基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统

摘要

本发明公开了基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统。所述基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统包括压电驱动单元、非对称控制电路、压电传感单元、系统电路，非对称控制电路由串联连接的二极管、电容，以及并联在二极管两端的开关组成。本发明通过改变系统电路中开关单元的组成，实现SSDI、SSDV技术中压电元件两端电压的非对称翻转，扩大了半主动振动控制中压电元件可选择的范围，对结构振动进行更有效地控制，在结构振动控制中具有广泛地应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及结构振动控制系统，尤其是基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统。

背景技术

压电材料的高频响应特性与机电耦合特性使其在结构的智能化和振动控制中得到了广泛地应用。目前，基于压电材料的结构振动控制方法主要可分为三种：主动控制、被动控制和半主动控制。压电半主动控制方法是基于压电主动和被动控制技术发展起来的一种新的振动控制方法，目前正得到广泛地研究。具有代表性的是一种基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法，这种方法被称为SSD技术（SSD：Synchronized Switch Damping），在电路中串联电感和开关等一些简单的电子元件使得压电元件上的电能被快速消耗或实现电压翻转，从而达到减振的目的。与被动、主动控制方法相比，这种方法的控制系统简单，仅仅开关工作需要外界能量，因此控制所要的外界能量很小，不需要精确的结构振动模型，且控制效果比较稳定，适合于宽频带振动控制，这些使得该方法在结构振动控制方面具有广阔的研究前景。目前，基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法主要分为四种，短路同步开关阻尼技术（SSDS技术）、电感同步开关阻尼技术（SSDI技术）、电压同步开关阻尼技术（SSDV技术）和负电容同步开关阻尼技术（SSDNC技术）。

在以往的研究中，对于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法，压电元件两端的电压翻转都是对称的，而对于需要电压非对称翻转的压电元件，例如压电纤维复合材料MFC（MFC：Macro Fiber Composite）等，该方法则有其局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统。

       本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统，包括：压电驱动单元、非对称控制电路、压电传感单元、系统电路；其中，所述压电驱动单元包括至少一个贴设在被控制结构表面的第一压电元件，所述非对称控制电路包括第一二极管、电容、第一功率开关管，所述压电传感单元包括至少一个贴设在被控制结构表面的第二压电元件，所述系统电路包括极值检测单元、电感、开关单元、信号处理单元；

所述非对称控制电路中：第一二极管的一极与第一压电元件连接，另一极与电容的一端连接；所述电容的另一端与第一压电元件连接，所述第一功率开关管并连在第一二极管两端，所述电感的一端与第一压电元件的输出端连接，另一端与开关单元的一端连接，开关单元的另一端与第一压电元件的输入端连接；所述极值检测单元的输入端与第二压电元件连接，输出端与开关单元连接；所述信号处理单元输入端接极值检测单元的输出信号、第一压电元件产生的电压信号，输出端与第一功率开关管的控制极连接。

所述基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统中，开关单元包括：第二二极管、第三二极管、第二功率开关管、第三功率开关管；其中：

所述第二二极管的阳极与第三二极管的阴极连接，阴极与第二功率开关管的一端连接；所述第二功率开关管的另一端与第三功率开关管的一端连接，所述第三功率开关管的另一端与第三二极管的阳极连接。

所述基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统中，开关单元包括：第二二极管、第三二极管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一电压源、第二电压源；其中：

所述第二二极管的阳极与第三二极管的阴极连接，阴极与第二功率开关管的一端连接；所述第二功率开关管的另一端与第一电压源负极连接；所述第一电压源的正极与第二电压源负极连接；所述第二电压源正极与第三功率开关管的一端连接，所述第三功率开关管的另一端与第三二极管的阳极连接。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明利用在压电元件两端并联非对称控制电路，实现压电元件两端电压的非对称翻转，扩大了半主动振动控制中压电元件可选择的范围，从而能够对结构振动进行更有效地控制，在结构振动控制中具有广泛地应用前景。

附图说明

图1为基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统的示意图。

图2为具体实施例一的电路图。

图3为实施例一被控结构振动位移、电压与速度曲线图。

图4为具体实施例二的电路图。

图5为实施例二被控结构振动位移、电压与速度曲线图。     

图中标号说明：M1、M2为第一、第二压电元件，K1为开关单元，L为电感，C为电容，D1-D3为第一至第三二极管，S1-S3为第一至第三功率开关管，U1、U2为第一、第二直流电压源，1为压电驱动单元，2为非对称控制电路，3为压电传感单元。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统，包括：压电驱动单元1、非对称控制电路2、压电传感单元3、系统电路。压电驱动单元1包括至少一个贴设在被控制结构表面的第一压电元件M1，非对称控制电路2包括第一二极管D1、电容C、第一功率开关管S1，压电传感单元3包括至少一个贴设在被控制结构表面的第二压电元件M2，系统电路包括极值检测单元、电感L、开关单元K1、信号处理单元。第一二极管D1、电容C组成的串联支路并联在第一压电元件M1的两端，第一功率开关管S1并连在第一二极管D1两端，电感L的一端与第一压电元件M1的输出端连接，另一端与开关单元K1的一端连接，开关单元K1的另一端与第一压电元件M1的输入端连接；极值检测单元的输入端与第二压电元件M2连接，输出端与开关单元连接；信号处理单元的输入端接极值检测单元的输出信号、第一压电元件（M1）产生的电压信号，输出端与第一功率开关管S1的控制极连接。极值检测单元为振动位移检测装置以及计算机测量系统，信号处理单元为开关触发电路。振动位移检测装置将结构振动位移转换为传感信号，计算机测量系统监测传感信号的极值点，方开关触发电路方波信号以产生功率开关管的门极控制信号。

当结构发生振动时，预先布置在结构上的第一压电元件M1和第二压电元件M2上将产生由于结构振动感应的电压信号，并且由于两个压电片布置在相同的位置，因此能够感应相同的振动电压信号。第一压电元件M1作为振动控制的驱动器，第二压电元件M2作为振动控制电路中的传感器。当结构振动的位移达到极值时，结构振动的位移极值检测装置将向开关输出控制信号，回路中的开关迅速闭合，由于第一压电元件M1一般可以等效为一个电容器，那么开关闭合的同时压电元件与回路中的电感L将发生LC高频共振，当共振振荡半个周期时迅速断开开关，此时第一压电元件M1上的电压与开关闭合前反向，加入非对称控制电路之后，由于第一二极管的作用，被控结构振动时产生的能量只能单向地对电容充电，保持第一开关断开，仅在第一压电元件M1两端电压由负的极值变为0或第一压电元件M1两端电压由正的极值变为0（第一二极管反向接入电路时）的时间里，闭合第一功率开关管S1，可以实现第一压电元件M1两端电压的非对称翻转。当开关单元K1开关断开之后，第一压电元件M1上产生的电压与结构振动的位移同相位，当结构振动的位移再次达到极值时，再合上开关，高频振荡半个周期后断开开关。周而复始的控制第一功率开关管S1和开关单元K1的运动，使得第一压电元件M1上产生的电压始终与结构振动的速度方向反向，从而达到振动控制的目的。

鉴于SSDS方法、SSDNC技术不涉及电压的翻转，本发明仅对SSDI、SSDV的电压翻转做举例说明。

具体实施例一：

如图2所示，基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统包括：压电驱动单元1、非对称控制电路2、压电传感单元3、系统电路。压电驱动单元1包括至少一个贴设在被控制结构表面的第一压电元件M1，非对称控制电路2包括第一二极管D1、电容C、第一功率开关管S1，压电传感单元3包括至少一个贴设在被控制结构表面的第二压电元件M2，系统电路包括极值检测单元、电感L、开关单元K1、信号处理单元。第一二极管D1的阴极与第一压电元件M1连接，阳极与电容C一端连接，电容C的另一端与第一压电元件M1连接，第一功率开关管S1并连在第一二极管D1两端，电感L的一端与第一压电元件M1的输出端连接，另一端与开关单元K1的一端连接，开关单元K1的另一端与第一压电元件M1的输入端连接；极值检测单元的输入端与第二压电元件M2连接，输出端与开关单元连接；信号处理单元的输入端与极值检测单元的输出端连接，输出端与第一功率开关管S1的控制极连接。此外，第一二极管D1与电容C还可以这样连接：第一二极管D1的阳极与第一压电元件M1连接，阴极与电容C一端连接。

开关单元K1包括：第二二极管D2、第三二极管D3、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3。其中：第二二极管D2的阳极与第三二极管D3的阴极连接，阴极与第二功率开关管S2的一端连接；第二功率开关管S2的另一端与第三功率开关管S3的一端连接，第三功率开关管S3的另一端与第三二极管D3的阳极连接。第二二极管D2的阳极与第三二极管D3阴极的连接点即为开关单元K1与电感L连接的端子，第二功率开关管S2与第三功率开关管S3的连接点即为开关单元K1与第一压电元件M1连接的端子。

具体实例一可实现非对称SSDI技术，并且电压翻转值正向绝对值较大，负向绝对值较小，具体实施例一被控结构振动位移、电压和速度曲线图如图3所示。

具体实施例一的控制过程：当悬臂梁的位移由负的极大值变为正的极大值过程中，第一、第二、第三功率开关管S1、S2、S3均断开，第一压电元件M1处于正向充电状态，第一二极管D1处于截止状态，电容C未处于充电状态，第一压电元件M1两端电压逐渐达到正的极值，电容C两端电压不变；当位移达到正的极大值时，第二功率开关管S2闭合，第一、第三功率开关管S1、S3断开，第一二极管D1和第二二极管D2导通，第一压电元件M1与电感L构成高频谐振回路，第一压电元件M1两端电压逐渐变为负值并达到绝对值最大，电容C处于正向充电状态，两端电压逐渐达到极大值；LC振荡半个周期后，第一、第二、第三功率开关管S1、S2、S3均断开，第一压电元件M1处于反向充电状态，第一二极管D1导通，电容C处于正向充电状态，第一压电元件M1两端电压逐渐达到反向极大值，电容C两端电压逐渐达到正向最大值；当位移达到负的极大值时，第一、第三功率开关管S1、S3闭合，第二功率开关管S2断开，第三二极管D3导通，第一压电元件M1与电感L构成高频谐振回路，同时第一压电元件M1对电容C进行反向充电，电容C上电荷逐渐被中和，电压趋于稳定值，第一压电元件M1两端电压逐渐变为0；当压电元件两端电压变为0时，第三功率开关管S3闭合，第一、第二功率开关管S1，S2均断开，第三二极管D3导通，第一压电元件M1与电感L构成高频谐振回路，压电元件两端电压逐渐变大，达到最大值时断开第三功率开关管S3，电容C两端电压维持不变。

具体实施例二：

如图4所示，基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统包括：压电驱动单元1、非对称控制电路2、压电传感单元3、系统电路。压电驱动单元1包括至少一个贴设在被控制结构表面的第一压电元件M1，非对称控制电路2包括第一二极管D1、电容C、第一功率开关管S1，压电传感单元3包括至少一个贴设在被控制结构表面的第二压电元件M2，系统电路包括极值检测单元、电感L、开关单元K1、信号处理单元。第一二极管D1的阳极与第一压电元件M1连接，阴极与电容C一端连接，电容C的另一端与第一压电元件M1连接，第一功率开关管S1并连在第一二极管D1两端，电感L的一端与第一压电元件M1的输出端连接，另一端与开关单元K1的一端连接，开关单元K1的另一端与第一压电元件M1的输入端连接；极值检测单元的输入端与第二压电元件M2连接，输出端与开关单元连接；信号处理单元的输入端与极值检测单元的输出端连接，输出端与第一功率开关管S1的控制极连接。此外，第一二极管D1与电容C还可以这样连接：第一二极管D1的阴极与第一压电元件M1连接，阳极与电容C一端连接。

开关单元K1包括：第二二极管D2、第三二极管D3、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第一电压源U1、第二电压源U2。第二二极管D2的阳极与第三二极管D3的阴极连接，阴极与第二功率开关管S2的一端连接；第二功率开关管S2的另一端与第一电压源U1负极连接；第一电压源U1的正极与第二电压源U2负极连接；第二电压源U2正极与第三功率开关管S3的一端连接，第三功率开关管S3的另一端与第三二极管D3的阳极连接。第二二极管D2的阳极与第三二极管D3阴极的连接点即为开关单元K1与电感L连接的端子，第一电压源U1正极与第二电压源U2负极的连接点即为开关单元K1与第一压电元件M1连接的端子。

具体实例二可实现非对称SSDV技术，并且电压翻转值负向绝对值较大，正向绝对值较小，具体实施例一被控结构振动位移、电压和速度曲线图如图5所示。

具体实施例二的控制过程：当悬臂梁的位移由正的极大值变为负的极大值过程中，第一、第二、第三功率开关管S1、S2、S3均断开，第一压电元件M1处于反向充电状态，第一二极管D1处于截止状态，电容C未处于充电状态，第一压电元件M1两端电压逐渐达到负的极值，电容C两端电压不变；当位移达到负的极大值时，第三功率开关管S3闭合，第一、第二功率开关管S1、S2断开，第一二极管D1和第三二极管D3导通，第一压电元件M1与电感L构成高频谐振回路，第一压电元件M1两端电压逐渐变为正值并达到绝对值最大，电容C处于反向充电状态，两端电压逐渐达到极大值；LC振荡半个周期后，第一、第二、第三功率开关管S1、S2、S3均断开，第一压电元件M1处于正向充电状态，第一二极管D1导通，电容C处于反向充电状态，第一压电元件M1两端电压逐渐达到正向极大值，电容C两端电压逐渐达到反向最大值；当位移达到正的极大值时，第一、第二功率开关管S1、S2闭合，第三功率开关管S3断开，第二二极管D2导通，第一压电元件M1与电感L构成高频谐振回路，同时第一压电元件M1对电容C进行正向充电，电容C上电荷逐渐被中和，电压趋于稳定值，第一压电元件M1两端电压逐渐变为0；当压电元件两端电压变为0时，第二功率开关管S2闭合，第一、第三功率开关管S1，S3均断开，第二二极管D2导通，第一压电元件M1与电感L构成高频谐振回路，压电元件两端电压逐渐变大，达到最大值时断开第二功率开关管开关S2，电容C两端电压维持不变。

综上所述，本发明所述的基于非对称控制电路的结构振动半主动控制系统利用在压电元件两端并联非对称控制电路，实现压电元件两端电压的非对称翻转，扩大了半主动振动控制中压电元件可选择的范围，从而能够对结构振动进行更有效地控制，在结构振动控制中具有广泛地应用前景。