CN114063667B - 一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，属于航空技术领域，本发明包含自适应压电减振装置的结构，采用压力敏感电阻，和压电材料以及分支电路构成减振元件，安装在悬臂结构中，使得不需要额外电源、控制器、处理器、运放、传感器的情况下，就能实现对结构振动的实时振动控制；本发明的方法可用于替代各种旋翼无人机的支架，机器人的机械臂，直升机主浆的传动轴等各种含梁、板或者轴等结构，可有效降低结构的振动。
Description
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体是一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法。
背景技术
随着机械装备向高速化、轻型化发展，结构中的振动越来越引起工程人员的关注。随着压电材料的发展，研究人员基于压电材料开发出了主动、半主动、被动控制技术。基于压电驱动器的主动控制技术需要计算器、控制器和功率放大器等设备这些设备体积很大，在小型结构上无法使用，且在航天航空领域为了某些部位的减振而安装重量和体积巨大的装备显然是得不偿失的。
基于压电材料的正压电效压，研究人员开发出来压电分流阻尼技术，将压电材料连接相应的分支电路，将压电材料在系统中受到的机械能转化为电能并在分支电路中消耗，这样可以使压电材料产生一个机械阻尼的作用，提高了机械系统模态阻尼，使机械系统振动降低。但是压电分流阻尼系统的分支电路中电路参数是固定的，且电路参数的最优解一般根据共振频率的工况下计算得出，所以只能对某一频率下，比如共振频率下的振动进行控制。于是科研人员发明了多模态电路和自适应电路。多模态电路可以对多个共振频率下的振动进行抑制，自适应电路可以针对几乎所有的频率进行抑制。
但是存在以下几个局限性：1. 需要较大的额外的电源。自适应电路需要搭建模拟电感来调电路参数，其中本身需要为模拟电路中的运算放大器持续供电。此外，调节电路参数多采用输入电压改变模拟电路中的压变电阻来进行实时调控。除此之外，对电路参数进行调节的控制器和计算器，以及对传感器传出的电信号进行处理的处理器，都需要电源。虽然远不及主动控制技术中的电源耗能高，但是仍然限制了该技术在小型结构上的使用。2.任何控制技术的控制算法都需要运算反应时间。对于小型结构，其运算器和控制器较小的情况下，运算速度相对较慢，这就导致了对振动的控制会出现迟滞现象。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，本发明的方法可用于替代各种旋翼无人机的支架，机器人的机械臂，直升机主浆的传动轴等各种含梁、板或者轴等结构。可有效降低结构的振动。
本发明是这样实现的：
一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、安装压电材料；
步骤二、通过有限元仿真计算含压电材料的结构应力，通过拓扑优化确定压力敏感电阻最佳的布置点；对于复杂结构采用软件仿真方法。
步骤三、将压力敏感电阻安装在最佳的布置点；
步骤四、通过扫频实验对安装了压电材料和压力敏感电阻的悬臂结构进行模态测试，动力学响应测试，得到各频率情况下压力敏感电阻的电阻值频响曲线；
步骤五、对受控结构、压力敏感电阻、压电材料、分流电路进行动力学建模；
步骤六、通过压电方程，推导含压电元件的系统的振动微分方程，并求解该微分方程得到振动响应函数，并通过数值计算求解压电元件的分支电路的最优电路参数；
步骤七、结合分支电路整体的最优电阻值表达式和步骤四中测得的压力敏感电阻的电阻值幅频曲线，得到分支电路中固定值的电阻的参数值；
步骤八、连接分支电路，在结构振动时产生减振效果；当激励频率改变时，压力敏感电阻值发生改变，整体分支电路中阻抗同时发生改变，使得压电分流阻尼配合当下频率范围；压电材料产生的阻尼作用随工况变化而变化，起到了自适应的效果。
进一步，所述的步骤一中，对于板状/梁结构，采用粘贴的方法安装压电片；对于轴状结构，用埋入式的方式，在轴状结构上开槽，将压电堆叠嵌入槽内，所述的压电堆叠的极化方向和轴的长度方向相同。
进一步，所述的压电片或者压电堆叠数量根据实际情况而定，所述的压电片或者压电堆叠只连接一个分支电路和一个压力敏感电阻。
进一步，所述的板状/梁结构中的压电材料包括板状/梁结构，压电片，压力敏感电阻，电感，电阻；所述的压电片是安装在板状/梁结构，一般采用粘贴的形式，压力敏感电阻贴在或者镶嵌在板状/梁结构上，压电片连接电感和电阻组成的分流电路。
进一步，所述的轴状结构中的压电材料包括压力敏感电阻，电感，电阻，轴，压电堆叠；所述的压电堆叠镶嵌在轴里，并连接电阻和电感组成的分流电路，压力敏感电阻镶嵌在轴中。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
本发明为包含自适应压电减振装置的结构，在本发明的方法中采用压力敏感电阻，和压电材料以及分支电路构成减振元件，安装在悬臂结构中，使得不需要额外电源、控制器、处理器、运放、传感器的情况下，就能实现对结构振动的实时振动控制。本发明的技术具有无源，减振频带范围广，控制过程没有延迟等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中自适应压电减振板状/梁结构系统示意图；
图2为本发明实施例中自适应压电减振轴系统示意图；
图3为本发明实施例中压电分流阻尼减振装置电路改变产生的力传递率；
图4为本发明一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法的流程图；
其中，1-板状/梁结构，2-压电片，3-压力敏感电阻，4-电感，5-电阻，6-轴，7-压电堆叠。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法的流程图如图4所示，具体为：
步骤一、安装压电材料；如图1所示，对于截面较小的梁或较薄的管状结构或板状/梁结构，采用传统的压电片粘附在梁上。如图2所示，对于截面较厚的或者实心的柱状的轴结构，采用埋入式的结构，将柱状的压电堆叠嵌入其中，压电堆叠的极化方向和轴的长度方向相同。
步骤二、采用仿真计算和拓扑优化求解出悬臂的应力和压力敏感电阻最佳布置点。一般选择结构应力较大处，和应力随频率线性变化的位置。
步骤三、将压力敏感电阻安装在该最优布置点。
步骤四、通过扫频实验对安装了压电材料和压力敏感电阻的悬臂结构进行模态测试，动力学响应测试，得到各频率情况下压力敏感电阻的电阻值频响曲线。
步骤五、对受控结构、压力敏感电阻、压电材料、分流电路进行动力学建模；
步骤六、通过压电方程，推导含压电元件的系统的振动微分方程，并求解该微分方程得到振动响应函数，并通过数值计算求解压电元件的分支电路的最优电路参数；通过压电材料的压电方程可以推导系统的机电耦合情况下的振动微分方程，计算得到表示振幅的位移响应。由此得到分支电路在各频率下的最优电阻值表达式。综合考虑分支电路的最优电阻值频响曲线和压力敏感电阻频响曲线的差值，确定一个电阻值使得在振幅大的宽频范围下压电材料减振效果最好。将该固定电阻值的电阻和压力敏感电阻串联，构成系统最终的分支电路。
步骤七、将安装在系统中的压电材料连接分支电路。当结构发生振动时，压电材料会产生阻尼作用，从而抑制结构振动。当振动频率发生改变时，此时工况也发生了相信变化，结构中压力敏感电阻受到的压力改变，从而电阻改变，使得整个分支电路中的电阻发生改变，由此使得压电材料产生的阻尼作用是该工况下的最佳情况。压电材料产生的阻尼作用随工况变化而变化，起到了自适应的效果。具体实例如图3所示，当分支电路中的电阻发生变化时，系统中的力传递率幅频曲线明显降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、安装压电材料；
步骤二、通过有限元仿真计算含压电材料的结构应力，通过拓扑优化确定压力敏感电阻最佳的布置点；
步骤三、将压力敏感电阻安装在最佳的布置点；
步骤四、通过扫频实验对安装了压电材料和压力敏感电阻的悬臂结构进行模态测试，动力学响应测试，得到各频率情况下压力敏感电阻的电阻值频响曲线；
步骤五、对受控结构、压力敏感电阻、压电材料、分流电路进行动力学建模；
步骤六、通过压电方程，推导含压电元件的系统的振动微分方程，并求解该微分方程得到振动响应函数，并通过数值计算求解压电元件的分支电路的最优电路参数；
步骤七、结合分支电路整体的最优电阻值表达式和步骤四中测得的压力敏感电阻的电阻值幅频曲线，得到分支电路中固定值的电阻的参数值；
步骤八、连接分支电路，在结构振动时产生减振效果；当激励频率改变时，压力敏感电阻值发生改变，整体分支电路中阻抗同时发生改变，使得压电分流阻尼配合当下频率范围；压电材料产生的阻尼作用随工况变化而变化，起到了自适应的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，其特征在于，所述的步骤一中，对于板状/梁结构，采用粘贴的方法安装压电片；对于轴状结构，用埋入式的方式，在轴状结构上开槽，将压电堆叠嵌入槽内，所述的压电堆叠的极化方向和轴的长度方向相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，其特征在于，所述的压电片或者压电堆叠只连接一个分支电路和一个压力敏感电阻。
4.根据权利要求2所述的一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，其特征在于，所述的板状/梁结构中的压电材料包括板状/梁结构（1），压电片（2），压力敏感电阻（3），电感（4），电阻（5）；所述的压电片（2）是安装在板状/梁结构（1），压力敏感电阻（3）贴在或者镶嵌在板状/梁结构（1）上，压电片（2）连接电感（4）和电阻（5）组成的分流电路。
5.根据权利要求2所述的一种基于压力敏感电阻的无源自适应振动控制方法，其特征在于，所述的轴状结构中的压电材料包括压力敏感电阻（3），电感（4），电阻（5），轴（6），压电堆叠（7）；所述的压电堆叠（7）镶嵌在轴（6）里，并连接电阻（5）和电感（4）组成的分流电路，压力敏感电阻（3）镶嵌在轴（6）中。
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