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为实现对带有模型尾支杆支撑系统在吹风过程中振动特性的实时控制,以压电陶瓷叠堆为减振元件设计了尾支杆一体化结构;提出了神经网络PID(Proportion-integration-differentiation)实时控制方法,建立了该尾支杆一体化结构的运动方程,推导出神经网络进行系统识别的状态方程,以此为基础进行控制器的设计并基于Labview软件编写控制程序;最后在风洞中,对该控制方法的控制效果进行了试验验证。试验表明利用该控制系统可进行实时控制;对不同风速下激励的振动,控制后的均方根幅值(Root me
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第
46
卷第
4
期
2014
年
8
月
南京航空航天大学学报
Journal
of
Nan
jin
g
Un
i
versity
of
Aeronautics
&
Astronautics
压电叠堆主动减振的神经网络
PID
实时控制
陈万华
1
,
2
王元兴
2
沈
星
3
聂旭涛
2
黎壮声
2
(1.
中国
空气动
力研究与发展中心
空气动
力学国家重点实验
室,绵
阳,
621
000;
2.
中国空气动力研究与发展中心,绵阳,
621000;
3.
南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京,
210016)
Vo
l.
46
No
. 4
Aug. 2014
摘要:为
实现对带有模型尾支杆支挎系统在吹风过程中振动特性的实时控制,以压电陶瓷叠堆为减振元件设计
了尾支杆一体化结构;提出了神经网络
P1D(
Proportion-i nt
eg
ra tion-differentia
tion)
实时控制方法,建立了该尾支
杆一体化结构的运动方程,推导出神经网络进行系统识别的状态方程,以此为基础进行控制器的设计并基于
L
a
bview
软件编写控制程序;最后在风洞中,对该控制方法的控制效采进行了试验验证
。
试验表明利用该控制
系统可进行实时控制;对不同风这下激励的振动,控制后的均方根幅值
(Root
m
ea
n
sq
uare,
RMS)
减小
55%
以
上,且该控制方法具有良好的鲁棒性、可
靠性和容错性。
关键词:
实时控制;压电陶瓷叠堆
;P
lD神经网络;主动减振
中图分类号
:
TP21
文献标志码
:
A
文章编号:
1005-2615(2014)04-0587-
07
Neural
Network
PID
Real-Time
Control
for
Active
Vibration
Reduction
Using Piezoceramics Stacks
Chen
Wanhu
α
1.
2
Wang
Yuanxing
2
,
Shen
Xing
3
,
Nie
Xutao
2
,
Li
Zhuangsheng
2
(1. State K
ey
Laboratory of Aerodynamics, China Aerodynami
cs
Research and Development Center ,
Mi
a
ny
a
口,
621000 , China;
2.
China Aerodynamics Resear
ch
and Development Center, Mianyang, 621000 , China;
3.
State Key Laboratory of M
ec
ha
nic
s
a
口
d
Control of Mechanical Structures, Nar>jing University
of Aeronauti
cs
&.
Astronautics ,
Na
njng , 210016 , China)
Abstract:
To
contro
l
vibrat
i
on
of
support
cant
il
ever
installed
model
in
rea
l
time
in
wind
tunne
l , a
sup
port
cant
il
ever
structure
integrat
ed
with
piezoceramics
stacks
,
us
ed
as
damping
el
ements
, is
des
i
gned
.
And
a
neura
l
network
proportion
-i
ntegration
-diff
erentiation
(PID)
rea
l-
time
contro
l
method
is
proposed.
T
h
巳
dynamics
equation
of
the
support
cant
il
ever
is
estab
li
shed
,
and
the
state
equat
i
on
for
system
identi
fication
is
deduced
through
the
neural
network.
After
that
,
the
contro
ll
er
is
designed
and
rea
li
zed
by
programming
b
ase
d
on
Labview
software
.
Finally
,
the
exper
im
ents
in
wind
tunne
l
are
implemented
to
va
lid
ate
the
effectiveness
of
the
contro
llin
g
method.
The
expe
rimental
results
indicate
that
real
-
time
vi
bration
reduction
can
be
executed
by
t he
control
system
.
For
vibrations
excited
in
wind
tunne
l
at
diff
er
ent
w
ind
speeds
,
the
root
mean
square
(RMS)
amp
li
tudes
of
vibrations
are
decreased
by
more
than
55
%
using
the
contro
l
system
in
rea
l
time
.
The
contro
l m
et
hod
is
possessed
of
robustness
,
re
li
abi
li
ty
and
faul
t-
to
l
erance
.
Key
words:
real-time
contro
l;
piezoceramics
stacks;
PID
neural
network;
active
v
ib
rat
i
on
reduction
在大多数的风洞试验中,吹风模型及其支撑系
统构成了
一
弹性悬臂梁结构,
主要
包括试验模型、
应变仪天平、尾支杆等(如图
l
所示)。在吹风试验
时
,由于气动力是一宽频激励载荷,很容易引起该
支撑系统产
生共振
。
如果振动幅度过大、频
率过高
,
这不仅严重影响试验数据的准确性,而且在共振条
基金项目:
空气动
力学国家重点
实验室基金
(S
KLA2
009
A0
103)
资
助项目
青蓝工程"资
助项目
。
收稿日期:
2013
-
07
-
20;
修订日期:
2013-
09
-
11
通信作者:
沈星,男,教授,博士生导师,
E-mail:
s
h
e
nx
@
nuaa.
ed
u.cn
。
588
南京航
空
航天
大学学
报
第
46
卷
飞机模型
图
1
模型支撑结构
Fig. 1
Supporting
s
trutur
e with modeJ
件下极可能导致相对脆弱的应变仪
天平
的损坏,
甚
至尾支杆的断裂,给试验带来严重的安全风险及经
济损失
。
如何针对吹风过程中尾
支
杆振动特性进行
有效地抑制,是风洞试验中急需要解决的关键问题
。
压电陶瓷的出现及振动
主
动控制方法的提出为解决
这
一
难题提供了新的思路
。
压电陶瓷具有响
应速度
快、频
率范
围宽、驱动力大的优点,在
不
改变尾
支
杆
主要
结构的基础上,通过在局部安装压电陶瓷组件,
利用压电陶瓷的逆压电效
应使
其产生与尾
支杆
振动
相反的力矩,从而达到
主
动减振的目的
。
Ba
il
ey
等人开
启了将压电材料应用于
主
动减
振的研究
[
I
J
。
此
后众多学者
从不同的角度对压电
材料的减振方法进行了研究和探索,
主要
包括两方
面的内容:
一是
减振元件压电材料片的位置、尺寸
优化问题
由
;
二是
对压电片的控制问题
。
两方面研
究目的是都为了有效地实现利用压电片进行振动
减振
。
其中对压电片的位
置
、尺寸优化问题的研究
主要
涉及到结构设计方面的研究,朱灯林等人在对
压电片和
基
板的棋
合
特性进行分析的
基
础上,以系
统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁
压电片的位
置
、尺
寸和控制参数的优化模型,并对
优化结果的动态响
应
特性进行仿
真分
析
问
。
钱锋
等以零
-
最优问题来描述致动器
/
感应器的位置优
化问题,利用遗传
算
法进行求解,结果表明采用遗
传
算法
搜索压电致动器
/
感应器的最优位置
十
分有
效
[
4 J
。
在压电控制研究方面,
St~Am
a
nt
等
建立了
集成
压电元件矩形板的频
率范围
内的理论模型,设
计了包含前馈和反馈的控制模拟器,探讨了在
实
际
控制中影响系统识别和控制性能的各种因
素
[
5J
Caruso
等为了获得更优的控制效果,建立多压电
作动器和传感器的模态模型,基于陀控制
律
设计
了用于最小化随机扰功能量的控制器
时
。
Hu
等
为克服集成压电作动器圆盘结构系统模型的不确
定性,提出了
一
种具有
鲁棒 性的
主
动控制方法,所
设计的控制器包括标准的线性
二次控
制器和非线
性控制 信号
[
7J
Li
等设计了
μ
合成控
制器,利用
控制设计过程的不确定权值量化模
型
中的不确定
性
问
。
So
口
g
等则研究了具有压电作动器与
应变传
感器的柔性连杆机构的振动控制,设计了离散
LQG
状
态反馈
控制器
与离散
K
a
lm
a
n
滤波器,以
改
善
机构的动力
学
性能
川
。
何丽丽等采用
LQG
控制和
鲁
棒
H
∞
控制技术设计振动主动控制系统,
实现对悬臂梁振动的抑制
[
I
OJ
。
综合
现有压电
主
动减振的研究,其研究对象
多
为集成有压电片作动器和传感器与柔性板或杆,而
以单个或成组压电片作为作动器,其驱动力有
限
[
11
J
对于刚性较大的结构,仅利用压电片作动
器无法输出大的驱动力或力矩,难以达到减振的目
的
。
现有的控制
算法及控
制器的设计也
是基
于压
电片作动器和传感器进行的,且
多为理
论方面的探
索和验证
。
对于具有更
高
驱动力的压电
叠
堆及其
实
时振动控制方面的研究鲜有报道
[
1
2-13
J
。
本文针
对吹风模 型尾支杆
振动特性,以压电
叠
堆作为减振
元件设计了尾支杆
一
体化结构;提出了以
应变
仪
天
平信号为反馈的
PID
神经网络的实时控制方法,
基于
Labview
软件编
写
控制程序;最后在吹风条
件下对该控制方法进行
了试验验
证,结
果表
明利用
所设计的结构及提出的控制方法可
实
现对模
型尾
支杆
振动
实
时有效的抑制
。
1
系统模型
安装有压电陶瓷叠堆的尾支杆支撑结构如图
2
所示,两组压电陶瓷
叠
堆作动器布 置在尾支
杆后
端的上、下处
。
其
主
动减振原理
是
,当结构
受
到外
部气动力激励产生振动时,利用压电叠堆在电压激
励下产生的驱动力给尾
支杆
施加相反的
弯矩
,达到
衰减
振动的目的
。
具体说,当尾
支杆
向
上弯
曲时,
激励上方的压电陶瓷叠堆作动器产生作动力,施加
向下的
弯矩
抑制尾
支杆
的向上
弯
曲;反之,当尾
支
杆向下
弯
曲时,下方压电陶瓷
叠
堆作动器则产生向
上
的
弯矩
以抑制其向下
弯
曲
。
气动力
t
图
2
安装有压
电陶瓷
叠
堆的模型支撑结构
Fig. 2
Supporting
s
truture
of modeJ in wind
tunn
eJ
with piezoceramics stacks
为实现对该结构振动的控制,需建立相应的运
动方程
。
假设整个
支撑结
构为同种材料,即具有相
同的力
学
特性且为
一整
体弹性结构
。
在气动力激
励下,其运动方程为
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