基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构及方法

摘要

一种基于分布式压电作动器结构振动主动控制电路优化结构，它由分布式压电作动器、压电梁和电路结构组成，分布式压电作动器通过电线连接电路结构与压电梁。它能够方便地改变压电作动器的极向，克服了传统作动器无法激励复杂振动的困难，是一种设计新颖、可以广泛应用于实践的分布式压电作动器主动控制的优化结构，它提高了分布式压电结构主动振动控制效果，并且可以通过该结构的电路调整和增减以满足多模态控制；基于分布式压电作动器结构振动主动控制电路优化方法，有五大步骤。本发明在结构振动主动控制领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路的优化结构及方法，包括通过 该电路的应用显著提高压电作动器在振动主动控制的效果和效率，属于结构振动主动控制领 域。

二、背景技术

近几十年来，随着科学技术的发展和需要，飞行器、船舶等结构的振动条件日益复杂与 严酷，如何有效准确的进行结构振动主动控制成为众多文献关注的一个热点，其中，压电作 动器在结构振动主动控制领域的应用极大的鼓舞了主动振动控制研究者，相比于传统的激振 器与振动台，压电作动器体积小，重量轻，能够直接进行机电信号的转换，并且可大量分布 与集成，能够满足绝大部分结构材料的振动主动控制要求，但是对于复杂振动条件，比如高 马赫柔性结构体飞行过程中的受迫振动，压电作动器在控制效果与控制效率上仍不理想。

本发明拟用压电梁结构作为典型结构来解释基于分布式压电作动器的振动主动控制优化 电路的应用，但本发明同样适用于其他结构，特别是航空航天大型柔性结构体等。图1是众 多文献采用的典型的压电作动器控制示意图，其中，1梁；2作动片；3测量片；4、5电 阻；6运算放大器；7增益g_s；8增益g_a。

从图可见：

a、在梁1的下表面贴有一压电作动片2，上表面相应位置贴有同一尺寸的压电测量片3 经一大电阻4后接电阻5和运算放大器6构成压电应变传感器(压电片可做测量片与作动片)；

b、压电应变传感器输出电压u_s经微分放大器g_ss后与外激励电压u_e相减，经功放增益g_a后激励压电作动片构成闭环控制系统。

图2所示是压电作动器作动片分布的简易图，一般工程试验上采用的将会是许多压电作 动器集成的激励结构，由1，2，3...等多组压电作动器集合而成的振动激励系统，每组压电作 动器由上下对称的两片压电片构成。

三、发明内容

(1)目的：本发明的目的是提供一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构 及方法，它能够方便地改变压电作动器的极向，克服了传统作动器无法激励复杂振动的困难， 是一种设计优化，可广泛应用于实践的分布式压电作动器主动控制的优化方法。

(2)技术方案：

1、见图3，一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构，它由分布式压电作 动器1，2，3，4…10，，电路结构A、B和压电梁C组成，它们之间的位置连接关系是：分布 式压电作动器1，2，3，...10通过电线连接电路结构A、B与压电梁C；

所述分布式压电作动器1，2，3，...10，分别是由压电梁C上下表面两片压电作动片组成， 压电作动片由陶瓷压电材料制成，形状为矩形；

所述压电梁C是振动控制的对象，它通过上下表面粘贴的压电作动片进行振动控制；

所述电路结构A、B是电路优化结构的主要组成部分之一，它是由电路板，接插件组成的 能够通过调换插件进行电路变换并提供回路电压的装置，它通过改进变为电路箱结构，它通 过电线与压电作动片正负极连接共同组成基于分布式压电作动器振动主动控制优化结构；

其中附图中省略了功率放大器、电源等；并且根据需要可以增减压电作动器与相应回路 的数量，其中电路结构A、B可以引线出来如图3中所示与1，2，3……等分布式压电作动器 连接，并且可以通过旋钮等方式改变电路结构电压方向，如此分布式压电作动器1，2，3… 10、电路结构A，B与连接线等就构成了简易的基于分布式激励的主动控制优化电路结构加上 外接的(图中省略)的功率放大器、电源与SD仪器，能够对压电梁进行振动主动控制的优化。

其中，压电作动片的厚度不要超过0.3毫米，面积不要超过3平方厘米；

其中功率放大器，电路结构A、B等可以以满足功能为要求购买市场通用即可或自己制作。

2、根据压电作动片的压电效应，得知可以通过改变电压方向的方式来改变应力的方向， 那么在复杂振动过程中，为了进行更精确的主动振动模态控制，可以构建如图3所示振动主 动控制电路，其中省略了阻尼控制和放大环节：

图3中电路结构A、B是可以分别控制1，2...5路压电作动器与6，7...10路压电作动器， 在电路结构A、B内部同样可以通过改变接插件的变换或旋钮来改变分布式压电作动器电压的 方向。为了增强振动控制的效果，一般情况下会在压电梁C的上下表面对称布置压电作动片 (图2中省略画出下表面作动片)。如此，通过激光测振仪等振动测试仪器可以对压电梁C进 行振型的粗测，得到压电梁1，2，3，4......等阶的振型，以1阶模态为例，假设2阶振型如 图4所示：

首先计算压电梁2阶模态的相位，在1-A组，1-C组分别通上同向电压使压电梁产生同向 振动，在1-B组通上与1-A，1-C相反的电压，结合梁C一阶模态的相位确定起始振型，确定1-A 组，1-C组压电作动器产生应变方向与相应位置起始振型方向相同；反应在图3就是在压电作 动器2，3代表1-A组的位置，压电作动器5，6代表1-B组的位置，压电作动器8，9代表1-C 组。通过图3中电路箱A，B进行电路电压极向和大小的控制使之满足图4所示要求，考虑到 振型的问题，可以通过SD仪器进行修正，一般采取调整电路箱1-A组，1-B组，1-C组电路 电压极向的方法。如此则可以达到提高压电梁振动主动控制效果的目的。

综上所述，本发明基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化方法，该方法具体步骤 如下：

步骤一：按图中2所示在压电梁C上进行分布式压电作动器的建立，可以采用强力绝缘 胶水粘贴的方式，将压电作动器等距离贴在压电梁C上、下两面(图中下表面省略)；

步骤二：按图中3所示采用电线使分布式压电作动器与电路结构A、B相应接插件连接， 并通过电路结构A、B能够改变每组压电作动器的电压极向；

步骤三：然后在电路结构A、B外接功率放大器，振动控制仪器，电源和阻尼控制结构等；

步骤四：采用激光测振仪设备测得特定模态振型，并计算该模态初始相位；

步骤五：结合该模态振型和初始相位，通过电路结构A、B适当变换各组压电作动器电压 极向，使相应位置的起振方向与该位置起始振型方向相同，取得该模态振型的最优控制，如 此就构建了基于分布式压电作动器的振动主动控制电路优化结构。

其中，步骤四中所述的“采用激光测振仪设备测得特定模态振型，并计算该模态初始相 位”的具体实现过程如下：

根据激光测振仪测得试验压电梁结构的1，2，3，4阶......模态，在根据模态频率采用信 号发射器进行相应频率的正弦振动试验获得传递函数特性。根据公式：

可以获知压电梁传递函数的相频特性

α(w)＝δ(w)-ε(w)；

其中，H(w)为传递函数，Y(w)为响应信号，X(w)为输入信号；α(w)传递函数的相频特性， δ(w)为响应函数的相应相位，ε(w)为输入信号的相应相位。通过输入信号的初始相位与试验 得来的传函相频特性可以得到压电梁响应初始相位。

(3)优点与效果：由于采用了上述分布式压电作动器主动控制优化电路，提高了分布式压电 结构主动振动控制效果，并且可以通过该结构的电路调整和增减以满足多模态控制，是一种可 以有效控制多模态压电梁结构的发明.

四、附图说明

图1a是典型压电独立模态控制示意图

图1b是压电片裁减示意图

图2是多组压电作动器应用于压电梁的分布式压电振动结构示意图

图3是基于分布式激励的主动控制优化电路示意图

图4是压电梁2阶振形简易图

图5是本发明流程图

图中符号说明如下：

图1中，1梁；2作动片；3测量片；4、5电阻；6运算放大器；7增益g_s；8增 益g_a。

图2、图3中，1，2，3，4，5...10是分布式压电作动器，C是压电梁，A、B是电路结构， 1-A，1-B，1-C代表的是某模态振型的大概位置；

五、具体实施方式

1、本发明一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构，如图3所示，由分布 式压电作动组1，2，3，4……，压电梁C，电路箱A、B组成，它们之间的位置连接关系是：

所述分布式压电作动器是图中1，2，3，…10，它们通过电线连接电路结构A、B与压电 梁C；

所述分布式压电作动器1，2，3，…10，是陶瓷压电材料，厚度不超过0.3mm，面积不超 过3平方里面，形状为矩形；

所述压电梁C是振动控制的对象，它的上下表面粘贴有压电作动片；

所述电路结构A是电路优化结构的主要组成部分之一，它是由电路板，接插件组成的能 够通过调换插件进行电路变换并提供回路电压的装置，可以进行改进变为电路箱结构，它通 过电线与压电作动片正负极连接共同组成基于分布式压电作动器振动主动控制优化结构；

所述电路结构B也是电路优化结构的主要组成部分之一，它是由电路板，接插件组成的 能够通过调换插件进行电路变换并提供回路电压的装置，可以进行改进变为电路箱结构，它 通过电线与压电作动片正负极连接共同组成基于分布式压电作动器振动主动控制优化结构；

具体构建方式见图3，其中图3中省略了功放，电源等；并且根据需要可以增减压电作动 器与相应电路箱的数量，其中电路箱可以引线出来如图3中所示1，2，3……等电路，并且 可以通过旋钮等方式改变电路电压方向，如此压电作动器1，2，3…10、电路箱A，B与连接 线等加上省略的功放电源与SD仪器就构成了简易的基于分布式激励的主动控制优化电路，通 过改变压电作动器电压极向对压电梁进行优化控制。

其中，压电作动片厚度不要超过0.3毫米，面积不要超过3平方厘米；

其中功率放大器，电路箱等可以以满足功能为要求购买市场通用即可或自己制作。

以2阶模态为例，假设2阶振型如图4所示：

首先计算压电梁1阶模态的相位，在1-A组，1-C组分别通上同向电压使压电梁产生同向 振动，在1-B组通上与1-A，1-C相反的电压，结合梁C一阶模态的相位确定起始振型，确定 1-A组，1-C组压电作动器产生应变方向与相应位置起始振型方向相同；反应在图3就是在压 电作动器2，3代表1-A组的位置，压电作动器5，6代表1-B组的位置，压电作动器8，9代 表1-C组。通过图3中电路结构A、B进行电路电压极向和大小的控制使之满足图4所示要求， 考虑到振型的问题，可以通过SD仪进行修正，一般采取调整电路结构1-A组，1-B组，1-C 组电路电压极向的方法。如此则可以达到提高压电梁振动主动控制效果的目的。

2、本发明是一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：按图中2所示在压电梁C上进行分布式压电作动器的建立，可以采用强力绝缘 胶水粘贴的方式，将压电作动片同位(上下对称)贴在压电梁C上、下两面；

步骤二：按图中3所示采用电线使分布式压电作动器与电路结构A、B连接，通过电路结 构能够改变每组压电作动器的电压极向；

步骤三：然后在电路结构外接功率放大器，振动控制仪器，电源和阻尼控制结构等；

步骤四：根据激光测振仪测得试验压电梁结构的1，2，3，4阶......模态，在根据模态频

率采用信号发射器进行相应频率的正弦振动试验获得传递函数特性。根据公式： 可以获知压电梁传递函数的相频特性α(w)＝δ(w)-ε(w)；

其中H(w)为传递函数，Y(w)为响应信号，X(w)为输入信号；α(w)传递函数的相频特性， δ(w)为响应函数的相应相位，ε(w)为输入信号的相应相位。通过输入信号的初始相位与试验 得来的传函相频特性可以得到压电板响应初始相位。

步骤五：结合该模态振型和初始相位，通过电路控制结构A、B适当变换各组压电作动器 电压极向，使相应位置的起振方向与该位置起始振型方向相同，取得该模态振型的最优控制， 如此就完成了基于分布式压电作动器的振动主动控制电路优化结构的组建。流程图如下图5 所示。