结构声的分散式主动控制理论和实验研究

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结构的中低频辐射噪声控制一直是减振降噪研究领域内一个重要的研究方向,传统的被动噪声控制方法很难有效的控制结构的低频辐射噪声,而有源结构声控制技术是控制中低频结构辐射声的一种行之有效的方法。复杂结构的辐射声机理、执行器和传感器的选取以及控制器的设计是有源结构声控制中的关键问题。控制大型结构的辐射声时通常需要通道数较多,通道间的耦合性较复杂,如何有效设计多通道的控制器直接关系到结构声的控制效果。为了避免通道数增多引起控制器设计复杂度的提升,本文研究了分散式控制策略。首先以弹性板辐射声为控制对象研究了分散式控制策略的控制机理,提出了压电片虚拟吸收能的概念以优化控制效果,在此基础上设计了一种分散式反馈控制器,并提出一种无需次级通道建模的分散式前馈控制方法。控制大型结构时执行器的设计也是一个关键问题,本文随后针对水负载的加筋圆柱壳分析了其辐射声机理并基于压电堆提出一种新的执行器控制其振动和辐射声,为圆柱壳的分散式控制打下基础。研究成果包括以下四个方面:  (1)针对弹性板的辐射声研究了分散式速度反馈控制策略的机理,提出了压电片的虚拟吸收能的概念。压电片的虚拟吸收能是压电片布放周边位置的力矩和布放中心点速度的乘积。反馈增益是分散式速度反馈控制中的关键参数。利用压电片的虚拟吸收能可以近似得到最优反馈增益。数值计算分析结果表明,最大化压电片虚拟吸收能得到的最优反馈增益近似等于最小化板动能得到的最优反馈增益,但由于虚拟吸收能可实时测量,因此可实现在线获取最优反馈增益。文中还分析了带宽和通道数对虚拟吸收能作为目标函数的影响。此外还提出了一种反馈增益的多通道自调节鲁棒算法,利用该算法可使反馈增益近似收敛到最优值。进而还对分散式速度反馈控制的等效模态阻尼比进行了分析。结果表明利用压电片虚拟吸收能得到的最优反馈增益实施分散式速度反馈控制时能有效提高低频处的等效模态阻尼比。  (2)在数字域利用频域最小均方ⅡR滤波器设计方法和有效集最优化方法优化设计并实现了分散式反馈控制器。利用压电片和加速度传感器的同位配置单元,针对板实施了分散式速度反馈控制。所设计的反馈控制器能补偿数字系统引入的额外延迟以及压电片执行器和加速度传感器在高频时通道非同位配置的特性,且设计时不需要精确的通道传递函数信息。此外本文还将所提出的设计方法与前人在模拟域的设计方法相比较,结果表明所提出的设计方法在保证所关心频带降噪量条件下增强了反馈控制系统的稳定性。进而利用所设计的控制器从实验角度验证了压电片虚拟吸收能作为目标函数寻找最优反馈增益的有效性。所提出的分散式速度反馈控制器设计方法也可被应用于其它系统中。  (3)针对板的振动,提出了一种多通道的无需次级通道建模的分散式前馈控制策略。以补偿分散式速度反馈控制不能控制非模态频率处扰动的特点。该控制方法同样基于执行器和传感器同位配置的特点,并且从理论上被证明是稳定的。对数字控制系统提出了一种内模滤波器,通过该滤波器可使加速度信号转变为速度信号,并补偿由数字控制系统中抗混叠滤波器和平滑滤波器带来的影响。控制实验证明了所提出控制策略的有效性。  (4)针对轴向激励的水负载加筋圆柱壳,通过理论和数值仿真分析了其振动和辐射声的机理,在此基础上提出了一种新的基于压电堆力执行器的主动控制方法控制其振动和辐射声。该控制方法使用一对同向伸缩的压电堆平行布放于圆柱壳的侧壁上直接对圆柱壳的侧壁输出轴向力,当实施控制时,执行器两端产生大小相同方向相反的力,可直接抑制圆柱壳的轴向弹性形变,控制其各阶轴向模态。文中利用行波法和静态相位法分别求解圆柱壳的振动和辐射声信息。在不同目标函数下对所提出的控制方法进行了分析,且分析了压电堆力执行器布放位置对控制效果的影响。本文所提出的方法可控制的最大轴向激励力较压电堆力矩执行器相比提高了近两倍,且不需要基座结构或较大质量块以产生作用力,对原结构的动力学特性影响较小。所提出的控制方法为圆柱壳的分散式控制的实施打下基础。
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