引言

隨著人類對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能要求的提高,薄殼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等各個(gè)行業(yè)。但在工作過程中薄殼結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動(dòng),且難以依靠大氣阻力來快速消除振動(dòng),需要人為采取措施。以往的控制方法,經(jīng)過長時(shí)間應(yīng)用發(fā)現(xiàn)存在很多弊端,故對(duì)新方法的研究顯得尤為重要。

近年來利用智能結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)器對(duì)薄殼振動(dòng)進(jìn)行控制成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn),鐵電陶瓷材料锏改性錯(cuò)鈦酸鉛(PLZT）作為智能結(jié)構(gòu)的典型代表,PLZT具有特殊的光電效應(yīng)一一反常光生伏打效應(yīng),當(dāng)波長約為365nm的紫外光照射在其表面時(shí)將沿其極化方向產(chǎn)生每厘米數(shù)千伏的電壓,并在電壓作用下沿極化方向產(chǎn)生應(yīng)變。

利用PLZT的光致伸縮效應(yīng)進(jìn)行研究的典型代表有:UchinoK設(shè)計(jì)的光致伸縮繼電器:基于雙壓電晶片共振,研發(fā)光電話[2]:將PLZT作為電源發(fā)明的光電馬達(dá)。一種可在不同小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不同方向控制力的新型四區(qū)域光電作動(dòng)器。

隨著研究深入發(fā)現(xiàn),PLZT具有應(yīng)變滯后、僅能半周期控制、不適用于高頻控制、有殘余應(yīng)變等弊端,嚴(yán)重限制了PLZT作動(dòng)器的應(yīng)用。針對(duì)以上問題,并結(jié)合壓電作動(dòng)器存在響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)以及需要與電源直接相連易引入電磁干擾的弊端,開展光驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器研究。本文將對(duì)光驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)控制的控制策略研究及其可行性驗(yàn)證。

1控制策略研究及控制試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)臺(tái)的搭建

為開展光驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器控制策略研究及驗(yàn)證其可行性,搭建試驗(yàn)平臺(tái),試驗(yàn)中所用到的器材如圖1所示。試驗(yàn)以懸臂梁為被控對(duì)象,所用器材包括隔振試驗(yàn)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)、直流電源、高阻電壓表、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、光源、信號(hào)調(diào)理電路、開關(guān)電路。

為了提升控制效果,試驗(yàn)中采用兩個(gè)PLZT與壓電作動(dòng)器相連接,分別提供正/負(fù)電壓,試驗(yàn)中壓電作動(dòng)器選用壓電薄膜聚偏氟乙烯(PVDF）,聚偏氟乙烯是一種很薄的薄膜,盡管性能有限,但易于裁剪并附加在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)原理如圖2所示。

由控制系統(tǒng)發(fā)出激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)懸臂梁產(chǎn)生振動(dòng),壓電傳感器將振動(dòng)電壓信號(hào)傳遞給信號(hào)調(diào)理電路,信號(hào)調(diào)理電路包括電荷放大模塊、電平調(diào)整模塊、工頻陷波模塊、帶通濾波模塊。傳感信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理后傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷并輸出控制信號(hào)給開關(guān)電路,進(jìn)而控制PLZT與壓電作動(dòng)器的連接方式,控制壓電作動(dòng)器電壓正負(fù)值,達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。

控制雙PLZT與壓電作動(dòng)器連接的開關(guān)電路如圖3所示。當(dāng)控制器輸出上方電路控制信號(hào)為1、下方電路控制信號(hào)為0的信號(hào)時(shí),PLZT與壓電作動(dòng)器正接,壓電作動(dòng)器得正電:當(dāng)控制器輸出上方電路控制信號(hào)為0、下方電路控制信號(hào)為1的信號(hào)時(shí),PLZT與壓電作動(dòng)器反接,壓電作動(dòng)器得負(fù)電:當(dāng)控制器為兩路均提供控制信號(hào)0,則PLZT與壓電作動(dòng)器斷開。

1.2軟件系統(tǒng)研究

新型光控壓電作動(dòng)器的振動(dòng)控制軟件系統(tǒng)是通過利用研華公司的PCI-1710多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模擬量/數(shù)字量的輸入/輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,把外界信息傳遞給計(jì)算機(jī),通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析,并根據(jù)不同時(shí)刻的外界信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào),以達(dá)到利用廣電壓進(jìn)行快速消除振動(dòng)的目的。

光控作動(dòng)器激勵(lì)檢測(cè)程序如圖4所示,懸臂梁發(fā)生振動(dòng)時(shí),當(dāng)電壓信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)的自動(dòng)控制出發(fā)電壓時(shí),跳出循環(huán),執(zhí)行下一個(gè)控制程序。

在程序跳出激勵(lì)檢測(cè)循環(huán)后,系統(tǒng)將通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集振動(dòng)傳感信號(hào),傳感信號(hào)的波形可以在程序前面板中實(shí)時(shí)顯示:在采集傳感信號(hào)時(shí),系統(tǒng)將通過移位寄存器將當(dāng)前時(shí)刻的傳感信號(hào)與上一時(shí)刻的傳感電壓信號(hào)進(jìn)行比較,以判斷當(dāng)前被控對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài),判定為正速度控制或負(fù)速度控制,進(jìn)而通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號(hào),控制開關(guān)電路來控制PLZT與壓電作動(dòng)器的正反接,使壓電作動(dòng)器在廣電壓的作用下產(chǎn)生形變,對(duì)被控對(duì)象的振動(dòng)提供連續(xù)抑制力。當(dāng)振動(dòng)減小到一定程度后,若不及時(shí)停止控制程序,將對(duì)振動(dòng)造成激勵(lì)效果,使振動(dòng)加劇。程序的停止條件設(shè)定為:當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)傳感電壓信號(hào)最大值與最小值之差小于預(yù)設(shè)的自動(dòng)停止電壓時(shí),控制程序停止運(yùn)行,程序如圖5所示。

當(dāng)電壓信號(hào)滿足自動(dòng)停止條件后控制程序停止,控制過程數(shù)據(jù)將通過創(chuàng)建數(shù)組存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)指定位置以便分析,信號(hào)通過運(yùn)算處理可得到其頻域波形,如圖6所示。最后將程序復(fù)位,整個(gè)程序運(yùn)行完畢。試驗(yàn)過程中所有的波形均可以在前面板中觀察,如圖7所示。

2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)開始前預(yù)先打開光源,對(duì)PLZT進(jìn)行預(yù)照射,使光壓電達(dá)到飽和值,運(yùn)行程序,對(duì)懸臂梁進(jìn)行激振,使其產(chǎn)生周期性振動(dòng),試驗(yàn)測(cè)得的在受控前后懸臂梁自由端振動(dòng)衰減曲線對(duì)比如圖8所示。

由圖8可以看出,經(jīng)新型光控壓電作動(dòng)器控制后梁的振動(dòng)衰減速度明顯快于自然衰減的速度。在振動(dòng)衰減曲線中,由于振動(dòng)頻率較快,曲線密集,不易于觀察,將曲線進(jìn)行傅里葉變化得到與之相對(duì)應(yīng)的頻域曲線,受控前后的振動(dòng)衰減頻域曲線對(duì)比如圖9所示。

由兩組曲線對(duì)比可知,采用光控壓電作動(dòng)器的控制方法可以有效控制薄殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng),這種方法可以有效減少外界干擾,減小所需設(shè)備體積,對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能有很大提升。

3結(jié)語

本文介紹了光驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器用于薄殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的控制方法及控制策略研究,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了光驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器對(duì)于薄殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的可行性。由于試驗(yàn)中采用的壓電作動(dòng)器及PLZT性能有限,故效果受限,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采取性能更優(yōu)的PLZT和壓電作動(dòng)器。本文中PLZT的作用是產(chǎn)生光電壓,在空間中如果采用合適的分光鏡將自然光中不同波長的光線分離,提取波長365)n的光束即可實(shí)現(xiàn)利用自然光為壓電作動(dòng)器提供電壓。在無自然光情況下也可以利用光源照射,這個(gè)過程中沒有電源直接與PLZT相連,并可以遠(yuǎn)距離照射,減小電磁干擾,提高信號(hào)的傳輸精度。本文研究的新方法可以為航空航天、軌道交通等行業(yè)減小薄殼結(jié)構(gòu)振動(dòng),提高信號(hào)傳輸精度提供新思路。