光驅(qū)動壓電作動器用于薄殼振動控制策略的

引言

隨著人類對機械結構性能要求的提高,薄殼結構被廣泛應用于航空航天、軌道交通等各個行業(yè)。但在工作過程中薄殼結構易產(chǎn)生振動,且難以依靠大氣阻力來快速消除振動,需要人為采取措施。以往的控制方法,經(jīng)過長時間應用發(fā)現(xiàn)存在很多弊端,故對新方法的研究顯得尤為重要。

近年來利用智能結構作為驅(qū)動器對薄殼振動進行控制成為一個新的研究熱點,鐵電陶瓷材料锏改性錯鈦酸鉛(PLZT）作為智能結構的典型代表,PLZT具有特殊的光電效應一一反常光生伏打效應,當波長約為365nm的紫外光照射在其表面時將沿其極化方向產(chǎn)生每厘米數(shù)千伏的電壓,并在電壓作用下沿極化方向產(chǎn)生應變。

利用PLZT的光致伸縮效應進行研究的典型代表有:UchinoK設計的光致伸縮繼電器:基于雙壓電晶片共振,研發(fā)光電話[2]:將PLZT作為電源發(fā)明的光電馬達。一種可在不同小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不同方向控制力的新型四區(qū)域光電作動器。

隨著研究深入發(fā)現(xiàn),PLZT具有應變滯后、僅能半周期控制、不適用于高頻控制、有殘余應變等弊端,嚴重限制了PLZT作動器的應用。針對以上問題,并結合壓電作動器存在響應速度快的優(yōu)點以及需要與電源直接相連易引入電磁干擾的弊端,開展光驅(qū)動壓電作動器研究。本文將對光驅(qū)動壓電作動器進行振動控制的控制策略研究及其可行性驗證。

1控制策略研究及控制試驗

1.1試驗臺的搭建

為開展光驅(qū)動壓電作動器控制策略研究及驗證其可行性,搭建試驗平臺,試驗中所用到的器材如圖1所示。試驗以懸臂梁為被控對象,所用器材包括隔振試驗平臺、計算機、直流電源、高阻電壓表、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、光源、信號調(diào)理電路、開關電路。

為了提升控制效果,試驗中采用兩個PLZT與壓電作動器相連接,分別提供正/負電壓,試驗中壓電作動器選用壓電薄膜聚偏氟乙烯(PVDF）,聚偏氟乙烯是一種很薄的薄膜,盡管性能有限,但易于裁剪并附加在結構表面進行試驗分析。

試驗原理如圖2所示。

由控制系統(tǒng)發(fā)出激勵信號激勵懸臂梁產(chǎn)生振動,壓電傳感器將振動電壓信號傳遞給信號調(diào)理電路,信號調(diào)理電路包括電荷放大模塊、電平調(diào)整模塊、工頻陷波模塊、帶通濾波模塊。傳感信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后傳遞給計算機進行判斷并輸出控制信號給開關電路,進而控制PLZT與壓電作動器的連接方式,控制壓電作動器電壓正負值,達到抑制振動的目的。

控制雙PLZT與壓電作動器連接的開關電路如圖3所示。當控制器輸出上方電路控制信號為1、下方電路控制信號為0的信號時,PLZT與壓電作動器正接,壓電作動器得正電:當控制器輸出上方電路控制信號為0、下方電路控制信號為1的信號時,PLZT與壓電作動器反接,壓電作動器得負電:當控制器為兩路均提供控制信號0,則PLZT與壓電作動器斷開。

1.2軟件系統(tǒng)研究

新型光控壓電作動器的振動控制軟件系統(tǒng)是通過利用研華公司的PCI-1710多功能數(shù)據(jù)采集卡進行模擬量/數(shù)字量的輸入/輸出進行數(shù)據(jù)交換,把外界信息傳遞給計算機,通過軟件系統(tǒng)進行分析,并根據(jù)不同時刻的外界信號發(fā)出相應的控制信號,以達到利用廣電壓進行快速消除振動的目的。

光控作動器激勵檢測程序如圖4所示,懸臂梁發(fā)生振動時,當電壓信號達到預設的自動控制出發(fā)電壓時,跳出循環(huán),執(zhí)行下一個控制程序。

在程序跳出激勵檢測循環(huán)后,系統(tǒng)將通過數(shù)據(jù)采集卡實時采集振動傳感信號,傳感信號的波形可以在程序前面板中實時顯示:在采集傳感信號時,系統(tǒng)將通過移位寄存器將當前時刻的傳感信號與上一時刻的傳感電壓信號進行比較,以判斷當前被控對象的振動狀態(tài),判定為正速度控制或負速度控制,進而通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號,控制開關電路來控制PLZT與壓電作動器的正反接,使壓電作動器在廣電壓的作用下產(chǎn)生形變,對被控對象的振動提供連續(xù)抑制力。當振動減小到一定程度后,若不及時停止控制程序,將對振動造成激勵效果,使振動加劇。程序的停止條件設定為:當系統(tǒng)振動傳感電壓信號最大值與最小值之差小于預設的自動停止電壓時,控制程序停止運行,程序如圖5所示。

當電壓信號滿足自動停止條件后控制程序停止,控制過程數(shù)據(jù)將通過創(chuàng)建數(shù)組存儲在計算機指定位置以便分析,信號通過運算處理可得到其頻域波形,如圖6所示。最后將程序復位,整個程序運行完畢。試驗過程中所有的波形均可以在前面板中觀察,如圖7所示。

2試驗結果

試驗開始前預先打開光源,對PLZT進行預照射,使光壓電達到飽和值,運行程序,對懸臂梁進行激振,使其產(chǎn)生周期性振動,試驗測得的在受控前后懸臂梁自由端振動衰減曲線對比如圖8所示。

由圖8可以看出,經(jīng)新型光控壓電作動器控制后梁的振動衰減速度明顯快于自然衰減的速度。在振動衰減曲線中,由于振動頻率較快,曲線密集,不易于觀察,將曲線進行傅里葉變化得到與之相對應的頻域曲線,受控前后的振動衰減頻域曲線對比如圖9所示。

由兩組曲線對比可知,采用光控壓電作動器的控制方法可以有效控制薄殼結構的振動,這種方法可以有效減少外界干擾,減小所需設備體積,對結構的工作性能有很大提升。

3結語

本文介紹了光驅(qū)動壓電作動器用于薄殼結構振動控制的控制方法及控制策略研究,并通過試驗驗證了光驅(qū)動壓電作動器對于薄殼結構振動控制的可行性。由于試驗中采用的壓電作動器及PLZT性能有限,故效果受限,在實際應用時可采取性能更優(yōu)的PLZT和壓電作動器。本文中PLZT的作用是產(chǎn)生光電壓,在空間中如果采用合適的分光鏡將自然光中不同波長的光線分離,提取波長365)n的光束即可實現(xiàn)利用自然光為壓電作動器提供電壓。在無自然光情況下也可以利用光源照射,這個過程中沒有電源直接與PLZT相連,并可以遠距離照射,減小電磁干擾,提高信號的傳輸精度。本文研究的新方法可以為航空航天、軌道交通等行業(yè)減小薄殼結構振動,提高信號傳輸精度提供新思路。