双稳态压电俘能器大幅周期轨道及控制的研究

摘要

压电材料在发生应变时能产生电荷，因此，通过在振动悬臂梁上贴附压电晶片的方式能有效地收集环境中的振动能。压电材料产生的电荷量与自身应变成正比，悬臂梁的振动幅度会影响俘能器的输出电压。双稳态压电俘能器在不同的外部激励或初始条件下能出现势阱内的小幅周期运动、势阱间的混沌运动和势阱间的大幅周期运动。显然，俘能器作阱间大幅周期运动时能产生相对更大的输出电压，因此，通过控制俘能器工作于势阱间的大幅周期运动是增大输出电压的可靠方法。 在确定的外部环境激励条件下，双稳态压电俘能器的运动状态则取决于系统的初始条件。为了使俘能器无论在什么样的初始条件下都能够工作于势阱间的大幅周期运动，则必须采用一定的控制策略，在此期间也必定会消耗一定的能量。 本文以双稳态悬臂梁式压电俘能器为研究对象，分析了不同外部激励和不同初始条件下俘能器的运动特性及俘能特性。应用约束间歇控制法成功地控制双稳态压电俘能器于大幅周期运动轨道俘能，分析了控制器参数对控制器能耗的影响，并对各控制参数进行了优化。 本论文的具体研究工作和结论如下： 1. 应用 0-1 混沌测试方法，系统地分析了双稳态压电俘能器在不同外部激励、不同初始条件下的运动特性；分析了双稳态压电俘能器在不同的轨道下的俘能效果。研究结果表明：不同激励幅值下，双稳态俘能器可出现阱内小幅周期运动、阱间混沌运动、阱间大幅周期运动。而在外部激励确定的情况下，不同的初始条件也能使双稳态压电俘能器出现阱间大幅周期运动。在对比俘能器在三种运动轨道下的俘能效果后发现：双稳态压电俘能器在阱间大幅周期轨道下的俘能效果优于阱间混沌运动，阱间混沌运动的俘能效果又优于阱内周期运动。 2. 基于simulink仿真软件，搭建了双稳态压电俘能器控制系统仿真模型。应用约束间歇控制方法实现了由阱内小幅周期运动到阱间大幅周期运动及由阱间混沌运动到阱间大幅周期运动的运动控制。 数值仿真结果表明：约束间歇控制法能成功地控制双稳态压电俘能器于阱间大幅周期轨道运动，但同时也一定会消耗一定的能量。 3. 针对控制器的能耗问题作了进一步的研究。以控制器能耗作为指标，分析了不同控制参数下控制器的能量消耗；使用遗传算法优化了控制参数，并对优化后的控制参数进行了数值仿真。结果表明：间歇控制法的参数对控制器能耗有一定的影响，优化后地控制参数能减少控制器能耗，提高俘能器俘能效果。

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