谐振系统的动力学响应分析与控制

机械系统中的刚柔耦合动力学分析

引言

机械系统的刚柔耦合动力学分析是研究刚性部件和柔性部件耦合工作时的振动特性和动力学性能的过程。刚柔耦合系统由刚性和柔性部件组成，其刚性部件具有高刚度和低振动特性，柔性部件则具有低刚度和高振动特性。刚柔耦合分析在现代工程设计和制造中具有重要的作用，尤其是在飞行器、机器人、精密仪器等领域中的应用。

一、刚柔耦合动力学模型

刚柔耦合动力学模型是描述该系统振动行为的数学模型。该模型可以基于刚体动力学和弹性体动力学原理建立。刚体动力学模型涉及质点、刚体的平移和旋转运动方程，弹性体动力学模型涉及刚体振动的波动方程和柔性部件的变形方程。综合考虑刚体和弹性体的动力学模型，可建立刚柔耦合动力学模型，用于研究振动响应和动力学性能。

二、刚柔耦合系统的耦合方式

刚柔耦合系统的耦合方式主要包括刚体与柔性部件的物理耦合和动力学耦合。物理耦合是指刚体和柔性部件通过连接件（如螺栓、焊接等）实现的实体耦合，确保其共同工作。动力学耦合是指刚体和柔性部件在振动过程中相互作用和影响。物理耦合和动力学耦合的研究有助于理解刚柔耦合系统的振动特性和动力学行为，提高系统工作的稳定性和可靠性。

三、刚柔耦合系统的振动特性分析 刚柔耦合系统的振动特性是研究该系统固有频率、模态形状和振型等振动性质的过程。通过振动特性分析，可以确定系统的谐振频率和振型，为系统优化设计和振动控制提供依据。常用的方法包括有限元分析、模态分析和振动测试等。其中，有限元分析是一种基于数值计算的方法，可以模拟系统的振动响应，模态分析可以获得系统的固有频率和模态形状，振动测试可以直接测量系统的振动状态。

四、刚柔耦合系统的动力学性能分析

刚柔耦合系统的动力学性能是研究该系统在外部激励作用下的响应和行为。动力学性能分析主要包括动力学模态分析、频率响应分析和阻尼特性分析等。动力学模态分析可以研究系统在特定工况下的振动行为和能量分布，频率响应分析可以研究系统在不同频率下的响应特性，阻尼特性分析可以研究系统的振动耗能和稳定性。这些分析有助于设计优化和振动控制，提高系统的工作性能和动态稳定性。

航空永磁电驱动系统比例谐振型自抗扰速度控制器设计

作者：陈哲 陈沛阳 滕国飞 李金程 骆光照

来源：《航空科学技术》2023年第12期

摘 要：襟缝翼机电作动器是飞机高升力系统中的关键运动部件，其速度控制对襟缝翼的姿态调节十分重要。然而，襟缝翼机电作动器易受到翼面周期性或非周期性气动载荷干扰，传统的比例积分型速度控制器性能实现受限。为此，本文提出一种基于比例谐振自抗扰控制器（ADRC），在抑制非周期性干扰基础上还可抑制特定次周期性干扰。周期性干扰通过采用比例谐振控制的扩展状态观测器来估计。通过试验，比较了比例积分型控制器、传统线性自抗扰控制器和比例谐振型自抗扰控制器的控制性能，验证了本文所提出的方法可以显著抑制干扰、提高机电作动器的速度控制精度，为飞机平稳起降提供技术支撑。

关键词：机电作动器； 永磁同步电机； 速度控制器； 周期性干扰； 比例谐振

中图分类号：TM34 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.12.008

基金项目： 航空科学基金（201919053002）

随着全电/多电飞机的快速发展，高功率密度机电作动器（EMA）在飞机飞行控制系统中得到了极大的推广，其大多采用具有高功率密度和高效率的永磁同步电机（PMSM）[1-3]。在飞机高升系统的襟缝翼EMA中，需要加、减速度快和速度控制精度高[4]。襟缝翼翼面在飞行中的气弹性载荷表现为周期性扭矩载荷[5]，对PMSM驱动器的速度控制精度产生很大影响。根据文献[6]、文献[7]中的分析，气动载荷或颤振的频率范围为25～250rad/s，并高度依赖其翼型的几何设计和材料特性。因此，设计出一种抗干扰能力强的速度控制器对提升航空EMA性能具有重要意义。

现有的比例积分微分（PID）速度控制器在周期性负载扰动存在时控制性能受限。为了设计一种更具抗周期干扰能力的速度控制器，许多学者尝试采用基于模型的控制策略，如模型预测控制[8]和内部模式控制[9]，以及无模型速度控制策略，如重复控制（RC）[10]和迭代学习控制（ILC）[11]。在过去的10年中，自抗扰控制器（ADRC）在EMA领域中也得到了广泛关注，其中线性型 ADRC（LADRC）的数学描述直观，并且方便采用传递函数进行分析[12]。本文采用LADRC作为速度控制器。为了抑制速度环的周期性负载干扰，在ADRC中加入比例谐振控制作为扩张状态观测器的一部分。本文提出的速度控制器保持了传统LADRC的优势，并对特定次周期性干扰有较强的抑制能力，可以实现襟缝翼机电作动器高精度的速度控制，为飞机平稳起降提供技术支撑。 1 机电作动器速度控制

・电力／电气化・　

考虑风载的接触网支持悬挂系统动力学响应分析　

孙立金　

（中铁道第四勘察设计院集团有限公司，武汉４３００６３）　

摘要：基于有限元方法对风载工况下的接触网支持悬挂系统　进行动力学响应仿真。考虑两个档距的包括支持装置、接触　线、承力索和吊弦组成的装置作为有限元分析研究模型，通过　对构件的形状、受力形式进行简化，并据此确定有限元分析单　元；以构件同时满足动强度和动刚度要求作为检算条件，在典　型运行＿Ｙ－况和自然风载下进行了瞬态响应分析。分析结果用　图形、数据双重表示，从而可直观有效地分析查找出构件受力　的薄弱点，并为开展具体设计时构件形式的选择、构件结构的　补强提供了科学依据。　关键词：接触网；悬挂系统；风载；有限元；分析　中图分类号：Ｕ２２５．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２９５４（２０１０）０６—０１１９—０３　

收稿日期：２０１０—０３—０３　作者简介：孙立金（１９６５一），男，高级工程师，１９８７年毕业于西南交通　大学。　１　概述　

随着列车运行速度的提高，对接触网可靠性提出　

越来越高的要求。由于接触网／受电弓系统在工作中　产生强烈振动，使接触网系统不仅受到大的静力作用，　而且受到动态力的作用。作为牵引供电系统的主体接　触网，其结构动态特性和在典型工况下的动力学响应，　

直接决定着电力机车受流质量，并最终影响列车的运　行速度与安全。因此，研究其动态特性和动力学响应　规律具有重要的工程实际意义。　

围绕接触网的动力学分析，国内外已有不少研究　工作，但同时考虑自然风载和工作载荷的研究却少见　报道，因此，本文选取一个支持装置并与这个支持装置　

相邻的两个全档距的接触网悬挂系统作为分析对象，　

◆◆◆●●●●◆◆◆●●●◆◆◆●●●◆●●●●◆◆●●●◆　●●●，●●◆●●　◆　欧式套欧式　后接头中欧式双欧式　欧式双后接头封堵头　管接口前接头间连接头头螺栓后接头头螺栓本体　后盖　

图１　１　“前接头＋后接头＋后接头本体一欧式避雷器”安装示意　

【142】 第40卷 第3期 

2018-03水下机器人动力学分析与控制系统研究

Research on dynamic analysis and motion control system of underwater vehicle

王永鼎，董亚龙

WANG Yong-ding, DONG Ya-long

（上海海洋大学 工程学院，上海 201306）摘 要：对6自由度水下机器人进行动力学分析和运动控制系统研究。首先，建立了水下机器人坐标系，考虑重力、浮力、水动力及推力等因素对水下机器人影响，建立了6自由度水下机器人的动力学模型，进而描述了水下机器人的复杂运动。在此基础上，设计了一种模糊逻辑控制器，对水下机器人进行运动控制。通过计算机仿真分析，验证了控制方法的有效性，对后续水下机器人控制系统的进一步研究，提供了依据和参考。关键词：水下机器人；动力学；运动控制；仿真分析中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2018)03-0142-04

收稿日期：2017-10-24基金项目：上海市科技兴农重点攻关项目（沪农科攻字（2014）第6-3号）作者简介：王永鼎（1963 -），男，上海人，教授，硕士，研究方向为海洋工程装备技术

。0 引言

近年来，随着经济的高速发展，用于水下检测及信

息收集的水下机器人的需求不断增加，水下机器人的研

究受到广泛关注。无人化、智能化的水下机器人将成为

一种趋势，特别是小型水下机器人，研发周期短，机动

灵活，成本低廉，常被用于河堤大坝水况监测、河道桥

墩水下信息收集，近海码头港口检修以及船舶外体水下

检测等，节省了大量的人力物力财力，其市场前景非常

广阔，因此对于水下机器人的研究具有重大的理论意义

和实际应用意义。

水下机器人由于其强非线性和耦合性，运动参数

不确定性以及工作环境复杂，易受外界干扰影响，其要

在水下完成指定任务，必须具备良好完善的运动控制系

统，这也要求我们首先对水下机器人进行动力学分析。