基于PT和MFC的飞机垂直尾翼振动主动控制

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 40 卷第 3 期 2008 年 6 月 　　　　 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报 Jou rnal of N an jing U n iversity of A eronau t ics & A stronau t ics　　　　 V o l. 40 N o. 3 　Jun. 2008 基于PT 和M FC 的飞机垂直尾翼振动主动控制 徐志伟　黄雪峰　沈　星 (南京航空航天大学航空宇航学院, 南京, 210016) 摘要: 首先基于压电陶瓷变压器PT (P iezoelectric transfo rm er) 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种用于驱动压电材料作动器的功率放大 器, 该放大器具有效率高、体积小、重量轻等优点。与D SP 控制系统相结合, 实现了振动主动控制系统的小型化和 集成化。然后以飞机垂直尾翼模型为控制对象, 选用了压电纤维复合材料 (M icro fiber compo sites,M FC ) 和 (P iezoelectric transducer, PZT )作为驱动器, 实现了对模型两阶主要振动模态的主动控制。实验验证了所设计的 开关功率放大器的可行性, 最后对M FC 和PZT 的驱动性能进行了对比。 关键词: 压电变压器; 压电纤维复合材料; 振动控制; 自适应算法 中图分类号: TB 535　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 100522615 (2008) 0320313206 　基金项目: 国家自然科学基金 (90716003) 资助项目; 武器装备预研基金资助项目; 南京航空航天大学科研创新基金资助 项目。 　收稿日期: 2007204225; 修订日期: 2007206219 　作者简介: 徐志伟, 男, 副教授, 1970 年 3 月生, E2m ail: zhw xu@nuaa. edu. cn。 Active V ibra tion Con trol of Perpend icular Em pennage Based on P iezoelectr ic Tran sform er and M icro F iber Com posites X u Z h iw ei, H uang X uef eng , S hen X ing (Co llege of A ero space Engineering, N an jing U niversity of A eronau tics & A stronau tics, N an jing, 210016, Ch ina) Abstract: A pow er amp lif ica t ion device is designed to drive p iezoelectric2m ateria l actuato r and a p iezo2 electric t ran sfo rm er is adop ted to imp rove the vo ltage. It has m any specia l characterist ics, such as h igh eff iciency, sm all vo lum e and low w eigh t and so on. W hen it is in tegra ted w ith the D SP con tro l system the m in ia tu riza t ion and the in tegra t ion act ive vib ra t ion con tro l system are ach ieved. T hen the model of p lane perpendicu lar empennage is selected as a research ob ject, m icro fiber compo sites (M FC ) , p iezo2 electric t ran sducer (PZT ) are selected as actuato rs and sen so rs to con tro l the vib ra t ion of tw o m ain modes of the model. Experim en ta l resu lts verify the feasib ility and the reliab ility of the pow er amp lif ica2 t ion device, and drive ab ilit ies of M FC and PZT are compared. Key words: p iezoelectric t ran sfo rm er; m icro fiber compo sites; vib ra t ion con tro l; adap t ive algo rithm s 引　　言 飞行器飞行过程中机动时, 在其前部或机翼上 通常会产生涡流。因而机身结构, 特别是机翼和尾 翼, 在与涡流相互作用时受到激励产生结构振动从 而导致疲劳损伤, 降低了尾翼和机翼的使用寿命, 极大地增加了飞机的维护费用。而智能结构对于抑 制结构的振动和降低其疲劳损伤具有很大的优势。 最近, 美、加、澳大利亚联合开展的FöA 218 双垂直 尾翼振动控制研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 , 就是采用分布式压电纤维驱动器、开关功率放大器以及先进的控制策略, 实现对尾翼的振动控制[1 ]。首次将智能结构系统应用于全尺寸军用飞机结构, 是航空智能结构系统发展的里程碑。国内的很多学者对智能结构的振动主动控制也进行了大量的基础性研究, 但要在实际中广泛应用还有许多问题需要进一步研究。比如: 传统的压电材料高压驱动器都是用线圈变压器作升压器件, 但线圈变压器体积和重量过大、效率低、发热 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 量大, 显然无法用于航空结构, 而且 PZT (P iezo2 electric t ran sducer)驱动能力有限等[2 ]。 针对目前所存在的问题, 为了提高驱动器的驱 动能力, 实现压电驱动器驱动装置小型化和集成 化, 本文选用压电纤维复合材料作为结构振动主动 控制的驱动器, 同时选用压电陶瓷变压器作为升压 器, 并与开关电路相结合构成开关功率放大器, 在 D SP 控制下实现对压电纤维复合材料和PZT 的控 制和驱动。系统原理如图1 所示。 图 1　PT 作为升压器件的主动控制系统 在该系统中, 压电变压器作为升压器件由驱动 电路产生与 PT 共振的高频信号驱动, PT 产生的 高压高频交流电压经整流滤波后输出高压直流 (理 论值可以高达±1 000 V )为逆变电路供电, 逆变电 路即为开关功率放大电路, 将D SP 输出的脉宽调 制控制信号放大实现对受控对象的控制。 本文选用德国SM A R T 公司生产的压电纤维 复合材料作为驱动器, 它的驱动电压高 (- 500～ 1 500 V ) , 驱动能力强, 具有良好的柔性和驱动性 能保持能力, 且与所设计的基于PT 升压的功率放 大装置的驱动电压相匹配。通过实验进一步验证了 所设计的小型化、集成化的主动控制系统的可行性 和可靠性。 1　压电变压器驱动特性 压电陶瓷变压器是一种通过机械振动传输电 能的器件, 由于压电陶瓷变压器具有电气隔离性能 好、不可燃烧、高功率密度、体积小和电磁辐射 (EM I)小等优点, 所以是一种极具吸引力的新型传 输电能的器件。但PT 工作状态非常复杂, 自身的 振动模态影响了它的使用频率范围、转换效率等传 输特性, 而且负载特性对 PT 的工作影响也非常 大, 因此必须对其驱动特性作详细的研究。 111　PT 模型参数提取方法 PT 工作在机械共振频率的基本等效电路如 图2 (a)所示。从能量转换的观点, 基本等效电路可 以简化成图 2 (b) , 进一步简化, 可将并联电路转化 为串联电路如图2 (c)所示[326 ]。 图 2　压电陶瓷变压器的等效电路 PT 的输入输出电极都存在平行的金属层, 故 输入端电容C i, 输出端电容Co 由 PT 的结构决定。 由于输入端电容C i 不影响输入电压U in , 故电路简 化后不出现在图2 (b, c)中。图2 (a)中的输出端电容 Co , 输出电阻R o , 输出电压U out和图2 (b)中的映射电 容C′o , 映射电阻R ′o , 映射电压U ′out的关系如下 C′o = n2Co (1) R ′o = R o n 2 (2) U ′out = U out n (3) 　　图2 (c)中的电容C″o 和电阻R ″o 组成的串联电路 等效于电容C′o 和电阻R ′o 构成的并联电路, 且存在 如下关系 R ″o = R ′o [ 1 + (ΞC′oR ′o) 2 ] (4) C″o = C′o (1 + (ΞC′oR ′o) 2) (ΞC′oR ′o) 2 (5) 式中的Ξ 为PT 工作频率即激励信号频率。PT 工作 于机械共振频率时输出电压U out最大, 由图 2 可知 共振频率 f m 为 f m = 1 2Π L rC eq (6) 式 (6)中的C eq为C″o 和C r 的串联值 C eq = C rC″o (C r + C″) (7) 由式 (6, 7)可知 f m 的取值由C″o 决定。 由图2 可知R ″o 是R o 等效变化而来, 当R ″o= R m 时输出功率和效率最高。假设图2 (a)的输出端有外 413 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报 第 40 卷　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 接电容, 此时 PT 的共振频率为 f rs, 而输出端开路 时PT 的共振频率为f ro , 如果通过试验得到f rs和f ro 便可求得PT 的模型参数L r, C r, 式 (1)中的Co 可直 接由仪器测得。 PT 的模型参数R m 可以通过改变负载电阻R o 的值, 实验获得输出功率和负载电阻关系曲线, 得 到最大输出功率所对应的R o , 由式 (2, 4) 可进一步 计算出R ″o , 而在最大输出功率时R ″o= R m , 由此可求 得全部的PT 模型参数。 112　实验获取PT 参数 实验获取PT 参数的电路原理图如图 3 所示, 实验中使用的信号发生器为泰克A FG3021, 示波 器为泰克TD S2012, 压电陶瓷变压器为西安康鸿信 息 技 术 股 份 有 限 公 司 生 产 的 RO SE 型 KHM PT 3006A 45。 图 3　实验原理图 实验1- 1: 将开关拨到 1 端使PT 开路, 设定信 号发生器A FG3021 输出峰峰值电压U PP = 2 V 的 正弦波信号激励压电陶瓷升压器工作, 用示波器 TD S2012 观察输出信号并测得输出电压峰峰值。 通过改变信号频率得到结构的频率响应曲线。如图 4 所示, 共振频率为5514 和109 kH z。 图 4　PT 开路实验频谱图 实验 1 - 2: 将开关拨到 2 使PT 并接电容C 1= 9172 nF , 实验过程同上, 得到的频谱曲线如图 5 所 示。 图 5　PT 接电容实验频谱图 　　实验1 - 3: 将开关拨到3 使PT 并联接负载电阻 R o , 如果 R o 上电压为 U out, 则 PT 输出功率 P out 为　　　　　　 P out = U out2 R o (8) 通过改变电阻R o 得到输出电阻与输出功率的关系 图如图6 所示。 图 6　PT 输出电阻与输出功率关系图 实验测得 PT 输入输出端电容分别是 C i = 10015 nF 和Co = 14 nF, 根据实验 1- 1 和实验 1- 2 可计算出 f ro= 5617 kH z, f rs= 5512 kH z, 进一步根 据式 (1～ 7) 可得C r = 4112 nF, L r = 2 mH; 由实验 1 - 3 可知在R o = 15911 k8 时输出功率最大, 此时 激振频率 f = 5617 kH z, 由式 (2, 4) 可得R ″= 161938 , 因此R m = R ″o= 16193 8。 113　电路仿真 由 112 节所得的 PT 模型参数在仿真软件 p sp ice schem atics 中建立 PT 的p sp ice 模型[7 ] , 对 其进行仿真, 结果如图7 所示。(本文中所有的仿真 PT 的激励信号的幅值都是1 V ) 从图 7 中可知PT 的共振频率为 5218 kH z 和 513第 3 期 徐志伟, 等: 基于PT 和M FC 的飞机垂直尾翼振动主动控制 　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 7　PT 的仿真幅频曲线 10915 kH z, 仿真结果与试验结果 (图 4) 基本相符, 证明了所得到的PT 模型参数是正确的。利用这个 模型作进一步的仿真设计, 在PT 模型的基础上加 上2 倍的C2W 型倍压整流电路模型并仿真纯电阻 负载R L 对输出电压的影响, 通过设置不同的电阻 值得出相应的输出特性曲线, 如图8 所示。 图 8　整流滤波后负载电阻R L 对输出电压的影响 从图 8 中可看出当负载电阻R L < 10 k8 时输 出电压趋向于零, 当R L > 10 M 8 时输出电压达到 最大值, 因此负载必须达到一定的值以后 (如大于 10M 8 )才能发挥PT 的升压效能, 而压电材料的绝 缘电阻非常大, 能够满足PT 输出电阻> 10 M 8 的 要求。 2　飞机垂直尾翼模型试验 211　压电纤维复合材料驱动器 　　压电纤维复合材料具有柔韧耐用、驱动电压 高、可靠性高、适合多种 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面、大变形位移等优点。 实验中选用了德国 SM A R T 公司生产的M FC (M acro fiber compo sites) , 其基本参数如下: d 33= 416×102 pCöN , d 31= - 211×102 pCöN , 驱动电压: - 500～ + 1 500 V , 可拉伸应变: > 1 800 微应变, 最大 4 500 微应变, 工作寿命 (驱动电压 1 000 V p2p ) : 10×108 循环。 2. 2　自适应振动主动控制算法 振动主动控制系统中的控制策略很多, 但大多 数的控制策略需要对被控系统进行精确的数学建 模, 这对大型复杂被控系统很难做到。本文选用了 自适应控制算法, 利用与被控信号相关的参考信号 及误差信号来自适应调节滤波器的系数, 适时给出 控制信号来完成振动主动控制, 该方法控制精度 高、控制系统稳定性好, 适合于振动噪声主动控制 系统。其最大特点是不需要对被控系统进行精确数 学建模, 控制系统能够适应外界环境的改变而自动 进行调节以完成控制任务, 尤其适用于航空航天领 域振动的主动控制。 本文采用的自适应控制算法原理如图9 所示[8 ]。 图 9　自适应控制原理图 213　实验及结论 实验中选用了LM S 自适应前馈滤波控制方 法[8 ] , 针对飞机垂直尾翼缩比模型的一阶弯曲模态 (模态频率 6 H z) 和尾翼上部的一阶局部弯曲模态 (模态频率27 H z)进行了分布式主动控制[8 ]。 实验系统原理如图 10 所示, 两个激振器分别 在激励点1 和激励点2 对两阶模态实施激励, 作为 传感器的压电陶瓷大小为 40 mm ×10 mm ×1 mm , 其d 33= 450×102 pCöN , d 31= 225×102 pCöN。 实验中由于M FC (8415 mm ×57 mm ) 的数量有限 (共4 片) , 而且整个结构的一阶弯曲模态振动的能 量最大, 因此将 4 片M FC 用于驱动结构的一阶弯 曲振动, 在模型的根部两侧分别放置了两片M FC, 为了作对比同时选用了 16 片PZT 驱动器, 其大小 为 60 mm ×20 mm ×1 mm , 分别置于尾翼根部的 两侧 (图10) , 使得PZT 的有效驱动面积 (60 mm × 20 mm ×16= 19 200 mm 2) 与M FC 的有效驱动面 积 (8415 mm ×57 mm ×4= 19 266 mm 2) 基本相 同。而模型上部的局部弯曲振动模态则选用 4 片 PZT 作为驱动器, 分别置于结构的两侧。在两阶模 态最大模态应力处分别放置了压电传感器 (压电传 感器 (1)和压电传感器 (2) )。 613 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报 第 40 卷　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 10　垂直尾翼分布式控制系统实验原理图 　　实验过程中为了评价分布式控制的总体效果, 在模型中间位置设置了一个加速度传感器 (图 9) , 能同时测得两阶振动的响应, 通过LM S 系统对响 应信号的频谱进行分析。 整个实验过程分两步进行。 第一步: 由 16 片PZT 作为驱动器控制结构一 阶弯曲模态 (6 H z)振动,M FC 不参加, 局部弯曲模 态 (27 H z) 的振动由 4 片 PZT 作为驱动器施加控 制, 加速度传感器测得的结构振动响应曲线如图11 所示。 第二步: 由M FC 作为驱动器控制结构一阶弯 曲模态 (6 H z) 振动, PZT 不参加, 局部模态 (27 H z)仍然由PZT 作为驱动器, 由于设计的开关功率 放大器最大输出电压为 600 V , 因此实验过程中 M FC 的最大驱动电压约 580 V 左右, 控制后加速 度传感器测得的结构振动响应的幅频特性如图 12 所示。 从实验结果可以看出: ( 1) 在 PZT 驱动下, 模型的一阶弯曲模态 (6 H z ) 时域内的振幅 (压电传感器 (1) 测得) 由±415 V 下降至±2 V 左右, 下降了 5515% ; 模型的局部 模态 (27 H z) 时域内的振幅 (压电传感器 (2) 测得) 由±9 V 下降至±4 V 左右, 也下降了 5515% ; 从 加速度传感器所测位置处的结构振动响应幅频特 性曲线 (图12)也可以看出, 两阶模态的振幅下降约 53% 和87% 左右。 (2)在M FC 的驱动下, 一阶弯曲模态 (6 H z)的 振幅 (压电传感器 ( 1) 测得) 由±415 V 下降至 ±0175 V 左右, 下降了 8313% ; 而加速度传感器所 测位置处的结构振动响应 (6 H z) 幅值 (图 12) 振幅 下降约 82% 左右, 也显著小于前者; 由于局部模态 的控制方式未变, 其控制效果也未发生变化。由此 图 11　PZT 驱动下的实验结果 713第 3 期 徐志伟, 等: 基于PT 和M FC 的飞机垂直尾翼振动主动控制 　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 12　M FC 驱动下结构振动响应的幅频特性 可见压电纤维复合材料驱动器的驱动能力明显优 于PZT 材料。 3　结束语 从上面的研究结果可以看出: 压电变压器具有 很高的升压比 (> 100) , 但负载电阻的大小对 PT 输出特性的影响很大, 负载电阻越大输出电压越 大, 只有负载电阻足够大时PT 才能正常工作发挥 升压的作用, 由于压电材料的绝缘电阻非常大 (> 10M 8 ) , 完全可以将PT 用于驱动压电材料的功率 放大器, 但在使用过程中要综合考虑在开关频率和 输出驱动电压上取得平衡。 本文设计的基于压电变压器的开关功率放大 器工作正常, 可以替代传统的线性功率放大器完成 对PZT 或M FC 的驱动, 具有驱动效率高 (理论上 可达 100% , 实际> 85% )、体积小、重量轻 (300 g 左右)、便于系统集成等优点。 M FC 是一种新型的驱动器和传感器, 具有驱 动电压高、变形大等很多优点, 由于实验中所设计 的开关功率放大器的最大输出电压有限 (600 V ) , 因此实验中没有达到M FC 的最大驱动电压, 相信 如果提高驱动电压到1 000 V 左右, 还会取得更好 的实验效果。 　　因此本文所设计的基于压电变压器的开关功 率放大器是成功的, 完全可以代替传统的线性功率 放大器实现对压电材料的驱动, 在后续研究中还需 要进一步提高其驱动电压, 以满足M FC 的要求。 M FC 是一种新型的传感器和驱动器, 由于某些客 观原因本文对M FC 的驱动性能只是进行了初步的 探索, 还需要对其传感和驱动特性作进一步的研 究。 参考文献: [1 ]　Galea S C, R yall T G. N ext generat ion active buffet supp ression system [R ]. A IAA 22905, 2003. [2 ]　A lfredo V azquez C, Kenji U. 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