旋转电流变弹性体夹层梁的振动控制

论文摘要

在集成电路装备制造业领域,旋转柔性梁的振动控制是一个研究热点,其中应用智能材料进行主被动一体化控制是一个重要的研究方向。在智能材料中占有重要席位的电流变材料发展出了新的分支——电流变弹性体。这是一种将可极化颗粒混合在弹性胶体中的类似于橡胶的弹性体,它保留了电流变材料刚度和阻尼可调的性能,同时解决了长期困扰电流变液应用的性能不稳定、颗粒沉降和泄漏问题,因此拥有比电流变液更广泛的工程应用潜力。但将电流变弹性体应用到旋转柔性梁的振动控制中的报道还不多见。本文以旋转电流变弹性体夹层梁为研究对象,首先简单介绍了旋转柔性梁的建模和振动控制及其实验系统的研究进展。然后基于一次近似模型和有限元方法建立了夹层梁的动力学模型。对不同外加电场和不同转速条件下旋转夹层梁的振动特性进行仿真分析,仿真结果显示,外加电场增大将会使夹层梁的模态固有频率和损耗因子都增大,有利于抑制梁的振动;而旋转速度的加大会导致夹层梁的损耗因子减小,不利于梁的振动控制。旋转电流变弹性体夹层梁的振动特性实验结果则显示,将电流变弹性体应用在旋转夹层梁的振动控制中是可行的。然后采用复合控制方法,将旋转电流变弹性体夹层梁的振动控制分成运动控制和振动控制两个子系统进行控制。运动控制部分使用带非线性微分器(ND)的PD反馈控制方法,振动控制部分采用模糊控制方法。仿真结果表明,带ND的PD控制要优于普通PD反馈控制,能满足运动部分的控制要求;在存在外部干扰的情况下,模糊控制比单一的电场控制能更好的抑制旋转夹层梁的振动,这说明复合控制方法是有效的。最后设计、搭建了实验系统,对旋转电流变弹性体夹层梁进行了点对点实验。实验结果验证了旋转夹层梁振动控制中的运动控制算法的有效性,并为后续实验积累了经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 电流变材料及其在振动控制中的应用
• 1.3 旋转柔性梁的动力学研究现状
• 1.4 旋转柔性梁的振动控制研究进展
• 1.4.1 被动控制
• 1.4.2 主动控制
• 1.4.3 复合型控制
• 1.5 旋转柔性梁的实验研究进展
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 旋转电流变弹性体夹层梁的动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 旋转电流变弹性体夹层梁的有限元模型
• 2.2.1 基本运动关系
• 2.2.2 形函数以及自由度
• 2.2.3 夹层梁的应变能
• 2.2.4 对旋转夹层梁的做功
• 2.2.5 夹层梁的动能
• 2.2.6 夹层梁的整体运动方程
• 2.3 旋转电流变弹性体夹层梁的动力学仿真和实验
• 2.3.1 仿真分析
• 2.3.2 振动特性实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 旋转电流变弹性体夹层梁的振动复合控制
• 3.1 引言
• 3.2 PID 控制原理
• 3.2.1 模拟PID 控制原理
• 3.2.2 数字PID 控制原理
• 3.3 旋转电流变弹性体夹层梁的运动控制
• 3.3.1 带非线性微分器的PD 反馈控制器
• 3.3.2 运动控制仿真分析
• 3.4 模糊控制
• 3.4.1 模糊控制基本原理
• 3.4.2 模糊控制器设计的一般方法
• 3.5 旋转电流变弹性体夹层梁的振动控制
• 3.5.1 模糊控制器的设计
• 3.5.2 振动控制仿真分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋转电流变弹性体夹层梁振动控制实验
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统的组成
• 4.3 实验平台的设计
• 4.3.1 确定机构部
• 4.3.2 确定运转模式
• 4.3.3 计算负载惯量
• 4.3.4 预选电机
• 4.3.5 负载惯量比
• 4.3.6 转速
• 4.3.7 计算转矩
• 4.3.8 重选电机
• 4.3.9 减小负载转动惯量
• 4.3.10 确定伺服电机
• 4.3.11 实验平台基座设计及装配图
• 4.4 实验平台的搭建
• 4.5 点对点运行实验结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文的主要工作内容
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及研究成果