谐波振动主动控制中压电作动器迟滞非线性研究

Due to its advantages such as small volume, light weight, high electromechanical efficiency, piezoelectric stack actuator has become an attractive actuator in active vibration control of aerospace structures. However, the inherent hysteresis nonlinearity of piezoelectric material may induce the phase delay and waveform distortion of the active control force in elastic structures, reducing the vibration control effect. The currently investigated properties of piezoelectric actuators under the single condition such as the free mechanical boundary, constant electric fields or constant stress cannot effectively reflect the hysteretic nonlinear characteristics of piezoelectric actuators under the coupled periodic electrical and mechanical loadings. In this project, the piezoelectric actuator hysteresis nonlinearity and compensation strategies in the harmonic vibration control of elastic structures are to be investigated, to reveal the characteristics of piezoelectric actuator hysteresis nonlinearity under the combined harmonic electric fields and mechanical loads and establish the relationships between control voltages and actuation forces of the piezoelectric actuator in a complex dynamic driven environment. Based on the characteristics of modeling method for the control paths in the harmonic vibration control, the effective modeling and compensation methods of nonlinearity are to be investigated for the harmonic vibration control, to provide scientific theories and methodologies for improvements of the utilization efficiency of piezoelectric actuators and the performance of the active vibration control of aerospace structures.

压电作动器体积小、质量轻、机电转换效率高，越来越多的应用于航空航天结构振动主动控制，但压电材料固有的迟滞非线性使得作用于弹性结构的主动控制力产生相位延迟和波形畸变，降低控制效果，目前研究较多的自由机械边界条件、常电场或常应力等单一状态下压电作动器驱动特性并不能有效反映周期性电场-机械载荷共同作下的压电作动器迟滞非线性特征。本课题旨在对谐波振动主动控制中压电作动器迟滞非线性及补偿方法开展深入研究，揭示压电作动器在谐波电场-机械载荷共同作用下的迟滞非线性特征，建立压电作动器在复杂动态驱动环境中控制电压与控制力关系模型，针对谐波振动控制中控制通道建模特征，建立谐波振动主动控制中压电作动器非线性有效建模及补偿方法，实现谐波振动主动控制中压电作动器迟滞非线性的自适应补偿，从而为提高航空航天结构振动主动控制中压电作动器的利用效率和振动抑制水平提供科学的理论和方法。

直升机等航空器的振动及舱内噪声非常严重，特征以稳态谐波振动及辐射噪声为主。压电作动器体积小、质量轻、机电转换效率高越来越多的应用于航空结构的振动控制。课题依据直升机稳态谐波振动特性及其控制要求，研究压电叠层作动器驱动特性及采用压电叠层作动器驱动的稳态谐波振动控制新方法。完成了如下主要工作：.1. 为降低压电作动器非线性在谐波振动控制中的影响，增大主频率区域的驱动效能，利用压电叠层作动器高效驱动特性和悬臂梁-质量系统频率选择特性，设计了压电叠层作动器驱动的惯性力发生器，通过理论分析和试验研究了压电叠层作动器驱动的惯性力发生器的驱动特性和驱动性能，分析了惯性力发生器在非共振区和共振区的不同特征；实验研究结果表明在非共振峰处惯性质量块的加速度响应幅值与输入电压呈良好的线性特性，而在共振峰附近具有一定的非线性特征，采用线性拟合后，非线性误差不超过5%，满足工程意义需求。.2. 针对稳态谐波振动特征，提出了自适应控制谐波同步识别-修正法，并以某直升机机体有限元模型为背景，研制了机舱地板结构动力学相似模型，开展了压电叠层作动器驱动的自适应稳态谐波振动控制仿真和试验研究。结果表明建立的压电叠层作动器驱动的稳态谐波振动自适应控制系统能有效降低结构单频率、多频率振动的振动水平，且具有较强的自适应控制能力。.3. 针对压电叠层作动器驱动的多输入多输出稳态谐波振动控制中控制点响应的非一致收敛特性，建立了自适应最优谐波频域控制算法，对压电叠层作动器驱动的弹性线机身振动控制多输入多输出动力学仿真模型进行了控制仿真，并与自适应控制谐波同步识别-修正法进行了比较，结果表明控制点振动响应具有良好的一致收敛特性。