光驱动压电作动器用于薄壳振动控制策略的研究及可行性验证.docx

摘要：为提高薄壳结构工作性能，突破现有的结构振动控制方法局限性，采用新材料P1.ZT,开启了利用光电压驱动压电作动器的新研究。现对利用光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制进行了研究，设计其控制策略，并通过试验研究验证了所设计的控制策略的有效性和光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制的可行性。关键词：光驱动压电作动器；薄壳结构；振动控制O引言随着人类对机械结构性能要求的提高，薄壳结构被广泛应用于航空航天、轨道交通等各个行业。但在工作过程中薄壳结构易产生振动，且难以依靠大气阻力来快速消除振动，需要人为采取措施。以往的控制方法，经过长时间应用发现存在很多弊端，故对新方法的研究显得尤为重要。近年来利用智能结构作为驱动器对薄壳振动进行控制成为一个新的研究热点，铁电陶瓷材料锄改性铝钛酸铅（P1.ZT）作为智能结构的典型代表，P1.ZT具有特殊的光电效应反常光生伏打效应，当波长约为365nm的紫外光照射在其表面时将沿其极化方向产生每厘米数千伏的电压，并在电压作用下沿极化方向产生应变。利用P1.ZT的光致伸缩效应进行研究的典型代表有：UchinoK设计的光致伸缩继电器；基于双压电晶片共振，研发光电话；将P1.ZT作为电源发明的光电马达。一种可在不同小区域内产生不同方向控制力的新型四区域光电作动器。随着研究深入发现，P1.ZT具有应变滞后、仅能半周期控制、不适用于高频控制、有残余应变等弊端，严重限制了P1.ZT作动器的应用。针对以上问题，并结合压电作动器存在响应速度快的优点以及需要与电源直接相连易引入电磁干扰的弊端，开展光驱动压电作动器研究。本文将对光驱动压电作动器进行振动控制的控制策略研究及其可行性验证。1控制策略研究及控制试验1.1试验台的搭建为开展光驱动压电作动器控制策略研究及验证其可行性，搭建试验平台，试验中所用到的器材如图1所示。试验以悬臂梁为被控对象，所用器材包括隔振试验平台、计算机、直流电源、高阻电压表、激光位移传感器、数据采集卡、光源、信号调理电路、开关电路。图1控制试验实验台为了提升控制效果，试验中采用两个P1.ZT与压电作动器相连接,分别提供正/负电压，试验中压电作动器选用压电薄膜聚偏氟乙烯(PVDF),聚偏氟乙烯是一种很薄的薄膜，尽管性能有限，但易于裁剪并附加在结构表面进行试验分析。试验原理如图2所示。图2控制试脸原理图由控制系统发出激励信号激励悬臂梁产生振动，压电传感器将振动电压信号传递给信号调理电路，信号调理电路包括电荷放大模块、电平调整模块、工频陷波模块、带通滤波模块。传感信号经过信号调理电路处理后传递给计算机进行判断并输出控制信号给开关电路，进而控制P1.ZT与压电作动器的连接方式，控制压电作动器电压正负值，达到抑制振动的目的。控制双P1.ZT与压电作动器连接的开关电路如图3所示。当控制器输出上方电路控制信号为1、下方电路控制信号为O的信号时，P1.ZT与压电作动器正接，压电作动器得正电；当控制器输出上方电路控制信号为0、下方电路控制信号为1的信号时，P1.ZT与压电作动器反接，压电作动器得负电；当控制器为两路均提供控制信号0,则P1.ZT与压电作动器断开。图3组和压电作动器正反按原理图1.2软件系统研究新型光控压电作动器的振动控制软件系统是通过利用研华公司的PCI-1710多功能数据采集卡进行模拟量/数字量的输入/输出进行数据交换，把外界信息传递给计算机，通过软件系统进行分析，并根据不同时刻的外界信号发出相应的控制信号，以达到利用广电压进行快速消除振动的目的。光控作动器激励检测程序如图4所示，悬臂梁发生振动时，当电压信号达到预设的自动控制出发电压时，跳出循环，执行下一个控制程序。图4激励检测程序在程序跳出激励检测循环后，系统将通过数据采集卡实时采集振动传感信号，传感信号的波形可以在程序前面板中实时显示；在采集传感信号时，系统将通过移位寄存器将当前时刻的传感信号与上一时刻的传感电压信号进行比较，以判断当前被控对象的振动状态，判定为正速度控制或负速度控制，进而通过数据采集卡输出控制信号，控制开关电路来控制P1.ZT与压电作动器的正反接，使压电作动器在广电压的作用下产生形变，对被控对象的振动提供连续抑制力。当振动减小到一定程度后，若不及时停止控制程序，将对振动造成激励效果，使振动加剧。程序的停止条件设定为：当系统振动传感电压信号最大值与最小值之差小于预设的自动停止电压时，控制程序停止运行，程序如图5所示。图5信号采集处理输出及自动停止程序当电压信号满足自动停止条件后，控制程序停止，控制过程数据将通过创建数组存储在计算机指定位置以便分析，信号通过运算处理可得到其频域波形，如图6所示。最后将程序复位，整个程序运行完毕。试验过程中所有的波形均可以在前面板中观察，如图7所示。图6数据存储显示及频域分析光控压电Ba至动赌系统图7前面板窗口2试验结果试验开始前预先打开光源，对P1.ZT进行预照射，使光压电达到饱和值，运行程序，对悬臂梁进行激振，使其产生周期性振动，试验测得的在受控前后悬臂梁自由端振动衰减曲线对比如图8所示。-*0-i安昌W军为时间H图8悬窗梁振动衰减曲饯由图8可以看出，经新型光控压电作动器控制后梁的振动衰减速度明显快于自然衰减的速度。在振动衰减曲线中，由于振动频率较快，曲线密集，不易于观察，将曲线进行傅里叶变化得到与之相对应的频域曲线，受控前后的振动衰减频域曲线对比如图9所示。三<01./.岸W_图9悬臂梁振动衰减频域曲线由两组曲线对比可知，采用光控压电作动器的控制方法可以有效控制薄壳结构的振动，这种方法可以有效减少外界干扰，减小所需设备体积，对结构的工作性能有很大提升。3结语本文介绍了光驱动压电作动器用于薄壳结构振动控制的控制方法及控制策略研究，并通过试验验证了光驱动压电作动器对于薄壳结构振动控制的可行性。由于试验中采用的压电作动器及P1.ZT性能有限，故效果受限，在实际应用时可采取性能更优的P1.ZT和压电作动器。本文中P1.ZT的作用是产生光电压，在空间中如果采用合适的分光镜将自然光中不同波长的光线分离，提取波长365nm的光束即可实现利用自然光为压电作动器提供电压。在无自然光情况下也可以利用光源照射，这个过程中没有电源直接与P1.ZT相连，并可以远距离照射，减小电磁干扰，提高信号的传输精度。本文研究的新方法可以为航空航天、轨道交通等行业减小薄壳结构振动，提高信号传输精度提供新思路。