含时滞控制的主动结构实验研究与参数识别

The project is focus on the basic research and its application. It puts emphasis on the theory and experimental techniques of identification for the active structure, including the control law, time delay, modal analysis and non-linear parameters, etc. To study the theory and method for the identification of the active structure which contains time delay control, the flutter caused by the couple of the aeroelasticity, thermo-aeroelasticity and servo control in aerospace engineering, the cutting chatter due to the friction in the processing of the precise machinery system in mechanical engineering and the active structural system constituted by the coupling of wind and bridges or high-rise buildings which involves time delay in construction engineering are all taken as the application background. To observe the dynamic phenomena which can not be predicted through computer simulation, to study the realization problem of the active structural system which contains time delay control, and to obtain the identifiability conditions and algorithms for the parameters of the active structural system which can be realized, the experimental methods will be used widely in the research of this project. The experiment research methods can help the researchers get a better understanding of the phenomenon of a variety of environmental controls in nature and engineering. By observing the system's dynamic behavior characteristics and measuring its input and output data through experiments, the dynamics parameters can be obtained and identified. These parameters are indispensable for a precise and accurate experimental modeling. And then a series of works can be done upon the model, such as the optimization of vibration isolation structural system, fault diagnosis, and the artificial active control law design for an active structure under the environment control. These are of profound significance for theoretical research and great value for engineering.

本项目定位于应用基础研究。主要研究主动结构的系统辨识理论和实验技术，包括控制律、时滞、模态和非线性参数等辨识环节。以航天工程中气动弹性、气动加热和伺服控制多场耦合颤振，摩擦导致的精密加工机械系统的切削颤振，桥梁与高层建筑抗风等工程领域中出现的各种含时滞耦合的主动结构系统为应用背景，研究含时滞控制的主动结构实验与参数辨识理论和方法。本课题将主要以实验手段为主研究时滞耦合控制系统的实现问题，研究各种可实现时滞耦合背景下主动结构时滞参数的可辨识性条件与算法，观察无法用仿真计算预测的动力学现象。实验研究的重要性在于，深刻认识各种自然界和工程中存在的环境控制现象，通过观察系统的动力学行为特征和测量获得的输入输出信息进行参数辨识，进行精确、准确的实验建模，并藉此进行减振隔振结构优化、故障诊断、乃至基于既有环境控制下的二次人工主动控制律设计等等一系列工作，具有深刻的理论研究意义和工程应用价值。

动力学与控制系统的参数辨识是一个基本问题。现有的实验模态分析体系主要集中在系统动力学特性参数的识别，在线性结构中，系统特征与结构承受的输入输出无关，在这方面，辨识理论与工程应用已经基本臻于完善。但如果存在非线性因素及闭环控制因素时，系统特性不可避免的与具体输入载荷有关，进一步，当结构处于无法测量的真实复杂环境载荷激励时，已有的辨识理论无能为力，特别是控制回路中具有时滞特征的系统参数辨识，几乎是空白的。所有上述问题都构成了课题研究的难度，也表现出了研究的价值和意义。课题主要针对受控结构的系统辨识理论和实验，包括控制律、时滞、和非线性效应等背景下的参数辨识环节。.1..非线性振动实验数据分析与参数辨识.该领域目前主要研究方式是理论分析和数值仿真计算。本课题设计了一个具有刚度突变的非线性碰撞实验，详细观察到一系列非常丰富、有趣的实验现象诸如多周期、分岔和混沌运动及其演变过程，然后基于实验数据进行了理论建模和数值模拟，并使二者达到较好的一致性，为非线性系统的实验及参数识别积累了基础。.2..含时滞的结构闭环控制及其辨识.控制回路中的时滞对于结构系统的动力学特性的影响十分复杂，它将有限自由度系统运动微分方程拓展到无限阶，已有的理论认为时滞微分方程不能进行展开、逼近和截断；进一步，对系统的稳定性造成了复杂的切换机制。本课题导出了一种在频率域进行展开、逼近和截断的方法，使时滞微分方程能够等效为有限自由度系统的常微分运动方程组。成功的设计并实现了一套多自由度时滞实验装置，得到了比较理想的实验过程和实验数据，观察到时滞造成的多频及稳定性切换等特征。在时滞参数辨识方面，将时滞控制效应表达为对结构模态参数的一种叠加修正，进而导出了相应的辨识理论，取得了满意的效果。.3..环境载荷未知下的系统动力学参数辨识.任何真实结构在实际工作条件下的时空分布载荷都是非常复杂的，一般来说也是无法精确测量和同步记录的，称为“工况模态分析”问题。1990年代以来，假定结构受到的载荷为互不相关的白噪声，在此基础上，以“随机子空间”方法为代表形成了系列理论。本课题针对白噪声假设进行了比较深入的研究，初步取得了突破，构建了基于在不可测量的、任意一般载荷激励下仅仅使用响应测量数据的实验模态分析与参数辨识理论，获得了比较满意的效果。