飞行器结构压电半主动振动控制研究
随着航空航天事业的飞速发展，飞行器结构的振动控制变得越来越重要。结构的振动不仅影响飞行器的性能，引发结构噪声，而且会造成结构的疲劳破坏。航空航天领域，对结构的重量和可靠性有较高的要求，因此需要开发与其相适应的高可靠性、轻质、低功耗的振动噪声控制系统。传统的利用被动阻尼材料进行减振降噪的方法已明显不能满足要求，利用压电元件对结构进行减振降噪已成为一个很有潜力而又非常活跃的研究领域。压电材料有良好的机电耦合特性、体积小、质量轻、适用频带宽等优点，既可用作传感器，又可用作驱动器，满足航空航天领域的使用要求。
虽然压电元件的减振降噪至今为止已开展几十年的研究，取得了众多研究成果，但是总体来说还存在一些问题，如控制系统复杂、质量重；控制效果差、鲁棒性不强：原理性研究较多，实际应用与验证较少等。本课题针对目前研究存在的主要问题，从理论推导、数值仿真和实验验证三个方面，对压电元件同步开关阻尼技术(SSD：Synchronized Switch Damping)的半主动振动控制方法进行了系统深入的研究，提出多种改进和创新的方法，以提高控制效果，并进一步简化系统。论文的主要工作和创新成果如下：
(1)建立了同步开关阻尼半主动振动控制系统的机电耦合和能量转换模型。①建立了考虑开关切换延时情况下，短路开关阻尼(SSDS：SSD based on Short circuit)、电感开关阻尼(SSDI：SSD based on Inductor)，以及电压源开关阻尼(SSDV：SSD based on Voltage sources)三种控制方法的能量转换关系以及振动控制阻尼公式；②建立了切换电压幅值为常数假设条件下开关切换频率和相位对控制效果的影响关系；③建立了实际开关阻尼控制系统中切换电压、能量转换和控制效果的理论。搭建悬臂梁振动控制平台，利用数值仿真和实验验证了理论建模的正确性。
这部分研究解决了同步开关阻尼半主动振动控制系统的机电耦合以及能量转换的建模问题，从理论上证明了单模态控制时的最佳切换频率，同时为后续的分析和性能优化提供了理论基础。
(2)提出了含自适应电压源的开关阻尼SSDV控制方法。①针对含电压源开关阻尼SSDV控制系统，提出了基于位移梯度和LMS算法对电压源的大小进行在线实时自适应调整的两种SSDV半主动控制新方法，实现了分支电路中电压源的自适应调节，提高了系统的稳定性和控制效果。②提出了改进的开关切换方法，避免了SSD控制系统中信号噪声引起开关的频繁切换，提高了控制效果和系统的鲁棒性。并通过悬臂梁的振动控制实验，验证上述方法的有效性。
通过这部分的研究，解决了传统SSDV方法中电压源固定引起的稳定性问题以及信号噪声引起的开关频繁切换问题，提高了控制效果，为促进半主动控制方法的实用化奠定了基础。
(3)揭示了多模态控制时发生模态耦合的条件，提出了多模态半主动控制中开关切换的阈值方法。①针对以模态位移作为开关控制参考信号的多模态同步开关阻尼半主动控制系统，分析了其在任意切换频率下的能量转换模态耦合特性，推导了模态耦合条件下压电元件上开关切换电压和转换能量的表达式，并用数值仿真验证了理论结果；②针对以测量位移作为开关控制参考信号的多模态同步开关阻尼半主动控制系统，建立了多模态半主动振动控制中从机械能向电能转换的能量与位移增量之间的关系，并从理论上证明了通过设定合适的位移增量阈值，跳过一些位移极值点，提高两次切换之间位移增量的平均值，可以提高能量转换的原理；③提出了基于位移阈值和基于能量阈值的两种开关切换控制新方法，并通过悬臂梁的振动控制实验验证了对提高多模态控制效果的有效性。
通过这部分的研究，解决了同步开关阻尼半主动方法在多模态控制应用中的一些关键理论问题，为同步开关阻尼半主动方法在复杂结构振动控制中的应用奠定了基础。
(4)提出了基于负电容的开关阻尼(SSDNC：SSD based on Negative capacitance)半主动振动控制新方法。①利用合成负电容代替传统的开关阻尼半主动控制系统中的电感，实现了压电元件上电压的反转。理论推导结果表明：切换电压的幅值取决于压电元件的固有电容和负电容的比值，通过选择合适负电容的值，可以提高切换电压，从而改进控制效果。通过悬臂梁的振动控制实验，验证SSDNC半主动控制有效性。②建立了任意切换频率下SSDNC半主动控制的切换电压、能量转换以及振动阻尼的公式，并利用数值仿真验证了理论推导的正确性。
这部分研究提出的SSDNC半主动控制新方法，克服了传统开关阻尼半主动控制系统中电压反转效率和控制效果受电路品质因子影响的缺点，明显改善了控制效果，进一步促进了半主动振动控制系统的实用化。
(5)建立了飞行器薄壁结构的开关阻尼半主动控制实验平台，通过实验验证了其在多模态控制中的有效性。将SSD方法应用于飞机(国产ARJ20支线客机)壁板多模态振动控制中，验证各种控制方法的有效性。利用多普勒激光测振仪对壁板振动特性进行了测试，合理布置了压电元件。建立了壁板结构的状态观测模型。针对壁板结构复杂，模态密集的特点，提出了利用状态观测对振动模态进行分离，并同时结合SSDI/SSDV/SSDNC三种半主动控制方法，对壁板结构的单模态以及多模态振动控制进行了实验验证，取得了良好的振动控制效果。
通过这部分的实验，验证了本文建立和提出的开关阻尼半主动控制理论与方法的正确性，以及对复杂结构多模态振动控制的有效性。
压电元件;半主动;同步开关阻尼;振动控制;飞机壁板
南京航空航天大学
博士
飞行器设计
裘进浩;夏品奇
2012
中文
V214.33
277
2013-06-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）