多源干扰下柔性喷杆结构的智能自主振动控制研究

The flexible spray bar is the core component of ultra-high gap sprayer, which can directly affect the performance of the spraying. The vibration is difficult to be suppressed rapidly due to the low internal resistance of the flexible structure, so it is easy to bring about structural fatigue and crop damages. The project aims at the irregular vibration caused by the multi-source disturbances which severely affect the stability of flexible spray bar structure. And based on a composite anti-disturbance method, a novel, feasible and effective vibration control strategy is researched in this fund declaration. The details include: (1) nonlinear dynamics analysis and multi-objective optimization design: the structural dynamics is analyzed via the mechanical vibration theory, the modal methods and the finite element method, to establish the electromechanical coupling model of the piezoelectric flexible bar structure. Then the system, especially the sensors/actuators, is reasonably arranged by the designed multi-objective optimization criteria and the global chaos optimization algorithm. (2) Intelligent autonomous vibration control design: Introducing the real-time prediction model and the adaptive acceleration damping techniques, a composite active vibration suppression vibration scheme based on the active disturbance rejection controller is proposed to reduce the vibration caused by the multi-source disturbances, such as the perturbation of system parameter, the modal coupling and spillover, the uncertain environmental excitations and so on. This composite anti-disturbance control method takes into account the two actions of feedback channel and feed-forward channel, so it can effectively solve the problem of control saturation caused by the feedback plus feed-forward composite method. (3) The system design and verification: an integrated compact and efficient digital system for the proposed composite active disturbance rejection vibration control strategy is set-up by employing the microprocessor, designing low power data acquisition and programmable circuit. The verification experiments with the piezoelectric flexible bar structure are also carried out in this digital system.

柔性喷杆是超高地隙喷雾机的核心部件，直接影响施药效果，而柔性结构内阻低，被激励的振动难迅速衰减，造成结构疲劳和农作物损伤。项目瞄准影响柔性喷杆稳定性的关键问题——多源干扰引起的振动，探索新型、有效的振动控制理论和应用技术。具体内容：(1)非线性动力学分析和多目标优化：利用多模态振动理论、模态法和有限元法对结构开展动力学分析，并建立系统的机电耦合模型，设计多目标优化准则，基于混沌优化算法对系统进行配置；(2)智能自主振动控制设计：引入实时预估模型、自适应加速度阻尼等技术，设计一套复合自抗扰振动主动控制方案，解决系统参数摄动、模态耦合和溢出、不确定环境激励等多源内外干扰引起的振动问题，由于兼顾反馈和前馈两种作用，有效解决“前馈+反馈”复合方法引起的控制量饱和问题；(3)系统设计及功能验证：利用微处理器、设计低功耗程控和采集电路，集成紧凑、高效的自抗扰复合振动主动控制数字化系统，并进行功能验证。

随着社会科学技术的迅速发展，工程实际的很多部件越来越向大型化、轻柔化和智能化方向发展，复杂工况下的压电智能结构由于复杂的外界激励环境和多样的边界条件，以及系统建模误差、多模态耦合和非线性等一系列不确定干扰所导致的振动难以抑制等问题，引起了越来越多的科研工作者和工程技术人员的关注。然后，实际工程中的压电智能结构尤其是四面固支的薄板结构存在的强耦合、模型不确定、系统时延以及传统微分环节放大高频噪声等问题，这些都会给压电结构的振动主动控制带来很大挑战。针对这些问题，本项目在一年期限内，开展了引起结构振动的干扰主动控制的若干理论和应用研究，提出了一套高性能的主动振动控制新方法，并基于NI-PCIe6343采集系统和压电智能结构，搭建了一套硬件在环实验平台，开展理论方法的功能验证。重点开展了这几个方面的研究工作：.首先，压电智能结构振动系统进行建模分析，针对实验模态分析法中需要测量的数据过多、以及测量精度高等难题，利用多普勒激光测振仪模态测量和分析系统，获得结构的振型和模态频率等数据，并采用辅助变量法，利用压电智能结构驱动器/传感器的输入/输出数据对，建立系统的机电耦合模型，为后续的控制系统设计提供动力学模型；然后，为获得更加优良的压电传感信号，尤其是复杂压电多模态结构振动测量，基于Adomian分解法和实验法设计了模态传感器；其次，针对压电智能结构振动控制系统中存在的控制时延和传统的微分器放大传感器量测噪声等问题，通过改进传统的微分环节，设计新型的Smith预估补偿器，使得振动控制系统作用于无时延环节；再次，设计自抗扰振动控制器，引入扩张状态观测器（ESO）对建模误差、高次谐波和外部环境的激励等内外干扰进行估计，并通过前馈通道进行实时补偿，消除其对系统的影响，实现最佳的振动抑制；并且，基于压电式传感器、压电片驱动器、NI -PCIE的采集系统在Matlab/simulink的Real-Time环境中搭建四面固支板结构的半实物实验平台，对提出的控制策略进行功能验证；最后，通过引入MPC、模型补偿器和神经网络等技术解决传统的LADRC的PD反馈环节难以处理强非线性和难以利用模型信息等问题，并进一步验证所提改进控制方法的有效性。