一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统及方法与流程

本发明应用领域为地面风洞实验，涵盖实验装置振动抑制系统及方法，属于空气动力学及航天航空工程领域。

背景技术：

在地面风洞实验过程中，暂冲式风洞启动时，由于气流的冲击作用，使得实验模型及支杆承受很大的动态冲击载荷，一般为静态的3～5倍。对暂冲式风洞来说，在启动阶段，无法避免会出现这样的动态载荷引起的冲击，这样的载荷会引起采集信号信噪比降低，给被测设备的风洞实测试带来额外误差，偏离真实物理过程，在极端情况下还会导致风洞内被测模型或风洞测试用支杆内的天平破坏，一旦天平被破坏，更换和维修天平非常麻烦而且费用也非常昂贵。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统及方法，解决风洞试验装置中的被测模型或风洞测试用支杆相连的天平被动态冲击载荷破坏和降低风洞测试信噪比的问题，提高风洞测试装置和被侧模型结构安全性及信噪比，从而提高测试精度。

本发明的技术方案为：

一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，该系统包括激光位移传感器、数据采集器、控制计算模块、闭环放大模块和压电作动器，激光位移传感器用来测量被控支杆上预设位移监测点的法向振动位移并转换为法向振动位移电压信号，该法向振动位移电压信号输入到数据采集器中进行采样和模数转换，转换为法向振动位移数字量，并将法向振动位移数字量发送给控制计算模块，在控制计算模块中进行PID控制得到作动控制电压信号，将作动控制电压信号发送给闭环放大模块，闭环放大模块将作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压，安装在被控支杆上的压电作动器在作动驱动电压的驱动下产生作动力，增加支杆系统结构阻尼，抑制被控支杆的振动。

所述位移监测点设置在被控支杆最大振动点处。

所述压电作动器为压电陶瓷作动器。

所述压电作动器在被控支杆上的位置根据风洞实验预控模态应力确定。

所述压电作动器安装在被控支杆上风洞实验预控模态最大应力点处。

当风洞实验欲控模态为二阶振动模态或多阶振动模态时，所述压电作动器安装在被控支杆上风洞实验预控模态最大应力点和次大应力点处。

该系统还包括加速度传感器，所述加速度传感器靠近被控支杆上位移监测点，实时采集支杆加速度测试点的加速度电压信号，该加速度电压信号经过数据采集器采样和模数转换，转换成数字量输出给控制计算模块，在控制计算模块中实时显示出来，用来实时监控和评估振动抑制效果。

一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据选择的压电作动器的形式和应变系数，结合压电作动器在被控支杆上的安装形式，建立压电作动器驱动压电堆的驱动力控制方程；

(2)根据步骤(1)所得的驱动力控制方程计算压电作动器对被控支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx；

(3)结合有限元分析方法和模态控制方法，对风洞实验欲控模态进行有限元模拟仿真分析，确定欲控模态的最大应力点位置，将压电作动器安装在被控支杆最大应力点；

(4)分析以位移响应作为反馈信号，通过增加被控支杆阻尼来实现振动响应控制，建立基于PID控制模型的动力学反馈控制方程，设置阻尼控制增益系数和刚度控制增益系数；

(5)采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号；

(6)对法向振动位移电压信号进行采样和模数转换，转换为被控支杆监测点的法向振动位移数字量；

(7)根据包含了压电作动器的被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵，步骤(2) 所得到的压电作动器对支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx，步骤(6)中所得到的法向振动位移数字量，根据步骤(4)所建立的闭环反馈系统动力学控制方程和步骤(4)中设置的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，通过PID 控制，得到作动控制电压；

(8)将作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压信号，压电作动器在作动驱动电压信号的驱动下产生作动力，抑制被控支杆的振动；

(9)重复上述步骤(5)～步骤(8)，直至被控支杆振动减小至稳定状态，记录振动响应曲线；

(10)分析振动响应曲线，判断振动抑制结果是否满足减振要求技术指标，如果满足要求，则确定阻尼控制增益系数和刚度控制增益系数参数组合；否则，调整阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，重复上述步骤(4)～步骤(9)，直至振动抑制结果满足减振要求技术指标。

一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据选择的压电作动器的形式和应变系数，结合压电作动器在被控支杆上的安装形式，建立压电作动器驱动压电堆的驱动力控制方程；

(2)根据步骤(1)所得到的驱动力控制方程计算压电作动器对被控支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx；

(3)结合有限元分析方法和模态控制方法，对风洞实验欲控模态进行有限元模拟仿真分析，当风洞实验欲控模态为二阶振动模态或多阶振动模态时，确定被控支杆欲控模态的最大应力点和次大应力点的位置，将压电作动器分别安装在被控支杆上预控模态的最大应力点和次大应力点处；

(4)分析以位移响应作为反馈信号，通过增加被控支杆阻尼来实现振动响应控制，建立两个基于PID控制模型的动力学反馈控制方程，分别设置每个方程中的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数；

(5)采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号；

(6)对法向振动位移电压信号进行采样和模数转换，转换为被控支杆监测点的法向振动位移数字量；

(7)根据包含了压电作动器的被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵，步骤(2) 所得到的压电作动器对支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx，步骤(6)中所得到的法向振动位移数字量，根据步骤(4)所建立的两个闭环反馈系统动力学控制方程和每个方程的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，对二阶或多阶振动模态进行控制，得到两个压电作动器的压电控制电压；

(8)将每个作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压信号，每个压电作动器在各自作动驱动电压信号的驱动下产生作动力，抑制被控支杆的振动；

(9)重复上述步骤(5)～步骤(8)，直至被控支杆振动减小至稳定状态，记录振动响应曲线；

(10)分析振动响应曲线，判断振动抑制结果是否满足减振要求技术指标，如果满足要求，确定阻尼控制增益系数和刚度控制增益系数参数组合；否则调整每个方程的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，重复上述步骤(4)～步骤(9)，直至振动抑制结果满足减振要求技术指标。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明降低风洞启动冲击载荷对被测模型的冲击带来的支杆振动、保护风洞测试装置和被测模型结构、提高动态风洞实验数据信噪比，使本系统的实验结果更接近于真实物理过程。针对同一种类型的风洞实验状态，只需要对参数进行微调，提高了系统的通用性。

(2)由于风洞试验用支杆内部可用空间很小，压电陶瓷物理尺寸小，本发明采用压电陶瓷作动器，有利于在对空间要求很高的风洞支杆及模型中的进行安装，压电陶瓷作动器还具有结构轻的特点，不会给原有实验装置带来额外的附加质量，对原有的实验模型不会带来其他的影响，压电陶瓷灵敏度高，频响快，有利于实现快速加载，可以及时对结构振动进行抑制。

(3)本发明同时采用多个作动器在风洞试验预控模态的最大应力点和次大应力点进行反馈控制，可以实现对高阶振动模态进行精确有效的控制，且收敛快。

附图说明

图1是本发明基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统的结构示意图；

图2是结合支杆的压电作动器模型受力分析图；

图3是风洞试验弯刀及支杆示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

风洞实验中主要的测试工装为弯刀8和支杆7，在风洞中，弯刀8 垂直安装在风洞中央，弯刀8与支杆7按照图3的方式相连接，弯刀8垂直安装于风洞中，支杆7与风洞底部平行，支杆的另一端通过一个天平与被测模型连接，风洞试验中支杆会在气流激励下发生振动，由于气流的冲击作用，使得实验模型及支杆承受很大的动态冲击载荷，一般为静态的3～5倍。对暂冲式风洞而言，在启动阶段，无法避免会出现这样的动态载荷引起的冲击，这样的载荷会引起采集信号信噪比降低，在极端情况下还会导致风洞内被测模型或风洞测试用支杆内的天平破坏。所以，有必要建立一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，实现对各种风洞实验中支杆振动有效抑制，从而实现降低动态冲击载荷引起的支杆振动，提高测试工装结构的安全性，降低由于过度的载荷冲击带来的噪声，提高动态风洞实验数据信噪比。

图1是本发明实施例的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统的结构示意图，该系统包括闭环放大式驱动器1、数据采集器2、控制计算模块 3、激光位移传感器4、加速度传感器5、压电陶瓷作动器6、支杆7、弯刀8。

本实施例中控制计算模块3采用控制计算机实现，数据采集器2用采集卡实现，集成在控制计算机中。图1中，激光位移传感器4测量被控支杆测试点的法向振动位移并转换为法向振动位移电压信号，发送给集成在控制计算机内部的采集卡，采集卡对位移模拟电压信号进行采样和模数转换，形成支杆检测点法向位移数字量，并将被控支杆测试点的法向振动位移数字量发送给控制计算机，在控制计算机中进行比例-积分-微分反馈控制得到作动控制电压，将作动控制电压信号发送给闭环放大模块，闭环放大模块将作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压，压电陶瓷作动器在作动驱动电压的驱动下产生作动力并增加支杆系统结构阻尼，抑制被控支杆的振动。加速度传感器5用来实现对支杆振动加速度信号的实时监测，评估振动抑制效果。所述加速度传感器5粘贴于激光位移传感器4位移监测点附近，实时输出支杆加速度测试点振动的加速度信号，以电压信号形式输出给控制计算机，控制计算机实时计算支杆加速度测试点振动的加速度在显示器上显示出来。本质上，通过位移信号的实时监控也可以检验控制效果的好坏，本发明提供了一种备份监控模式，提高系统的可靠性。还可以采用其它类型传感器，例如应变片来实时监控振动抑制效果。

本系统中闭环放大式驱动器1负责将作动控制电压信号的电平进行转换，供压电作动器使用，不同型号的压电作动器有不同的电压输入范围，需要采用相匹配的闭环放大式驱动器。

考虑风洞实验中所采用的测试工装支杆属于细长结构，内部可用空间很小，本发明选用压电陶瓷的作动器，陶瓷压电作动器物理尺寸小，有利于在对空间要求很高的风洞支杆及模型中的进行安装。压电陶瓷作动器还具有结构轻的特点，不会给原有实验装置带来额外的附加质量。另外，压电陶瓷作动器灵敏度高，频响快，有利于实现快速加载，可以及时对结构振动进行抑制。也可以采用其他类型的作动器实现。

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明提供的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法。该振动抑制方法包括以下几个步骤：

(1)根据选择的压电作动器的形式和应变系数，结合压电作动器在被控支杆上的安装性式，通过分析结合被控支杆的压电作动器驱动电压堆在预设电压的驱动下的实际伸长量，建立压电作动器驱动压电堆的驱动力控制方程；

本实施例中采用压电的压电陶瓷步进蠕动式作动器，压电作动器按照图2 所示的方式安装在支杆上，压电作动器与支杆平行，压电作动器到支杆表面的法向位移为h，压电陶瓷步进蠕动式作动器的驱动压电堆在电压U下的实际伸长量为：

l＝(x2-x1)+h(θ1-θ2) (1)

图2为结合支杆的压电作动器模型受力分析图，对其进行受力分析，得到驱动力控制力方程：

FP＝kTndU-kTh(θ1-θ2)-kT(x2-x1) (2)

式中，FP为作动器驱动压电堆的推力；kT为压电堆的等效刚度，n为组成叠层式压电堆的单片压电陶瓷片个数，d为压电陶瓷片在极化方向上的压电应变系数，U为极化方向上所加载的电压，h为压电作动器到支杆表面的法向距离，(x2-x1)为压电陶瓷在极化方向上的伸长量。

(2)根据步骤(1)所得到的驱动力控制方程计算压电作动器对被控支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx。

(3)结合有限元分析方法和模态控制方法，对风洞试验气流激励的主要模态进行有限元模拟仿真分析，确定欲控模态的最大应力点的位置，将压电作动器安装在被控支杆最大应力点处，当支杆振动类型主要被控模态为二阶或三阶甚至更高阶时，确定欲控模态的最大应力点和次大应力点的位置，将两个压电作动器分别安装在被控支杆最大应力点和次大应力点处。同时采用两个作动器在风洞试验预控模态的最大应力点和次大应力点进行反馈控制，可以实现对高阶振动模态进行精确有效的控制，且收敛快。

(4)分析以位移响应作为反馈信号，通过增加被控支杆阻尼来实现振动响应控制，建立基于比例-积分-微分(PID)控制模型的动力学反馈控制方程，设置阻尼控制增益系数Gv和刚度控制增益系数Gd，当安装两个压电作动器时，建立两路基于比例-积分-微分(PID)控制模型的动力学反馈控制方程，分别设置每个方程中的阻尼控制增益系数Gv、刚度控制增益系数Gd和阻尼控制增益系数 G'v、刚度控制增益系数G'd。

(5)在被控支杆最大振动点附近设置激光位移传感器位移监测点，利用激光位移传感器采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号，作为反馈控制的输入。

激光位移传感器负责监测图1中位移监测点7的法向振动位移，监测点7 位于支杆最大振动点，靠近风洞试验被测模型。也可以采用加速度传感器和应变信号作为反馈控制的输入，但由于风洞实验噪声较大，加速度信号作为反馈信号效果不好，而采用应变信号运算复杂，所以本发明选择以支杆振动位移信号作为反馈控制的输入。

本实施例中还加装了加速度传感器5，所述加速度传感器5黏贴于激光位移传感器4位移监测点附近，实时输出支杆加速度测试点振动的加速度信号，用来实现对支杆振动加速度信号的实时监测，评估振动抑制效果。

(6)激光位移传感器采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号输入到数据采集模块，由数据采集模块对其进行采样和模拟-数字转换，转换为被控支杆测试点的法向振动位移数字量。

(7)根据包含了压电作动器的被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵，步骤(2) 所得到的压电作动器对支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx，步骤(6)中所得到的法向振动位移数字量，根据步骤(4)所建立的闭环反馈系统动力学控制方程和步骤(4)中设置的阻尼控制增益系数Gv、刚度控制增益系数Gd，通过PID控制，得到作动控制电压。

一般反馈控制方程为PID模型，在PID积分控制中，即使误差为零也会给压电作动器输出一个常值，使得作动器一直工作，并且由于作动器本身的迟滞特性，积分控制会加剧这种影响。由于支杆这种长细比较大的悬臂结构，风洞实验中的气流冲击引起的振动模态非常明显，本发明选择忽略积分控制，输出为包含微分增益系数、振动速度、比例控制增益系数和振动位移组成的电压信号，并输入给压电作动器作为其驱动电压。压电作动器在驱动电压的驱动下，产生控制力，控制支杆系统的振动。

本发明根据比例-积分-微分控制原理，将位移和速度响应信号反馈到系统的结构动力学方程：

其中，Mr、Cr、Kr为被控支杆的质量(包含了耦合的压电作动器机构)、阻尼、刚度矩阵，这些参量由被控支杆的固有的特性决定。Kpz为由压电作动器引起的附加弯曲刚度项，Kpx为由压电作动器引起的附加轴向刚度项，PB为作动器的驱动力项，Gv为阻尼控制增益系数，Gd刚度控制增益系数，F为外载荷矢量。

通过解算反馈控制方程得到和ur，由如下公式得到作动控制电压：

安装两个压电作动器时，根据步骤(4)中建立两路闭环反馈系统动力学控制方程，通过PID对二阶或多阶振动模态控制，得到第一个压电作动器的压电控制电压u1和第二个压电作动器的压电控制电压u2。

(8)将每个作动控制电压信号发送给闭环放大式驱动器，闭环放大式驱动器将每个作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压，压电作动器在各自作动驱动电压的驱动下产生作动力，抑制被控支杆的振动。

一般情况下，控制计算机输出的控制输出电压与压电作动器不匹配，需要闭环放大式驱动器用来将控制输出电压信号进行放大，供压电作动器使用。

(9)重复上述步骤(5)～步骤(8)，直至被控支杆振动减小直至稳定，记录振动响应曲线。

支杆结构测试点上法向振动位移电压信号再次通过激光位移传感器传输给控制计算机，经过由控制计算机、环放大式驱动器和安装在支杆上的压电陶瓷作动器组成的反馈控制系统的处理得到新的压电控制电压信号输出到压电控制器上，重复上述过程，直至被控支杆振动减小到正常的范围内。

本实施例中通过采集卡采集加速度信息，通过控制计算机记录并显示出来。

(10)分析振动响应曲线，判断振动抑制结果是否满足减振要求技术指标，如果满足要求，确定阻尼控制增益系数和刚度控制增益系数参数组合；否则，调整控制策略，即调整阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数参数。重复上述步骤(4)～步骤(9)，直至振动抑制结果满足减振要求技术指标。

控制方程中的阻尼增益参数Gv及刚度增益参数Gd实现对闭环系统反馈控制方程刚度及阻尼项的调节，达到控制振动的目的。当系统安装一个压电作动器时，调整控制策略、阻尼控制增益系数Gv和刚度控制增益系数Gd；当系统安装两个压电作动器时，同时调整第一个反馈控制方程中的刚度控制增益系数 Gd、刚度控制增益系数Gd和第二个反馈控制方程中的阻尼控制增益系数G'v、刚度控制增益系数G'd。可以通过调节以上两个参数，综合考虑稳态噪声幅度、噪声衰减时间等性能指标，可以获得最佳控制策略，即最佳阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数。在同一种类型的风洞实验状态下，一旦参数确定，以后更换风洞实验被测模型时，可以在现有参数组合基础上进行微调。

当更换风洞试验条件时，需要重新进行有限元模拟仿真分析确定欲控模态的最大应力点的个数和位置，确定压电传感器的个数和位置，重新安装压点传感器和调节模型增益参数。

由于风洞实验的振动模型较为明显，主要被控模态主要为一阶或二阶模态，上述主要描述了采用一个或两个压电作动器的情形，当被控支杆振动类型被控模态为多阶时，也可以通过上述方法采用更多压电作动器及其闭环反馈控制实现对高阶振动模态的有效控制。

本发明降低风洞启动冲击载荷对被测模型的冲击带来的支杆振动、保护风洞测试装置和被测模型结构、提高动态风洞实验数据信噪比，使风洞实验结果更接近于真实物理过程。针对同一种类型的风洞实验状态，不需要重复安装压电作动器的安装位置，只需要对参数进行微调，提高了系统的通用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。