压电堆—橡胶组合隔振器及其在主动隔振中的应用研究

摘要

精密敏感仪器设备是航天器正常工作的重要保证，它们在发射和在轨运行过程中要经历复杂、恶劣的振动环境。为了改善其力学环境，提高工作的精度和可靠性，必须对其进行振动控制。单纯采用被动隔振方法已经不能满足实际需要，为此，针对敏感仪器精密隔振的要求，提出了一种主被动一体的组合隔振方案。其中，组合隔振器主动元件采用了压电堆作动器，被动隔振部分采用了一种衬套式的橡胶隔振器。仿真研究结果表明所设计的组合隔振系统在各个频段对不同的激励信号输入都有较好的隔振效果。
　　从压电材料的一维压电方程出发，推导出了压电陶瓷片以及压电堆的作动方程。在此基础上完成了组合隔振器中压电堆作动器部分的设计。同时，结合敏感仪器隔振要求，完成了组合隔振器中橡胶隔振器部分的设计与参数计算。
　　对影响压电堆作动器动态特性的因素进行了深入分析，建立了压电堆作动器的等效动力学模型。同时，为了更好地描述橡胶隔振器的动态刚度和阻尼特性，在其结构阻尼模型和等效粘性阻尼模型基础上，建立了其复刚度模型。最终获得了组合隔振器的动力学模型，为后续的实验研究和控制系统设计提供了理论依据。
　　为了研究组合隔振器中压电堆作动器部分和橡胶隔振器部分的动态特性，设计完成了压电堆作动器的静、动态输出特性试验，橡胶隔振器的动态特性试验和传递特性实验。实验结果表明，所设计的组合隔振器具有稳定的动态特性，适于作为一体化振动控制的隔振元件。
　　在建立的组合隔振器动力学模型以及实验研究结果的基础上，设计了一种带有激励位移前馈和响应速度反馈的复合PID振动控制系统。推导了系统的传递函数，获得了对应不同增益系数的系统传递特性。通过系统仿真研究了在选定的增益系数下，组合隔振系统对于脉冲激励信号、谐波激励信号和随机激励信号输入的响应。仿真结果表明，所设计的组合隔振系统对于脉冲激励、单频谐波激励和随机激励同样都有较好的隔振效果。

目录

压电堆-橡胶组合隔振器及其在主动隔振中的应用研究

DESIGN AND APPLICATION STUDY OF A NOVEL PIEZOCERAMIC-RUBBER INTEGRATED VIBRATION ISOLATOR

摘要

Abstract

第１章 绪论

1.1 引言

1.2 主动隔振技术的发展与应用概述

1.2.1 主动隔振和被动隔振

1.2.2 主动隔振系统组成

1.2.3 主动隔振的应用

1.3 主动隔振关键技术分析

1.3.1 作动器技术

1.3.2 控制器技术

1.4 主动隔振技术存在的问题

1.5 课题来源及研究内容

第2 章 组合隔振器的设计

2.1 压电陶瓷的作动分析

2.2 压电堆作动器的设计

2.3 组合隔振器橡胶部分的设计

2.4 本章小结

第3 章 组合隔振器的动力学建模

3.1 压电堆作动器动态特性的影响因素

3.2 压电堆作动器的等效动力学模型

3.3 组合隔振器橡胶部分的理论建模

3.4 压电堆-橡胶组合隔振器的动力学模型

3.5本章小结

第4 章 组合隔振器静动态特性的实验研究

4.1 压电堆作动器的静态特性实验

4.2 压电堆作动器动态输出位移特性实验

4.3 压电堆作动器动态输出力特性实验

4.4 橡胶隔振器动态特性实验

4.5 橡胶隔振器传递特性实验

4.6 本章小结

第5 章 组合隔振器控制系统设计与仿真研究

5.1 PID控制理论基础

5.1.1 PID控制原理

5.1.2 数字PID控制算法

5.2 主动隔振系统采用不同反馈形式的对比

5.3 PID复合振动控制器设计

5.3.1 控制方案的选用

5.3.2 闭环传递函数的推导

5.3.3 组合隔振系统特性

5.4 组合隔振系统仿真研究

5.4.1 组合隔振系统脉冲激励响应分析

5.4.2 组合隔振系统谐波激励响应分析

5.4.3 组合隔振系统随机激励响应分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢