分布式压电悬臂板系统主动振动控制研究

摘要

飞机在飞行中会受到气动力的作用发生颤振，从而导致机翼的疲劳损伤，产生不良噪声，严重时会引发恶性事故，因此振动控制对提高飞行安全具有重要意义。MFC压电致动器具有质轻、柔韧的优点，被广泛应用于振动控制领域。在机翼振动控制中，仅使用单个MFC致动器难以取得良好的控制效果。本文将机翼简化为悬臂板，采用分布式粘贴的多个MFC致动器进行振动控制。建模的准确性和控制算法的效率是振动控制的关键，因此本文主要研究分布式压电悬臂板系统的建模和振动控制算法。 分布式压电悬臂板系统属于多输入多输出系统，本文使用的MFC致动器属于复合材料。因此，本文采用一种均一化模型分析MFC的宏观性质，利用有限元法进行动力学建模。对于制造精度问题带来的建模误差，设计了一种基于状态观测器的模态参数识别方法，通过自由振动实验提高建模精度。此外，MFC具有迟滞特性，使用一种改进的PI迟滞模型对其迟滞特性建模，根据静态变形分析将此模型整合到了整个系统的动力学模型中。 在建模的基础上，根据系统的机械能转换关系提出一种多输入多输出的主动振动控制算法。针对MFC的迟滞特性，基于改进的PI模型的逆模型在控制算法中对其进行了补偿。为提高系统的能控性和能观测性，以系统传递函数的H2范数为目标函数对致动器和传感器进行了布置优化。 为研究上述均一化模型对于MFC悬臂板系统建模的适用性，在ANSYS中分析了MFC悬臂板的静态变形。ANSYS仿真结果表明：该模型适用于MFC悬臂板系统建模，采用该模型相比于不采用均一化模型悬臂板的挠度的相对误差不超过5.77%，且该模型中的e32效应对板的挠度的影响为次要因素。在采用该模型的基础上忽略e32效应相比于原均一化模型板的挠度的相对误差不超过1.36%。为验证本文提出的控制算法的抑振效果，设计了压电悬臂板抑振控制实验，实验结果表明：该控制算法有很好的抑振控制效果，使用该算法相比于自由振动振幅从0.25mm衰减至0.01mm以下所需的时间从15.96s缩短至1.33s，实验结果也同时证明了本文提出的建模方法的准确性。

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