[发明专利]一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统及方法

权利要求书

1.一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于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。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于所述位移监测点设置在被控支杆最大振动点处。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于所述压电作动器为压电陶瓷作动器。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于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。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于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。

6.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于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。

7.一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，其特征在于包括如下步骤：

(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P_B、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响K_pz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响K_px；

(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P_B、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响K_pz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响K_px，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G_v、刚度控制增益系数G_d，通过PID控制，得到作动控制电压；

所述闭环反馈系统动力学控制方程为：

其中，M_r、C_r、K_r分别为被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵；F为外载荷矢量；u_r为支杆振动位移；

(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。

8.一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，其特征在于包括如下步骤：

(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P_B、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响K_pz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响K_px；

(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P_B、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响K_pz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响K_px，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；

所述闭环反馈系统动力学控制方程为：

其中，M_r、C_r、K_r分别为被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵；F为外载荷矢量；u_r为支杆振动位移；

(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。