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压电悬臂梁系统振动控制研究

杨明刚  
【摘要】: 在航天器中柔性结构(如柔性梁、柔性板等)的应用日益广泛,由于柔性结构的低刚度特性,使得结构的振动阻尼极低,由各种原因引起的结构振动衰减速度很慢,这不但影响航天器的使用寿命,还将引起结构的疲劳损伤。利用智能材料抑制航天器上柔性结构的振动,是解决这一问题的有效方法。由于悬臂梁是一种典型的空间柔性结构,而压电材料是目前应用最广泛的一种智能材料,因此本文将压电陶瓷片粘贴在悬臂梁的表面,构成压电悬臂梁智能系统,并采用时分复用解耦法使压电片用作自感知执行器,对悬臂梁的振动主动控制进行了实验研究。 基于压电双向换能器理论,详细阐述了时分复用解耦法的基本原理;结合双口网络的传输矩阵方程,推导了压电陶瓷元件的三种等效电路,其中受控电荷源等效电路是分析时分复用解耦法的主要工具;构建了基于时分复用方式的压电自感知执行器,并重点讨论了开关时序控制脉冲、开关电路、传感信号调理电路的设计。 将压电片粘贴在悬臂梁的根部,并结合时分复用压电自感知执行器的结构,构建了压电悬臂梁系统;对悬臂梁进行了模态分析,推导出了悬臂梁固有频率的表达式,并计算出一阶模态频率的理论值;同时采用实验方法测量了悬臂梁的一阶模态频率,结果与理论值相吻合。 采用正位置反馈控制算法对悬臂梁的一阶模态振动进行主动控制研究。基于LabVIEW软件平台,设计了虚拟的正位置反馈控制器;对悬臂梁的正弦激励振动和自由激励振动分别进行了主动控制实验,都达到了较好的控制效果。实验结果表明,采用时分复用方式的压电自感知执行器能够很好的抑制悬臂梁的一阶模态振动。在正弦激励振动实验中,实施控制后悬臂梁的振动幅度衰减为控制前的13%。


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