CN103241364B - 基于mfc的自适应后缘结构的控制装置 - Google Patents

Abstract

基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，属于变体飞行器变形控制领域，本发明为解决现有直接使用DC-DC高压模块驱动MFC存在局限性，或控制方案复杂，造成大大增加结构重要的问题。本发明包括直流低压电源、控制器、高压模块和分压电路，基于MFC的自适应后缘结构由多组双晶片结构构成，各组双晶片结构均使用独立的高压模块和分压电路，分压电路使结构的上下MFC均能在工作电压范围内双向可调，控制器控制各高压模块的输出电压从而控制结构的变形，直流低压电源作为高压模块的输入电源。

Description

基于MFC的自适应后缘结构的控制装置

技术领域

本发明涉及基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，属于变体飞行器变形控制领域。

背景技术

飞机发明至今，如何提高飞机的气动性能一直是飞机设计师研究的重要内容之一。目前定翼机的机翼都是按照固定的角度从机身向外伸展，足够坚固，飞行时不会产生大的移动或扭曲，尽管它具有用于提高飞行效率的前、后缘襟翼这些气动操作件，但其本身仍然是刚性表面，难以根据飞行时的飞行条件改变机翼的特征，飞机机翼的气动效率得不到最优化。而自然界中的鸟翼却可以随时根据飞行的需要进行微妙的调整，达到令人惊叹的高效率。

以智能材料与结构为基础的变体机翼将是解决传统飞机机翼和感觉灵敏的鸟类翅膀之间的差距这一问题的有效方法。它将新型智能材料、新型作动器、激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器机翼，通过应用灵敏的传感器和作动器，光滑而持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。

压电纤维复合材料(MFC)是国内外研究中普遍采用的智能驱动器。压电纤维复合材料具有轻质、高效、容易制造等优点，更重要的是可应用于曲面结构。

MFC的一种常见的应用形式是将其粘贴弹性基板的两侧，形成基于MFC的双晶片结构，通过控制粘贴在主体结构两侧的MFC的电压实现对结构的控制。若将多组基于MFC的双晶片结构阵列式布置，且各双晶片结构使用同一块弹性基板，即形成基于MFC的压电自适应后缘结构。基于MFC的压电自适应后缘结构能发生多种形态的变形，其实现原理是：各组双晶片结构的变形相互独立，通过基板的协调作用，实现整个结构的连续光滑的变形。

基于MFC的压电双晶片结构的应用存在一个问题，即MFC需要较高的驱动电压。同时，MFC驱动电压的范围具有不对称性(-500～+1500V)。另一方面，与电压相反，MFC消耗的功率较小。基于MFC的上述特性，通常采用DC-DC高压模块作为MFC的驱动电源。DC-DC高压模块的输入电源通常＜15V，而输出电压通常在0.5～10KV之间，同时保证功率不超过限制。

直接使用DC-DC高压模块驱动MFC存在局限性，即DC-DC高压模块的输出电压范围通常是单向的，而MFC的驱动电压是双向且不对称的。因此若要对MFC进行双向的控制，则单个双晶片结构需要4块DC-DC高压模块。这大大增加了结构的重量。

发明内容

本发明目的是为了解决现有直接使用DC-DC高压模块驱动MFC存在局限性，或控制方案复杂，造成大大增加结构重要的问题，提供了一种基于MFC的自适应后缘结构的控制装置。

本发明所述基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，所述基于MFC的自适应后缘结构为在左右机翼的后缘各设置一块基板，在每个基板上均设置n对双晶片结构，每对双晶片结构包括上MFC和下MFC，在基板的上表面粘贴n个上MFC，在基板的下表面对应粘贴n个下MFC；

基于MFC的自适应后缘结构的控制装置包括左机翼控制装置和右机翼控制装置，二者结构相同，均包括直流电源、控制器、n个分压电路、n个第一DC-DC高压模块V1、n个第二DC-DC高压模块V2；

直流电源的直流电源信号输出端与控制器的直流电源信号输入端相连；

控制器的上MFC控制信号输出端与每个第一DC-DC高压模块V1的输入端相连；控制器的下MFC控制信号输出端与每个第二DC-DC高压模块V2的输入端相连；

第一DC-DC高压模块V1的输出端与分压电路的第一输入端相连；第二DC-DC高压模块V2的输出端与分压电路的第二输入端相连；

分压电路的上MFC电压控制信号输出端连接上MFC的电控制端；分压电路的下MFC电压控制信号输出端连接下MFC的电控制端。

本发明的优点：本发明涉及一种对基于MFC的自适应后缘结构的控制方案。本发明利用分压电路对高压模块的输出电压进行分配，利用最少的高压模块即可实现对基于MFC的自适应后缘结构进行全范围控制，该控制方案具有所需设备少、重量轻和运行稳定等优点。

附图说明

图1是本发明所述基于MFC的自适应后缘结构的控制装置的结构示意图；

图2是分压电路的具体电路图；

图3是具体实施方式三的机翼后缘结构变形效果图；

图4是具体实施方式四的机翼后缘结构变形效果图；

图5是具体实施方式五的机翼后缘结构变形效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，所述基于MFC的自适应后缘结构为在左右机翼的后缘各设置一块基板6，在每个基板6上均设置n对双晶片结构，每对双晶片结构包括上MFC4和下MFC5，在基板6的上表面粘贴n个上MFC4，在基板6的下表面对应粘贴n个下MFC5；

基于MFC的自适应后缘结构的控制装置包括左机翼控制装置和右机翼控制装置，二者结构相同，均包括直流电源1、控制器2、n个分压电路3、n个第一DC-DC高压模块V1、n个第二DC-DC高压模块V2；

直流电源1的直流电源信号输出端与控制器2的直流电源信号输入端相连；

控制器2的上MFC控制信号输出端与每个第一DC-DC高压模块V1的输入端相连；控制器2的下MFC控制信号输出端与每个第二DC-DC高压模块V2的输入端相连；

第一DC-DC高压模块V1的输出端与分压电路3的第一输入端相连；第二DC-DC高压模块V2的输出端与分压电路3的第二输入端相连；

分压电路3的上MFC电压控制信号输出端连接上MFC4的电控制端；分压电路3的下MFC电压控制信号输出端连接下MFC5的电控制端，

n为大于或等3的正整数。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，分压电路3包括分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3、分压电阻R4、泄放电阻R5、泄放电阻R6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；

二极管D5的阳极连接第一DC-DC高压模块V1的直流输出电源正极端，第一DC-DC高压模块V1的直流输出电源负极端与泄放电阻R5的一端连接后接地；

二极管D5的阴极同时连接泄放电阻R5的另一端、分压电阻R1的一端、上MFC4的正极和二极管D3的阴极；

分压电阻R1的另一端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接分压电阻R2的一端、上MFC4的负极、下MFC5的负极、分压电阻R3的一端和二极管D4的阴极；

分压电阻R3的另一端连接二极管D3的阳极；

分压电阻R2的另一端连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极同时连接下MFC5的正极、分压电阻R4的一端、泄放电阻R6的一端和二极管D6的阴极；

分压电阻R4的另一端连接二极管D4的阳极；

二极管D6的阳极连接第二DC-DC高压模块V2的直流输出电源正极端；

第二DC-DC高压模块V2的直流输出电源负极端与泄放电阻R6的另一端连接后接地。

第一DC-DC高压模块V1的输出电压为0V或2000V，第二DC-DC高压模块V2输出电压为0V或2000V。

分压电路3加载在上MFC4两端的电压为1500V或-500V；分压电路3加载在下MFC5两端的电压为1500V或-500V。

当第一DC-DC高压模块V1输出电压为2000V、第二DC-DC高压模块V2输出电压为0V时，上MFC4两端电压为1500V，下MFC5两端电压约为-500V；

当第一DC-DC高压模块V1输出电压为0V、第二DC-DC高压模块V2输出电压为2000V时，上MFC4两端电压约为-500V，下MFC5两端电压约为+1500V，如此可实现对双晶片结构的MFC实施双向的电压控制。

设置R1＝R4＝150MΩ，R2＝R3＝50MΩ，R5＝R6＝5MΩ。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式给出具体实施例。

左机翼控制装置控制左机翼7上的所有第一DC-DC高压模块V1输出电压为0V，所有第二DC-DC高压模块V2输出电压为2000V，此时左机翼7上所有上MFC4收缩，所有下MFC5伸长，飞机左机翼7后缘的所有双晶片均结构向上弯曲。

右机翼控制装置控制右机翼8上的所有第一DC-DC高压模块V1输出电压为0V，所有第二DC-DC高压模块V2输出电压为2000V，此时右机翼8上所有上MFC4收缩，所有下MFC5伸长，飞机右机翼8后缘的所有双晶片结构均向上弯曲。

具体实施方式四：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式给出具体实施例。

左机翼控制装置控制左机翼7上的所有第一DC-DC高压模块V1输出电压为0V，所有第二DC-DC高压模块V2输出电压为2000V，此时左机翼7上所有上MFC4收缩，所有下MFC5伸长，飞机左机翼7后缘的所有双晶片结构均向上弯曲。

右机翼控制装置控制右机翼8上的所有第一DC-DC高压模块V1输出电压为2000V，所有第二DC-DC高压模块V2输出电压为0V，此时右机翼8上所有上MFC4伸长，所有下MFC5收缩，飞机右机翼8后缘的所有双晶片结构均向下弯曲。

具体实施方式五：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式给出具体实施例。

本实施例中n＝50。

左机翼控制装置控制左机翼7上的左侧10个第一DC-DC高压模块V1输出电压为0V，左侧10个第二DC-DC高压模块V2输出电压为2000V；控制左机翼右侧10个第一DC-DC高压模块V1输出电压为2000V，右侧10个第二DC-DC高压模块V2输出电压为0V；此时左机翼7后缘的左侧双晶片向上弯曲，左机翼7后缘的右侧双晶片向下弯曲；

右机翼控制装置控制右机翼8上的所有第一DC-DC高压模块V1输出电压为0V，所有第二DC-DC高压模块V2输出电压为0V，此时右机翼8后缘的所有双晶片不发生变形。

Claims (4)

1.基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，所述基于MFC的自适应后缘结构为在左右机翼的后缘各设置一块基板(6)，在每个基板(6)上均设置n对双晶片结构，每对双晶片结构包括上MFC(4)和下MFC(5)，在基板(6)的上表面粘贴n个上MFC(4)，在基板(6)的下表面对应粘贴n个下MFC(5)；

其特征在于，基于MFC的自适应后缘结构的控制装置包括左机翼控制装置和右机翼控制装置，二者结构相同，均包括直流电源(1)、控制器(2)、n个分压电路(3)、n个第一DC-DC高压模块(V1)、n个第二DC-DC高压模块(V2)；

直流电源(1)的直流电源信号输出端与控制器(2)的直流电源信号输入端相连；

控制器(2)的上MFC控制信号输出端与每个第一DC-DC高压模块(V1)的输入端相连；控制器(2)的下MFC控制信号输出端与每个第二DC-DC高压模块(V2)的输入端相连；

第一DC-DC高压模块(V1)的输出端与分压电路(3)的第一输入端相连；第二DC-DC高压模块(V2)的输出端与分压电路(3)的第二输入端相连；

分压电路(3)的上MFC电压控制信号输出端连接上MFC(4)的电控制端；分压电路(3)的下MFC电压控制信号输出端连接下MFC(5)的电控制端，

n为大于或等3的正整数。

2.根据权利要求1所述基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，其特征在于，分压电路(3)包括分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3、分压电阻R4、泄放电阻R5、泄放电阻R6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；

二极管D5的阳极连接第一DC-DC高压模块(V1)的直流输出电源正极端，第一DC-DC高压模块(V1)的直流输出电源负极端与泄放电阻R5的一端连接后接地；

二极管D5的阴极同时连接泄放电阻R5的另一端、分压电阻R1的一端、上MFC(4)的正极和二极管D3的阴极；

分压电阻R1的另一端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接分压电阻R2的一端、上MFC(4)的负极、下MFC(5)的负极、分压电阻R3的一端和二极管D4的阴极；

分压电阻R3的另一端连接二极管D3的阳极；

分压电阻R2的另一端连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极同时连接下MFC(5)的正极、分压电阻R4的一端、泄放电阻R6的一端和二极管D6的阴极；

分压电阻R4的另一端连接二极管D4的阳极；

二极管D6的阳极连接第二DC-DC高压模块(V2)的直流输出电源正极端；

第二DC-DC高压模块(V2)的直流输出电源负极端与泄放电阻R6的另一端连接后接地。

3.根据权利要求1或2所述基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，其特征在于，第一DC-DC高压模块(V1)的输出电压为0V或2000V，第二DC-DC高压模块(V2)输出电压为0V或2000V。

4.根据权利要求1或2所述基于MFC的自适应后缘结构的控制装置，其特征在于，分压电路(3)加载在上MFC(4)两端的电压为1500V或-500V；分压电路(3)加载在下MFC(5)两端的电压为1500V或-500V。