含時滯控制的主動結構實驗研究與參數識別

《含時滯控制的主動結構實驗研究與參數識別》是依託同濟大學，由宋漢文擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：含時滯控制的主動結構實驗研究與參數識別
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：宋漢文
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

本項目定位於套用基礎研究。主要研究主動結構的系統辨識理論和實驗技術，包括控制律、時滯、模態和非線性參數等辨識環節。以航天工程中氣動彈性、氣動加熱和伺服控制多場耦合顫振，摩擦導致的精密加工機械系統的切削顫振，橋樑與高層建築抗風等工程領域中出現的各種含時滯耦合的主動結構系統為套用背景，研究含時滯控制的主動結構實驗與參數辨識理論和方法。本課題將主要以實驗手段為主研究時滯耦合控制系統的實現問題，研究各種可實現時滯耦合背景下主動結構時滯參數的可辨識性條件與算法，觀察無法用仿真計算預測的動力學現象。實驗研究的重要性在於，深刻認識各種自然界和工程中存在的環境控制現象，通過觀察系統的動力學行為特徵和測量獲得的輸入輸出信息進行參數辨識，進行精確、準確的實驗建模，並藉此進行減振隔振結構最佳化、故障診斷、乃至基於既有環境控制下的二次人工主動控制律設計等等一系列工作，具有深刻的理論研究意義和工程套用價值。

結題摘要

動力學與控制系統的參數辨識是一個基本問題。現有的實驗模態分析體系主要集中在系統動力學特性參數的識別，線上性結構中，系統特徵與結構承受的輸入輸出無關，在這方面，辨識理論與工程套用已經基本臻於完善。但如果存在非線性因素及閉環控制因素時，系統特性不可避免的與具體輸入載荷有關，進一步，當結構處於無法測量的真實複雜環境載荷激勵時，已有的辨識理論無能為力，特別是控制迴路中具有時滯特徵的系統參數辨識，幾乎是空白的。所有上述問題都構成了課題研究的難度，也表現出了研究的價值和意義。課題主要針對受控結構的系統辨識理論和實驗，包括控制律、時滯、和非線性效應等背景下的參數辨識環節。 1. 非線性振動實驗數據分析與參數辨識 該領域目前主要研究方式是理論分析和數值仿真計算。本課題設計了一個具有剛度突變的非線性碰撞實驗，詳細觀察到一系列非常豐富、有趣的實驗現象諸如多周期、分岔和混沌運動及其演變過程，然後基於實驗數據進行了理論建模和數值模擬，並使二者達到較好的一致性，為非線性系統的實驗及參數識別積累了基礎。 2. 含時滯的結構閉環控制及其辨識 控制迴路中的時滯對於結構系統的動力學特性的影響十分複雜，它將有限自由度系統運動微分方程拓展到無限階，已有的理論認為時滯微分方程不能進行展開、逼近和截斷；進一步，對系統的穩定性造成了複雜的切換機制。本課題導出了一種在頻率域進行展開、逼近和截斷的方法，使時滯微分方程能夠等效為有限自由度系統的常微分運動方程組。成功的設計並實現了一套多自由度時滯實驗裝置，得到了比較理想的實驗過程和實驗數據，觀察到時滯造成的多頻及穩定性切換等特徵。在時滯參數辨識方面，將時滯控制效應表達為對結構模態參數的一種疊加修正，進而導出了相應的辨識理論，取得了滿意的效果。 3. 環境載荷未知下的系統動力學參數辨識 任何真實結構在實際工作條件下的時空分布載荷都是非常複雜的，一般來說也是無法精確測量和同步記錄的，稱為“工況模態分析”問題。1990年代以來，假定結構受到的載荷為互不相關的白噪聲，在此基礎上，以“隨機子空間”方法為代表形成了系列理論。本課題針對白噪聲假設進行了比較深入的研究，初步取得了突破，構建了基於在不可測量的、任意一般載荷激勵下僅僅使用回響測量數據的實驗模態分析與參數辨識理論，獲得了比較滿意的效果。