本发明涉及的是一种主动抑振装置，具体是一种应用于航空航天工程的应用于风洞模型振动控制的主动抑振装置。
背景技术：
风洞试验一般采用尾撑方式，试验模型通过内置式天平、天平支杆固定安装于中间支架上，中间支架安装在风洞试验段的后部，这样构成的试验模型系统是一个典型的悬臂式结构。在风洞试验过程中，受非定常气动力的作用，悬臂式的试验模型系统会产生低阶的模态振动，而试验模型由于位于悬臂结构的自由端，其振动的幅值最大。大幅的低频振动除了会危害气动试验数据的精准度，还会导致试验模型系统的疲劳破坏，因此需要采用振动控制的手段来解决风洞试验模型由于风载激励产生的低频振动问题。一般而言，风洞模型振动控制分为主动和被动两种方式，但被动的方法只能对特定的工况进行控制、减振效果不理想。因此，采用适应性较强的振动主动控制技术是目前最具工程实用意义的技术途径。
现有用于风洞模型振动控制的主动抑振系统主要采用惯性式电磁作动器或压电陶瓷组件。如“陈卫东，邵敏强，杨兴华等，跨声速风洞测力模型主动减振系统的试验研究，振动工程学报，2007，20(1)：91-96”描述了基于惯性式电磁激振器的风洞模型主动减振系统，取得了70％以上的主动减振效果，但是这种作动方式将作动机构直接装载于试验模型的内部结构空腔，因此不同的试验模型需要分别考虑作动机构的设计和安装问题；而Fehren H，Gnauert U，Wimmel R，Validation testing with the active damping system in the European Transonic Wind Tunnel，AIAA 2001-0610(Fehren H等，欧洲跨声速风洞主动阻尼系统的有效性验证试验，AIAA 2001-0610)、Balakrishna S，Houlden H，Butler D H，and White R，Development of a wind tunnel active vibration reduction system，AIAA 2007-961(Balakrishna S等，风洞主动抑振系统的进展，AIAA 2007-961)和Balakrishna S&Butler D H，Acheson M J，White R，Design and performance of an active sting damper for the NASA common research model，AIAA 2011-953(Balakrishna S等，NASA常用研究模型的主动支杆阻尼的设计及性能，AIAA 2011-953)中描述的主动抑振系统，都采用压电陶瓷作动器，通过作动机构的结构设计将压电堆作动器的轴向运动放大并转变成试验模型的俯仰和偏航运动，这样主动地调节压电陶瓷组件的驱动电压可以控制试验模型的俯仰/偏航振动响应。这种作动机构结构紧凑，可以安装在天平支杆的首端或尾部，无需针对不同的试验模型进行专门地结构设计，但缺点是无法对试验模型的俯仰和偏航振动进行解耦控制，不同压电陶瓷组件工作时会互相影响，控制系统复杂、稳定性和可靠性受到影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能有效降低风洞试验模型由于风载激励产生的低频振动，不仅对低频线谱有效，同时对宽带随机激励也有较好的控制效果的应用于风洞模型振动抑制的主动抑振装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的应用于风洞模型振动抑制的主动抑振装置包括三向加速度传感器、内部安装有压电陶瓷作动器的主动抑振模块、安装有控制系统软件的控制机柜；三向加速度传感器置于试验模型内部，测量由于风载激励产生的试验模型系统前两阶低频振动信号输出给控制机柜；控制机柜将所述低频振动信号离散采样后通过自适应反馈控制算法计算生成控制信号输出驱动主动抑振模块中的压电陶瓷作动器，通过控制俯仰和偏航的压电陶瓷组件的轴向位移，使试验模型分别产生俯仰振动和偏航振动或者二者的耦合振动，与风载作用在试验模型上引起的振动响应相抵消，实现试验模型的前两阶俯仰和偏航振动的解耦控制。
本发明的应用于风洞模型振动抑制的主动抑振装置还可以包括：
1、所述的主动抑振模块包括作动机构安装底座2、俯仰压电陶瓷作动器3、偏航压电陶瓷作动器9、轴向或俯仰和偏航运动放大及转化机构4、限位块10、压盖6和罩壳组件8，俯仰压电陶瓷作动器3和偏航压电陶瓷作动器9安装在作动机构底座2和轴向或俯仰和偏航运动放大及转化机构4之间，压盖6通过压盖螺钉7将天平支杆5压紧固定在主动抑振模块上，限位块10固定安装在轴向或俯仰和偏航运动放大及转化机构4的铰链槽内，主动抑振模块通过作动机构安装底座2固定安装于试验模型系统中间支架的攻角头上。
2、主动抑振模块安装在天平支杆5的根部。
3、所述三向加速度传感器为ICP三向加速度传感器。
4、所述控制机柜包括压电陶瓷组件功率放大器、信号分配箱、NI控制器、UPS不间断电源，压电陶瓷组件功率放大器驱动压电堆从而驱动主动抑振模块工作，包括速压信号和姿态角信号的风洞信号、风洞模型的振动加速度信号以及功率放大器的电流、电压信号、压电堆位置信号及温度信号作为系统的监测信号，所有信号的输入输出通过信号分配箱输送给NI控制器，远程控制器通过以太网与NI控制器相连，UPS通过网络和整个控制系统相连，系统控制软件检测UPS的状态。
5、运行在FPGA上的基于自适应反馈控制算法的核心控制程序完成压电陶瓷组件驱动信号的计算；主动抑振系统的测控软件完成信号检测、试验过程调度、与风洞测控系统通讯、协调控制功能。
本发明提供了一种针对风洞试验模型振动控制的振动主动控制装置，通过安装在天平支杆根部的主动抑振模块将压电陶瓷组件的轴向位移放大至天平支杆自由端试验模型的俯仰和偏航振动，在试验模型内安装一个三向的加速度传感器测量试验模型系统的前两阶低频振动响应作为反馈信号，来抑制试验模型的低频振动响应。该装置的主动抑振模块安装并作用在天平支杆的根部，这样能最大限度地将压电陶瓷组件的微小位移进行放大；主动抑振模块串联在试验模型系统内，外形采用流线型设计，对流场的影响最小；主动抑振模块通过结构设计巧妙地将俯仰和偏航压电陶瓷组件的运动解耦，从而可以使控制俯仰和偏航振动的压电陶瓷组件互相之间的影响和制约降到最低，实现试验模型俯仰和偏航振动的解耦控制，提高系统的稳定性和可靠性；主动抑振系统采用自适应反馈控制算法，可以自动地适应试验模型的试验工况变化，大幅度降低试验模型的低频振动响应。
附图说明
图1是本发明结构框图；
图2是主动抑振模块结构示意图；
图3是图2的C-C剖视图；
图4是本发明自适应反馈控制算法框图；
图5a-图5b是本发明应用实例的控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1，本发明的应用于风洞模型振动抑制的主动抑振装置包括：三向加速度传感器、主动抑振模块(内安装有压电陶瓷作动器)、控制机柜、控制系统软件。其中：三向加速度传感器置于试验模型内测量由于风载激励产生的试验模型系统前两阶低频振动信号输出给控制机柜，控制机柜将信号离散采样后通过自适应反馈控制算法生成控制信号输出给主动抑振模块的压电陶瓷作动器，通过控制俯仰压电陶瓷组件和偏航压电陶瓷组件的轴向位移，使试验模型分别产生俯仰振动和偏航振动，或者二者的耦合振动，与风载作用在试验模型上引起的振动响应相抵消，达到主动抑振的目的。
结合图2和图3，所述的主动抑振模块包括：作动机构安装底座2、安装螺钉1、俯仰压电陶瓷作动器3、偏航压电陶瓷作动器9、轴向或俯仰和偏航运动放大及转化机构4、限位块10、压盖6、压盖螺钉7、罩壳组件8。其中：整个主动抑振模块通过作动机构安装底座固定安装于试验中间支架的攻角头上，压电陶瓷作动器3和9安装在作动机构底座2和轴向或俯仰和偏航运动放大及转化机构4之间，压盖6通过压盖螺钉7将天平支杆5压紧固定在主动抑振模块上，限位块10固定安装在轴向或俯仰和偏航运动放大及转化机构4的铰链槽内。主动抑振模块安装在天平支杆5的根部。
所述的控制机柜包括：压电陶瓷组件功率放大器、信号分配箱、NI控制器、UPS不间断电源。其中：系统中功率放大器驱动压电堆从而驱动主动抑振模块进行工作。风洞信号包括速压信号和姿态角信号、加速度信号以及功放的电流、电压信号、压电堆位置信号以及功放的状态信号为系统的监测信号。所有信号的输入输出通过信号分配箱，信号的类型有数字量和模拟量两种。远程控制器通过以太网与NI控制器相连，远程控制器上安装软件以便实施系统控制任务。UPS通过网络和系统相连，系统控制软件检测UPS的状态，保证系统在停电时能可靠工作。
所述的控制系统软件包括：运行在FPGA上的基于自适应反馈控制算法的核心控制程序、主动抑振系统的测控软件。核心控制算法完成压电陶瓷组件驱动信号的计算。主动抑振系统测控软件完成信号检测、试验过程调度、与风洞测控系统通讯、协调控制等功能。
本发明的自适应反馈控制算法如图4所示，其中f(n)为风载激励信号，P(z)为风载激励到模型振动响应之间的传递函数，d(n)为风载激励下模型的振动响应即期望信号，e(n)为主动抑振系统工作时模型的振动响应即误差信号，W(z)为控制滤波器，S(z)为控制滤波器输出y(n)到误差传感器输出e(n)之间的物理传递通道(称为误差通道)，为对误差通道识别的结果，在此用来生成期望信号d(n)的估计信号d′(n)作为控制滤波器的参考输入，同时对参考输入信号d′(n)进行补偿滤波，然后与误差信号e(n)共同参与控制滤波器W(z)权系数的更新。其算法可以总结如下：
其中wl(n)为自适应控制滤波器W(n)在n时刻的第l阶权系数，L为滤波器的长度，y(n)为自适应控制器的输出，e(n)为天平支杆自由端测量到的振动响应信号即误差信号，μ为收敛系数，d(n)为期望信号即风载单独作用时试验模型的振动信号，y′(n)为主动抑振模块作用时产生的试验模型振动信号，r(n)为期望信号通过误差通道数字滤波器滤波后的信号。
系统具有联机控制和本机控制两种工况。联机控制时，系统通过工业以太网联入风洞现有测控系统，实现与试验调度管理机的通信联络，能够接受其指令，并根据指令启停抑振系统，同时反馈相关信息(状态信息、报警信息等)给试验调度管理机系统，以便实现风洞试验自动化。控制系统与试验调度管理机的通讯采用TCP/IP方式，通讯协议由双方协商确定，提供通讯示例程序。本机控制时，通过人机界面完成系统运行和状态监测。
系统具有训练和试验两种工作模式。在训练工作模式下，可通过控制压电陶瓷模块对试验模型及支撑机构进行扫频激振，完成试验模型及支撑机构的振动参数辨识和控制系统的控制参数自整定；在试验工作模式下，完成试验过程中试验模型的自适应主动抑振控制。
本发明对风洞模型前两阶低频振动的主动抑振效果如图5a-图5b所示。控制效果如下：当风洞主动抑振装置工作时，可以使风洞模型水平方向振动的两根低频线谱分别下降9.7dB(4.375Hz)和15.3dB(5.75Hz)；风洞模型垂直方向振动的两根低频线谱分别下降12.5dB(4.375Hz)和31.4dB(5.75Hz)。从而有效地降低了风洞模型的俯仰(4.375Hz)和偏航(5.75Hz)振动。