一种非对称半主动控制系统及方法与流程

本发明涉及控制技术领域，特别是涉及一种非对称半主动控制系统及方法。

背景技术：

随着航天事业的不断发展，航天器的大型化、低刚度与柔性化是目前的一个重要发展趋势。目前，常用的航天器的振动控制手段为被动控制和基于压电材料的主动控制和同步开关阻尼半主动控制。但是，在传统的同步开关阻尼半主动控制系统中，压电元件两端电压都是对称翻转的，即压电元件工作过程中最大正电压和最大负电压相等。但对于工作电压范围非对称的压电材料，例如mfc，其工作电压范围为-500v～+1500v，如果仍然使用传统的半主动控制方法，使用效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非对称半主动控制系统及方法，具有可以实现将对称的控制电压信号调整为非对称的控制电压信号的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种非对称半主动控制系统，包括：压电装置、负电容非对称控制模块和开关切换控制装置；所述负电容非对称控制模块包括负电容非对称控制电路和开关切换装置；所述负电容非对称控制电路与所述压电装置连接，所述负电容非对称控制电路用于产生非对称控制电压信号；所述开关切换装置与所述负电容非对称控制电路连接，所述开关切换装置用于控制所述负电容非对称控制电路产生的非对称控制电压信号；所述开关切换控制装置与所述开关切换装置连接，所述开关切换控制装置用于控制所述开关切换装置的开关切换；

所述负电容非对称控制电路，包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、电容和第一二极管；所述运算放大器的同相输入端与所述压电装置、所述第二电阻的一端和所述第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述第一二极管的一端连接；所述运算放大器的反相输入端与所述第一电阻的一端和所述电容的第一端连接；所述运算放大器的输出端与所述第一二极管的另一端、所述第二电阻的另一端和所述第一电阻的另一端连接；所述电容的第二端与所述开关切换装置连接。

本发明还提供一种非对称半主动控制系统，包括：压电装置、负电容非对称控制模块和开关切换控制装置；所述负电容非对称控制模块包括负电容非对称控制电路和开关切换装置；所述负电容非对称控制电路与所述压电装置连接，所述负电容非对称控制电路用于产生非对称控制电压信号；所述开关切换装置与所述负电容非对称控制电路连接，所述开关切换装置用于控制所述负电容非对称控制电路产生的非对称控制电压信号；所述开关切换控制装置与所述开关切换装置连接，所述开关切换控制装置用于控制所述开关切换装置的开关切换；

所述负电容非对称控制电路，具体包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、电容和第一二极管；所述运算放大器的同相输入端与所述压电装置和所述第二电阻的一端连接；所述运算放大器的反相输入端与所述第一电阻的一端、所述第三电阻的第一端和所述电容的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述第一二极管的一端连接；所述运算放大器的输出端与所述第一二极管的另一端、所述第二电阻的另一端和所述第一电阻的另一端连接；所述电容的第二端与所述开关切换装置连接。

可选的，所述开关切换装置具体包括：第二二极管、第三二极管、第一开关和第二开关；所述电容的第二端与所述第二二极管的负极连接，所述电容的第二端与所述第三二极管的正极连接；所述第二二极管的正极与所述第一开关的一端连接，所述第三二极管的负极与所述第二开关的一端连接；所述第一开关的另一端和所述第二开关的另一端接地。

可选的，所述开关切换控制装置，具体包括：激光位移传感器和开关信号调理模块；所述激光位移传感器和所述开关信号调理模块连接；所述开关信号调理模块与所述开关切换装置连接；

所述激光位移传感器用于向所述压电装置发射激光并获取所述压电装置的位移幅值信号；

所述开关信号调理模块用于根据所述压电装置的位移幅值信号产生开关切换信号。

可选的，所述压电装置，具体包括：压电悬臂梁和压电片；所述压电片粘贴在所述压电悬臂梁上；所述压电片与所述运算放大器的同相输入端连接。

所述负电容非对称控制电路，还包括：第四电阻；所述第四电阻与所述电容并联。

可选的，所述第一二极管正极与所述第三电阻的第二端连接，所述第一二极管的负极与所述运算放大器的输出端连接。

可选的，所述第一二极管正极与所述运算放大器的输出端连接，所述第一二极管的负极与所述第三电阻的第二端连接。

本发明还提供一种非对称半主动控制方法，应用于权利要求1或2的非对称半主动控制系统，包括：

开关切换装置获取开关切换控制装置产生的开关切换信号；所述开关切换控制装置包括激光位移传感器和开关信号调理模块；

所述开关切换装置根据所述开关切换信号进行开关切换；

负电容非对称控制电路在所述开关切换装置完成开关切换后产生非对称控制电压信号；

所述压电装置根据所述电压信号进行振动控制。

可选的，所述开关切换装置获取开关切换控制装置产生的开关切换信号，具体包括：

所述激光位移传感器获取所述压电装置的振动位移幅值信号；

所述开关信号调理模块根据所述振动位移幅值信号判断所述压电装置的位移是否处于极值，若是，产生开关切换信号；

所述开关切换装置获取开关信号调理模块产生的开关切换信号。

可选的，所述开关信号调理模块根据所述振动位移幅值信号判断所述压电装置的位移是否处于极值，若是，产生开关切换信号，具体包括：

所述开关信号调理模块获取所述振动位移幅值；

所述开关信号调理模块根据获取的所述振动位移幅值向后延长一段时间，得到延时后的振动位移幅值；所述延长的时间小于预设时间；

比较所述延时后的振动位移幅值与所述振动位移幅值的大小，若所述延时后的振动位移幅值大于所述振动位移幅值，则当所述延时后的振动位移幅值小于所述振动位移幅值时输出产生开关切换信号；若所述延时后的振动位移幅值小于所述振动位移幅值，则当所述延时后的振动位移幅值大于所述振动位移幅值时输出产生开关切换信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种非对称半主动控制系统及方法，第三电阻和第一二极管串联后并联在第二电阻两端，由于二极管的单项导通性，在该支路电流方向与第一二极管导通方向相反时电阻不参与负电容的构造，改变了负电容的值，从而产生了非对称的控制电压信号。并且通过在负电容构造中添加二极管的简单方案使控制电压在正向的幅值明显大于在负向的幅值，充分发挥了mfc等压电材料的性能，不仅控制能力强，而且缩短了控制时间。如果将第三电阻和第一二极管串联后并联在第一电阻两端，由于负电容非对称控制电路结构发生改变，改变了负电容的值，从而改变了非对称的控制电压信号。

此外，如果将第三电阻和第一二极管反向串联后并联在第二电阻两端，此时第一二极管的截止时间段与第一二极管正向时的截止时间段相反，从而产生负向控制电压大于正向控制电压的控制信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中非对称半主动控制系统图；

图2为本发明实施例一中负电容非对称控制电路图；

图3为本发明实施例一中开关切换装置结构图；

图4为本发明实施例二中负电容非对称控制电路图；

图5为本发明实施例三中非对称半主动控制方法流程图；

图6为本发明实施例三中非对称半主动控制模块原理图；

图7为本发明实施例三中压电片电压波形图和悬臂梁位移波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种非对称半主动控制系统及方法，具有可以实现将对称的控制电压信号调整为非对称的控制电压信号的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明提供的非对称半主动控制系统图，如图1所示，本发明提供的一种非对称半主动控制系统，包括：压电装置、负电容非对称控制模块和开关切换控制装置；所述负电容非对称控制模块包括负电容非对称控制电路1和开关切换装置2；所述压电装置包括压电悬臂梁3和压电片4；所述压电片4粘贴在所述压电悬臂梁3靠近固定端中心线上任意一处；所述开关切换控制装置包括：激光位移传感器5和开关信号调理模块6；所述激光位移传感器5和所述开关信号调理模块6连接；所述开关信号调理模块6与所述开关切换装置2连接。所述负电容非对称控制电路1与所述压电片4上表面连接，所述负电容非对称控制电路1用于产生非对称控制电压信号。所述开关切换装置2与所述负电容非对称控制电路1连接，所述开关切换装置2用于控制所述负电容非对称控制电路1产生的非对称控制电压信号。所述开关信号调理模块6与所述开关切换装置2连接。所述激光位移传感器5用于向所述压电悬臂梁3发射激光并获取所述压电悬臂梁3的位移幅值信号；所述开关信号调理模块6用于根据所述压电悬臂梁3的位移幅值信号产生开关切换信号，并控制所述开关切换装置2进行开关切换。

图2为本发明提供的负电容非对称控制电路图，如图2所示，所述负电容非对称控制电路1，包括：运算放大器opa445、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、电容cg、第一二极管d1和第四电阻r4；所述运算放大器的同相输入端与所述压电片上表面、所述第二电阻r2的一端和所述第三电阻r3的第一端连接；所述第三电阻r3的第二端与所述第一二极管d1的一端连接；所述运算放大器的反相输入端与所述第一电阻r1的一端和所述电容cg的第一端连接；所述运算放大器的输出端与所述第一二极管d1的另一端、所述第二电阻r2的另一端和所述第一电阻r1的另一端连接；所述电容cg的第二端与所述开关切换装置2连接。所述第四电阻r4与所述电容cg并联，在所述电容cg两端并联偏置电阻r4是为了避免直流分量导致电路饱和，提高电路的稳定性。

根据基尔霍夫电流定理可以得到在不考虑二极管支路时负电容的大小为：

-cn＝-cgr1/r2(1)

当二极管支路的电阻并联进构造时负电容的大小为：

-cn＝-cgr1(r2+r3)/r2r3(2)

其中，如果所述运算放大器的同相输入端与所述第三电阻的第一端连接，所述第一二极管正极与所述第三电阻的第二端连接，所述第一二极管的负极与所述运算放大器的输出端连接。由于第一二极管d1的单向导通性，第一二极管的截止时间段与第一二极管正向时的截止时间段相同，产生正向控制电压大于负向控制电压的控制信号。

如果所述运算放大器的同相输入端与所述第三电阻的第一端连接，所述第一二极管正极与所述运算放大器的输出端连接，所述第一二极管的负极与所述第三电阻的第二端连接。由于第一二极管d1的单向导通性，第一二极管的截止时间段与第一二极管正向时的截止时间段相反，产生负向控制电压大于正向控制电压的控制信号，从而达到负向非对称效果。

图3为本发明提供的开关切换装置结构图，如图3所示，所述开关切换装置2包括：第二二极管d2、第三二极管d3、第一开关s和第二开关s’；所述电容cg的第二端与所述第二二极管d2的负极连接，所述电容cg的第二端与所述第三二极管d3的正极连接；所述第二二极管d2的正极与所述第一开关s的一端连接，所述第三二极管d3的负极与所述第二开关s’的一端连接；所述第一开关s的另一端和所述第二开关s’的另一端接地。

本发明提供的非对称半主动控制系统，负电容非对称控制电路能够降低压电片的固有电容，从而提高控制系统的机电耦合系数。在负电容非对称控制电路构造中添加二极管支路，二极管可以在不同电流流向的情况下控制该支路的通断，改变负电容非对称控制电路的内部构造，改变负电容的大小，从而控制电压产生非对称特性。通过选取合适的负电容的值，很容易在压电元件上得到很高的电压。

实施例二

图4为本发明提供的负电容非对称控制电路图，如图4所示，本实施例与实施例一的不同点在于，所述负电容非对称控制电路，具体包括：运算放大器opa445、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、电容cg和第一二极管d1；所述运算放大器的同相输入端与所述压电装置和所述第二电阻r2的一端连接；所述运算放大器的反相输入端与所述第一电阻r1的一端、所述第三电阻r3的第一端和所述电容cg的第一端连接；所述第三电阻r3的第二端与所述第一二极管d1的一端连接；所述运算放大器的输出端与所述第一二极管d1的另一端、所述第二电阻r2的另一端和所述第一电阻r1的另一端连接；所述电容cg的第二端与所述开关切换装置连接。所述第四电阻r4与所述电容cg并联，在所述电容cg两端并联偏置电阻r4是为了避免直流分量导致电路饱和，提高电路的稳定性。

与实施例一不同的是，本实施例将第三电阻r3与第一二极管d1串联后并联在第一电阻r1两端，由于负电容非对称控制电路结构改变，负电容的值发生改变，从而产生了与实施例一不同的非对称的控制电压信号。

实施例三

图5为本发明提供的非对称半主动控制方法流程图，如图5所示，本发明提供的一种非对称半主动控制方法，应用于实施例一或实施例二的非对称半主动控制系统，包括：

步骤301：开关切换装置获取开关切换控制装置产生的开关切换信号；所述开关切换控制装置包括激光位移传感器和开关信号调理模块，具体包括：

所述激光位移传感器获取所述压电装置的振动位移幅值信号；

所述开关信号调理模块获取所述振动位移幅值；

所述开关信号调理模块根据获取的所述振动位移幅值向后延长一段时间，得到延时后的振动位移幅值；所述延长的时间小于预设时间；

比较所述延时后的振动位移幅值与所述振动位移幅值的大小，若所述延时后的振动位移幅值大于所述振动位移幅值，则当所述延时后的振动位移幅值小于所述振动位移幅值时输出产生开关切换信号；若所述延时后的振动位移幅值小于所述振动位移幅值，则当所述延时后的振动位移幅值大于所述振动位移幅值时输出产生开关切换信号。

所述开关切换装置获取开关信号调理模块产生的开关切换信号。

步骤302：开关切换装置根据所述开关切换信号进行开关切换。

步骤303：负电容非对称控制电路在所述开关切换装置完成开关切换后产生非对称控制电压信号。

步骤304：压电装置根据所述电压信号进行振动控制。

图6为本发明提供的非对称半主动控制模块原理图；

图7为本发明提供的压电片电压波形图和悬臂梁位移波形图，图7中，曲线31表示悬臂梁位移波形图，横坐标表示时间，纵坐标表示位移；曲线32表示压电片电压波形图，横坐标表示时间，纵坐标表示压电片电压。

如图7所示，①阶段时压电片充电，开关s处于闭合状态，开关s’处于断开状态，如图6所示，由于电流方向流经开关切换装置时是从上至下，非对称半主动控制电路回路开路，电流为零。如图7所示，当②阶段时开关切换，开关s处于断开状态，开关s’处于闭合状态，如图6所示，压电片放电，电流方向流经开关切换装置时从上至下，负电容非对称控制电路内部第一二极管支路处于导通状态，负电容将处于一个较大的值，与压电片的电容值相差较大，产生一个较小的控制电压；当压电片电压降至零后，压电片电压翻转至负向极大值。如图7所示，③阶段压电元件充电，开关s断开，开关s’处于闭合状态，如图6所示，由于电流方向流经开关切换装置时是从下至上，非对称半主动控制电路回路中电流为零。如图7所示，当④阶段时开关切换，开关s处于闭合状态，开关s’处于断开状态，压电片放电，电流方向流经开关切换装置时从下至上，负电容非对称控制电路内部第一二极管支路处于截止状态，负电容将处于一个较小的值，与压电片的电容值相差较小，产生较大的控制电压；当压电片电压降至零后，电压翻转至正向极大值。

当系统达到稳态时压电片上的电压为：

式中，α为压电片力因子，um为系统达到稳态时悬臂梁的位移幅值；

如选择负电容的电容值cn比压电元件的电容值cp稍微大一点，控制电压的放大倍数可以提高很多倍。

由于负电容的内部构造使得负电容cn的大小在不同阶段为不同的值，从而改变了压电元件上控制电压的大小，产生了非对称的控制电压，充分契合了mfc等压电元件的工作电压范围，提高了半主动振动控制的效果。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。