专利名称：一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构，包括通过该电路优化结构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，各种结构的振动条件日益复杂与严酷，如何有效与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然需要提升。本实用新型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，但本实用新型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I是众多文献采用的典型的压电作动器控制示意图，其中，I’梁；2’作动片；3，测量片;4，、5，电阻；6’运算放大器；7’增益gs;8’增益ga。从图可见a、在梁I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(压电片可作测量片与作动片用)；b、压电应变传感器输出电压Us经微分放大器gss后与外激励电压Ue相减，经功放增益ga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器分布的简易图，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，而每组压电作动器则是由上面表面两片压电片构成。
三
实用新型内容(I)目的本实用新型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，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，是一种可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。(2)技术方案见图3,—种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构,它由第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4至第十压电作动器10，第一电路结构A、第二电路结构B和压电梁C组成，它们之间的位置连接关系是第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4至第十压电作动器10，通过电线连接第一电路结构A、第二电路结构B和压电梁C ；所述第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4至第十压电作动器10，分别是由压电梁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；所述第一电路结构A、第二电路结构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，它可以变为电路箱结构，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放，电源等；并且根据需要可以增减压电作动片与相应电路 结构组的数量，其中第一电路结构A、第二电路结构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，如此第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4……第十压电作动器10、第一电路结构A、第二电路结构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，加上省略的功放、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，压电作动片厚度不要超过O. 3毫米，面积不要超过3平方厘米；其中功放、电路结构等可以以满足功能为要求购买市场通用即可或自己制作。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机械应力的方向，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中第一电路结构A、第二电路结构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，在第一电路结构A、第二电路结构B内部同样可以通过改变接插件的变换或旋钮来改变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I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I-A组，I-C组分别通上同向电压使压电梁产生同向振动，在I-B组通上与1-A，I-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I-A组，I-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I-A组的位置，压电作动器5，6代表I-B组的位置，压电作动器8，9代表I-C组。通过图3中第一电路结构A、第二电路结构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I-A组，I-B组，I-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，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，将压电作动片等位(上下对称)贴在压电梁C上、下两面；步骤二 按图中3所示采用电线使压电作动器与第一电路结构A、第二电路结构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，通过第一电路结构A、第二电路结构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板梁结构的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
、 Y(w)丑O) = 可以获知压电梁传递函数的相频特性a (w) = δ (w)- ε (w)；
X(w)其中，H(W)为传递函数,Y(W)为响应信号,X(W)为输入信号；a (w)传递函数的相频特性，S (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结构，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实用新型。
四
图Ia是典型压电独立模态控制示意图图Ib是压电片裁减示意图图2是多组压电片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是一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化方法流程图图中符号说明如下图I中，I’梁;2，作动片;3，测量片;4，、5，电阻；6’运算放大器；7’增益gs ;8’
增益ga。图2、图3中，1，2，3，4，5. ... 10是10组分布式压电作动器，C是压电梁，A、B是表
示第一电路结构A、第二电路结构B，1-A, 1-B, I-C代表的是某模态振型的大概位置；
五具体实施方式
I、本实用新型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，由第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4至第十压电作动器10，压电梁C，第一电路结构A、第二电路结构B组成，它们之间的位置连接关系是所述第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4至第十压电作动器10，它们通过电线连接第一电路结构A、第二电路结构B与压电梁C ；所述第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4至第十压电作动器10，是陶瓷压电材料，厚度不超过O. 3mm,面积不超过3平方厘米，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；所述第一电路结构A、第二电路结构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，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，如此第一压电作动器I、第二压电作动器2、第三压电作动器3、第四压电作动器4……第十压电作动器10，第一电路结构A、第二电路结构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。其中，压电作动片厚度不要超过O. 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I阶模态的相位，在I-A组，I-C组分别通上同向电压使压电梁产生同向振动，在I-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I-A组，I-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I-A组的位置，压电作动器5，6代表I-B组的位置，压电作动器8，9代表I-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I-A组，I-B组，I-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。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，将压电作动片等距离同位贴在压电梁C上、下两面构成；步骤二 按图中3所示采用电线使压电作动器组与第一电路结构A、第二电路结构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板梁结构的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JJi、Y(w)= 可以获知压电梁传递函数的相频特性a (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；a (w)传递函数的相频特性，S (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。步骤五结合该模态振型和初始相位，通过第一电路结构A、第二电路结构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。流程图如图5所示。
权利要求1.一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构，其特征在于它由第一分布式压电作动器(I)、第二分布式压电作动器(2)、第三分布式压电作动器(3)、第四分布式压电作动器⑷至第十分布式压电作动器(10)，压电梁(C)和第一电路结构(A)、第二电路结构(B)组成，第一分布式压电作动器(I)、第二分布式压电作动器(2)、第三分布式压电作动器(3)、第四分布式压电作动器(4)至第十分布式压电作动器(10)通过电线连接第一电路结构(A)、第二电路结构⑶与压电梁(C)； 所述第一分布式压电作动器(I)、第二分布式压电作动器(2)、第三分布式压电作动器(3)、第四分布式压电作动器(4)至第十分布式压电作动器(10)，是分别由压电梁(C)上下表面两片压电作动片组成，其形状为矩形； 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； 所述第一电路结构(A)、第二电路结构(B)是电路优化结构的组成部分，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，它通过电线与压电作动片正负极连接共同组成分布式压电作动器振动主动控制优化结构。
2.根据权利要求I所述的一种基于分布式压电作动器振动主动控制电路优化结构，其特征在于该压电作动片厚度不超过O. 3毫米，面积不超过3平方厘米。
专利摘要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片、压电梁和电路结构组成，分布式压电作动片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；本实用新型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。
文档编号G05D19/02GK202472446SQ20112042068
公开日2012年10月3日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者周秀峰, 姚军, 张俊, 徐明鸽, 赵帅帅 申请人:北京航空航天大学