算出施加作用力过程中所产生的控制力矩的大小，从而对所述壳体进行振动分散控制。
15.本发明的壳体可以是航天领域中的各种飞机、航天器、火箭和导弹等结构的外壳以及部分内部器件的承载体等，或者海洋工程业和造船业领域中，各行各业中所应用的这些壳体结构。
16.本发明的s1步骤中，通过在壳体中间层设置mfc铺层，对壳体施加作用力，能够对壳体产生控制力矩，通过对壳体施加控制力矩的方式达到控制振动特性的目的。
17.本发明的方法利用控制理论中的lqr算法，把壳体的振动分散控制问题等价成输出调节器问题。采用施加控制力矩的分散控制方式，结合控制理论中的lqr算法与有限元模型分析联合，达到控制壳体振动特性的目的。
18.进一步地，所述s1步骤中，所述实验数据参数包括所述壳体的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、所述有限元模型中的全部位移坐标列向量和所述控制力矩的个数及各个所述控制力矩的施加位置。
19.具体地，s4步骤中，对原系统进行扩展-解耦-收缩的过程如下：
20.原系统扩展系统其中
21.x＝[x1(t),x2(t),x3(t)]
t
[0022]
三个子系统包含的状态分别为x1(t),x2(t),x3(t)，两个子结构包含的状态分别为x1(t),x2(t)与x2(t),x3(t)
[0023][0024]
引入扩展矩阵v,r,u,q与补偿矩阵
[0025]
[0026][0027][0028]
其中i代表单位矩阵，下标nj表示第j个系统状态分区的维数为n，mk表示第k个系统制分区的维数为m。
[0029]
则可得扩展系统的状态向量、状态矩阵与作动器位置矩阵
[0030][0031][0032][0033]
该方法一般用于对电力系统的分散控制，对于结构来说，矩阵中除对分块之外的元素都为零，则可分别从分块对角矩阵中提取处于解耦状态下的子结构1、2进行控制器的设置。
[0034]
进一步地，所述s2步骤中的所述壳体的有限元模型的振动控制微分方程为：
[0035][0036]
其中m，k，c分别所述壳体的质量矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵；
[0037]
q(t)＝[q1(t),q2(t),q3(t)
……qn
(t)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0038]
q(t)是所述有限元模型中的全部位移坐标列向量，所述有限元模型的自由度个数为n，u(t)是p
×
1维的所述控制力矩向量，w(t)是m
×
1维的外部激励向量，所述外部激励是水动力载荷，tu是n
×
p维的所述控制力矩定位矩阵，tw是n
×
m维的所述外部激励定位矩阵；
[0039]
所述振动控制微分方程(1)转化成状态空间方程：
[0040][0041]
和所述有限元模型的状态向量：
[0042][0043]
进一步地，所述s3步骤中，若把所述壳体划分为n个所述子结构，第i个所述子结构含有ni个自由度，可根据需求设置转换矩阵引入一个转换矩阵tr使得
[0044]
x(t)＝trxi(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0045]
从而获得变换状态向量：
[0046][0047]
xi包含了第i个所述子结构的变换状态向量；
[0048][0049]
所述变换状态空间方程为：
[0050][0051]
其中：
[0052]
a＝t
rai
t
r-1 b＝t
rbi e＝t
rei
[0053]
进一步地，所述s4步骤中，所述扩展系统为：
[0054][0055]
其中
[0056][0057][0058][0059]
进一步地，所述s5步骤中，所述在输出调节器问题中，性能指标取为二次型形式如下：
[0060][0061]
其中，q，r为调节参数。
[0062]
进一步地，所述s5步骤中，所述壳体振动的分散控制设计的方法包括：
[0063]
采用控制理论中的lqr算法，并且基于所述输出调节器的最优控制理论，进行壳体振动的分散控制设计。
[0064]
第二方面，本发明公开了一种mfc压电作动器的壳体振动分散控制装置，包括：
[0065]
数据参数获取模块：将mfc压电作动器内嵌入壳体中，对所述壳体施加作用力，并对所述壳体进行有限元模型分析，获得实验数据参数；
[0066]
方程计算与转化模块：根据所述实验数据参数，得到所述壳体的有限元模型的振动控制微分方程，将所述振动控制微分方程转化成状态空间方程形式；
[0067]
线性变换模块：对所述壳体划分子结构，并对所述状态空间方程和状态向量进行线性变换，得到变换状态空间方程、变换状态向量和子结构变换状态方程；
[0068]
扩展-解耦-收缩模块：基于包含原理将所述变换状态空间方程和所述变换状态向量进行扩展-解耦-收缩，得到扩展系统；
[0069]
重叠子系统提取与设计模块：从所述扩展系统中提取所述子结构的两两重叠子结构，对所述重叠子结构进行壳体振动的分散控制设计，在输出调节器问题中得到二次型形式的性能指标；
[0070]
壳体分散控制模块：应用数学软件计算得到所述重叠子结构状态反馈增益矩阵，通过所述增益矩阵计算出施加作用力过程中所产生的控制力矩的大小，从而对所述壳体进行振动分散控制。
[0071]
第三方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述壳体振动分散控制方法的步骤。
[0072]
第四方面，本发明公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述壳体振动分散控制方法的步骤。
[0073]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0074]
本发明提出的mfc压电作动器的壳体振动分散控制方法及装置，本发明的方法将分散控制理论和有限元分析联合应用，便于在壳体的设计阶段进行振动控制预估，提高了分析效率，通过采用分散控制的方法，改善了壳体的振动特性，提高了控制的稳定性；利用控制理论中的lqr算法，把壳体的振动分散控制问题等价成输出调节器问题。采用施加控制力矩的分散控制方式，结合控制理论中的lqr算法，与有限元分析联合，达到控制壳体振动特性的目的。
附图说明
[0075]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0076]
图1为本发明实施例提供的mfc压电作动器的壳体振动控制分散控制方法流程示意图；
[0077]
图2为本发明实施例提供的壳体有限元模型的结构示意图；
[0078]
图3为本发明实施例提供的壳体子结构的分布示意图；
[0079]
图4为本发明实施例提供的mfc压电作动器的壳体振动控制分散控制装置示意图；
[0080]
图5为本发明实施例提供的有无振动控制时的壳体结构位移最大处位移响应示意图；
[0081]
图6为本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
[0082]
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0083]
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
[0084]
参阅图1所示，本发明公开了一种mfc压电作动器的壳体振动分散控制方法，包括如下步骤：
[0085]
s1、将mfc压电作动器内嵌入壳体中，对所述壳体施加作用力，并对所述壳体进行有限元模型分析，获得实验数据参数；
[0086]
s2、根据所述实验数据参数，得到所述壳体的有限元模型的振动控制微分方程，将所述振动控制微分方程转化成状态空间方程形式；
[0087]
s3、对所述壳体划分子结构，并对所述状态空间方程和状态向量进行线性变换，得到变换状态空间方程、变换状态向量和子结构变换状态方程；
[0088]
s4、基于包含原理将所述变换状态空间方程、所述变换状态向量和所述子结构变换状态方程进行扩展-解耦-收缩，得到扩展系统；
[0089]
s5、从所述扩展系统中提取所述子结构的两两重叠子结构，对所述重叠子结构进行壳体振动的分散控制设计，在输出调节器问题中得到二次型形式的性能指标；
[0090]
s6、应用数学软件计算得到所述重叠子结构状态反馈增益矩阵，通过所述增益矩阵计算出施加作用力过程中所产生的控制力矩的大小，从而对所述壳体进行振动分散控制。
[0091]
具体地，针对某一型号的壳体，其有限元模型参见图2所示，采用壳体结构的模型，高mm底部宽mm，下端固定。壳体内部嵌有mfc压电作动器，壳体顶部受到f＝1000
×
sin(2.5
×
t)的竖直向下激励，单位为n。参阅图3所示，分别设置没有控制的振动和有lqr分散控制的振动，其中lqr控制中，三个子结构的权系数q和r均设为不同维度的单位阵。结构内部贴满mfc，得到有误振动控制时的壳体结构位移最大处位移响应，如图4所示。
[0092]
具体操作时，首先在ansys中对壳体模型进行有限元的莫泰分析，得到壳体的刚度矩阵，质量矩阵，阻尼矩阵以及有限元模型中的全部位移坐标列向量。在壳体中间层设置mfc铺层，对壳体产生控制力矩，通过对壳体施加控制力矩的方式达到控制振动特性的目的；并确定控制力矩的个数以及各个控制力矩的施加位置、所有控制力矩中的力的大小组成列向量；根据得到的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵以及全部位移坐标列向量和确定的控制力矩个数和位置，得到壳体的振动控制微分方程；具体地，壳体的有限元模型的振动控制微分方程为：
[0093][0094]
其中m，k，c分别所述壳体的质量矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵；
[0095]
q(t)＝[q1(t),q2(t),q3(t)
……qn
(t)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0096]
q(t)是所述有限元模型中的全部位移坐标列向量，所述有限元模型的自由度个数
为n，u(t)是p
×
1维的所述控制力矩向量，w(t)是m
×
1维的外部激励向量，所述外部激励是水动力载荷，tu是n
×
p维的所述控制力矩定位矩阵，tw是n
×
m维的所述外部激励定位矩阵；
[0097]
将壳体的有限元模型的振动控制微分方程改写成标准的状态空间方程表示形式：
[0098]
和所述有限元模型的状态向量：
[0099][0100]
根据得到的状态空间方程，对壳体划分子结构，并对状态空间方程和状态向量进行线性变换，得到变换状态空间方程、变换状态向量和子结构变换状态方程；
[0101]
若把壳体划分为n个子结构，第i个子结构含有ni个自由度，可根据需求设置转换矩阵引入一个转换矩阵tr使得
[0102]
x(t)＝trxi(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0103]
从而获得变换状态向量：
[0104][0105]
xi包含了第i个子结构的变换状态向量；
[0106][0107]
所述变换状态空间方程为：
[0108][0109]
其中：
[0110]
a＝t
rai
t
r-1 b＝t
rbi e＝t
rei
[0111]
基于包含原理将变换状态空间方程、变换状态向量和子结构变换状态方程进行扩展-解耦-收缩，得到扩展系统；
[0112]
具体地，扩展系统为：
[0113][0114]
其中
[0115][0116]
[0117][0118]
从扩展系统中提取子结构的两两重叠子结构，采用控制理论中的lqr算法，并且基于输出调节器的最优控制理论，对重叠子结构进行壳体振动的分散控制设计，在输出调节器问题中得到二次型形式的性能指标：
[0119][0120]
其中，q，r为调节参数。
[0121]
应用一般的商业数学软件，如matlab等，计算得到第i个子结构的状态反馈增益矩阵gi，通过增益矩阵计算出施加作用力过程中所产生的的控制力矩的大小，从而对壳体进行振动分散控制。
[0122]
参阅图5所示，图5为本发明实施例提供的一种mfc压电作动器的壳体振动分散控制装置，包括：
[0123]
数据参数获取模块：将mfc压电作动器内嵌入壳体中，对所述壳体施加作用力，并对所述壳体进行有限元模型分析，获得实验数据参数；
[0124]
方程计算与转化模块：根据所述实验数据参数，得到所述壳体的有限元模型的振动控制微分方程，将所述振动控制微分方程转化成状态空间方程形式；
[0125]
线性变换模块：对所述壳体划分子结构，并对所述状态空间方程和状态向量进行线性变换，得到变换状态空间方程、变换状态向量和子结构变换状态方程；
[0126]
扩展-解耦-收缩模块：基于包含原理将所述变换状态空间方程和所述变换状态向量进行扩展-解耦-收缩，得到扩展系统；
[0127]
重叠子系统提取与设计模块：从所述扩展系统中提取所述子结构的两两重叠子结构，对所述重叠子结构进行壳体振动的分散控制设计，在输出调节器问题中得到二次型形式的性能指标；
[0128]
壳体分散控制模块：应用数学软件计算得到所述重叠子结构状态反馈增益矩阵，通过所述增益矩阵计算出施加作用力过程中所产生的控制力矩的大小，从而对所述壳体进行振动分散控制。
[0129]
该装置主要由上述六个模块构成，通过该装置的搭建很好的实现同时挂在同一个文件系统可实现并进行操作的目的。
[0130]
具体实施时，以上各个模块可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。
[0131]
图6为本发明公开的一种计算机设备的结构示意图。参考图6所示，该计算机设备400，至少包括存储器402和处理器401；所述存储器402通过通信总线403和处理器连接，用于存储所述处理器401可执行的计算机指令，所述处理器301用于从所述存储器402读取计算机指令以实现上述任一实施例所述的壳体振动控制分散方法的步骤。
[0132]
对于上述装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0133]
适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、媒介和存储器设备，例如包括半导体存储器设备(例如eprom、eeprom和闪存设备)、磁盘(例如内部磁盘或可移动盘)、磁光盘以及cd rom和dvd-rom盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
[0134]
最后应说明的是：虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为限制任何发明的范围或所要求保护的范围，而是主要用于描述特定发明的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。
[0135]
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序执行或顺次执行、或者要求所有例示的操作被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中均需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中，或者封装成多个软件产品。
[0136]
由此，主题的特定实施例已被描述。其他实施例在所附权利要求书的范围以内。在某些情况下，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍实现期望的结果。此外，附图中描绘的处理并非必需所示的特定顺序或顺次顺序，以实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。
[0137]
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。