專利名稱：一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，特別涉及一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸
臂梁壓電結(jié)構(gòu)，屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
目前，眾多文獻(xiàn)中記載的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)阻尼控制采用的是典型控制模式——速 度負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。本實(shí)用新型中用壓電梁作為典型結(jié)構(gòu)來解釋典型控制模式及其 原理，但該模式也適用于各種其他結(jié)構(gòu)。
圖1是眾多文獻(xiàn)采用的典型控制模式示意圖，從圖可見 1、在梁1的下表面貼有一壓電作動(dòng)片2，上表面同一位置貼有同一尺寸的壓電測(cè) 量片3并后接運(yùn)算放大器5和電阻4構(gòu)成應(yīng)變率傳感器；這種作動(dòng)器和傳感器"同位"配置 能保證接成速度負(fù)反饋后的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2、壓電應(yīng)變率傳感器輸出us經(jīng)增益gs后與外激勵(lì)電壓 相減，經(jīng)功放增益ga后 激勵(lì)壓電作動(dòng)片構(gòu)成閉環(huán)。
典型控制模式所帶來的缺點(diǎn)和不足有 理論上阻尼比會(huì)隨著回路增益g^a而增大。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此令人滿意。 隨著gsga的增大，系統(tǒng)卻趨向于不穩(wěn)定，產(chǎn)生高頻或很低頻的自激振動(dòng)，而此前模態(tài)阻尼比 增量還未達(dá)到期望的要求如0. 1。 觀察實(shí)測(cè)到的應(yīng)變開環(huán)頻響，發(fā)現(xiàn)與理論模型有顯著不同 1.相頻特性在共振區(qū)下落Ji /2后不久卻恢復(fù)到接近于零。 2.幅頻特性在過共振區(qū)后并非以40db/oct斜率一直衰減下去，而是恢復(fù)到一個(gè) 近似常量。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，它克服
了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，而且設(shè)計(jì)巧妙，操作簡單。
本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的見圖2所示 本實(shí)用新型一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，是由梁，壓電作動(dòng)片，
壓電測(cè)量片，電阻，運(yùn)算放大器，增益，補(bǔ)償旁路傳遞函數(shù)-Ht(S)組成，在懸臂梁的適當(dāng)位置
(位置的選取理論上不會(huì)有什么影響，最好不要取太靠近兩端的位置)上下表面分別貼壓
電測(cè)量片和壓電作動(dòng)片，兩壓電片的極化方向都沿著梁的厚度方向。在壓電作動(dòng)片后面接
并聯(lián)的電阻和運(yùn)算放大器，于是兩個(gè)壓電片，懸臂梁，并聯(lián)的電阻和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成了
控制系統(tǒng)的一路傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)-Ht(S)構(gòu)成校正環(huán)節(jié)與之并聯(lián)，其他環(huán)節(jié)均為增益。 其中，兩壓電片的厚度小于0. 3毫米，面積小于3平方厘米； 其中，線性運(yùn)算放大器及反饋電阻無特殊要求，購買市場(chǎng)通用產(chǎn)品即可。 其中，補(bǔ)償旁路傳遞函數(shù)-Ht(S)通過力學(xué)原理設(shè)定函數(shù)形式，再按照一定的數(shù)學(xué)方法得到函數(shù)中的各項(xiàng)參數(shù)。見具體實(shí)施方法部分。 由于采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型消除了壓電作動(dòng)片局部激勵(lì)應(yīng)變的反饋，從 而使壓電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型又回歸到理論模型中去。

圖1本地速度負(fù)反饋控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu) 圖2電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu) 其中圖中符號(hào)說明如下 1懸臂梁；2壓電作動(dòng)片；3壓電測(cè)量片；4電阻；5運(yùn)算放大器；6增益gs ;7增益
ga;8補(bǔ)償旁路傳遞函數(shù)-Ht(S)。
具體實(shí)施方式見圖2所示，該實(shí)用新型說明如下 本實(shí)用新型，一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，是由懸臂梁1，
壓電作動(dòng)片2，壓電測(cè)量片3，電阻4，運(yùn)算放大器5，增益gs6，增益ga7，補(bǔ)償旁路傳遞函
數(shù)-Ht(S)8組成。 他們的鏈接關(guān)系如下 在懸臂梁1的適當(dāng)位置(位置的選取理論上不會(huì)有什么影響，最好不要取太靠近 兩端的位置)，上下相對(duì)地貼上壓電作動(dòng)片2，壓電測(cè)量片3，在壓電測(cè)量片3后面接并聯(lián)的 電阻4和運(yùn)算放大器5，于是壓電作動(dòng)片2，壓電測(cè)量片3，并聯(lián)的電阻4和運(yùn)算放大器5 — 起構(gòu)成了控制系統(tǒng)的一路傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)_Ht (S) 8構(gòu)成校正環(huán)節(jié)與之并聯(lián)。6gs， 7ga均 為增益。 下面敘述Ht (s)的獲得 設(shè)Ht(s)是應(yīng)變波沿梁厚度方向的傳播特性，其首階固有頻率很高，因此在梁的要 控制的頻帶范圍內(nèi)，可視為一比例環(huán)節(jié)，或更精確些，用一個(gè)在電路中很容易實(shí)現(xiàn)的慣性環(huán) 節(jié)去逼近它 "'(一i+,V (3-19) 其中g(shù)t為增益，Q 。為截止頻率。 設(shè)Hv(co)為傳統(tǒng)控制模式中的開環(huán)傳遞函數(shù)，其中包括了作動(dòng)器局部激勵(lì)應(yīng)變帶 來的干擾項(xiàng)——與Ht(")相關(guān)。我們要從實(shí)測(cè)的Hv(")中識(shí)別參數(shù)gt和Q。，并據(jù)此組建 簡單的補(bǔ)償環(huán)節(jié)-Ht(co)。最終我們將獲得該環(huán)節(jié)的足夠精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，該傳遞函數(shù)作 用為，將原來經(jīng)典控制模式中壓電作動(dòng)片局部激勵(lì)應(yīng)變所帶來的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。關(guān)于 gt和Q。的說明如下 將(3-19)代回真實(shí)的開環(huán)頻響函數(shù)(見圖1)
^(咖^^" vaZ , r、2 , +~"^T") (3陽20)
4[0033] 我們要從實(shí)測(cè)的Hv(")中識(shí)別參數(shù)gt和Q。，并據(jù)此組建簡單的補(bǔ)償環(huán) 節(jié)-Ht(")。 其中b。為壓電作動(dòng)片寬度，bM壓電測(cè)量片(或稱傳感器)
<formula>formula see original document page 5</formula>
為一常值，其中E， h， b分別為懸臂梁的彈性模量，厚度，寬度，Rf為反饋電阻4， Ep， S p， dp 分別為作動(dòng)壓電片彈性模量，厚度，壓電系數(shù)，eps = Epsdps，其中Eps， dps分別為壓電測(cè)量片的 彈性模量和壓電系數(shù)。，nv，、分別為懸臂梁第r階模態(tài)質(zhì)量、剛度。^04)= J^O;"(x)血，其
中①r(x)為懸臂梁第r階固有振型，上標(biāo)x表示對(duì)其求導(dǎo)，A為壓電片的在梁上的覆蓋面 積。據(jù)此組建簡單的補(bǔ)償環(huán)節(jié)-Ht(")。 選定頻帶("A， "b)，設(shè)其中含有梁的(例如)2階主模態(tài)，那么在這一頻帶內(nèi)有
1 +
(3-21)
7a
射 、0)
1
(3-22) (3-23)
l-0/Qr)2 + y.20/Qr) 其中Qr，、是第r階固有頻率和阻尼比，是很容易用常規(guī)的模態(tài)識(shí)別程序(比如 正交多項(xiàng)式識(shí)別法，常規(guī)的方法，參閱任何一本相關(guān)的教材均可)求到的，認(rèn)為是已知量。 設(shè)"b << Q。，因而在("A， "b)內(nèi)有
代回(3-21)有 ，)
，g,
(3-24)
，
(3-25)
分別以實(shí)部和虛部寫出有 ，
，
在("A， "b)內(nèi)取n > 3個(gè)頻率 AX = B
(3-26)
■ft)
(3-27)
V利用(3-26)可以建立出識(shí)別方程 (3-28)[0050] 其中
<formula>formula see original document page 6</formula>[0051] <formula>formula see original document page 6</formula>[0052] <formula>formula see original document page 6</formula>從中可識(shí)別到 <formula>formula see original document page 6</formula>[0056]其中我們特別關(guān)心的是b,p a vgt3同理，可以從方程(3-27)識(shí)別到b,pd Vgt/Qc。二者合在一起最終求到bpsbp a vgt和Qc。 到此為止，我們還沒有得到需要的gt，因?yàn)閎psbpCiv未知。不過它是開環(huán)頻響
Hv(")中的總體比例因子，即增益，是很容易識(shí)別的，從而也就知道了 gt。 由于采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型消除了壓電作動(dòng)片局部激勵(lì)應(yīng)變的反饋，從
而使壓電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型又回歸到理論模型中去。
權(quán)利要求一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)是由梁、壓電作動(dòng)片、壓電測(cè)量片、電阻、運(yùn)算放大器、增益和補(bǔ)償旁路傳遞函數(shù)-Ht(S)組成，其連接方式為在懸臂梁的上下表面各貼壓電測(cè)量片和壓電作動(dòng)片，兩壓電片的極化方向都沿著梁的厚度方向，在壓電作動(dòng)片后面接并聯(lián)的電阻和運(yùn)算放大器，于是兩壓電片，懸臂梁，并聯(lián)的電阻和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成了控制系統(tǒng)的一路傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)-Ht(S)與之并聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，其特征在 于壓電作動(dòng)片和壓電測(cè)量片的厚度小于0. 3毫米，面積小于3平方厘米。
專利摘要一種用電子補(bǔ)償法控制阻尼的懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由梁，壓電作動(dòng)片，壓電測(cè)量片，電阻，運(yùn)算放大器，增益，補(bǔ)償旁路傳遞函數(shù)-Ht(S)組成，其連接方式為在懸臂梁的上下表面各貼壓電測(cè)量片和壓電作動(dòng)片，兩壓電片的極化方向都沿著梁的厚度方向，在壓電作動(dòng)片后面接并聯(lián)的電阻和運(yùn)算放大器，于是兩壓電片，懸臂梁，并聯(lián)的電阻和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成了控制系統(tǒng)的一路傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)-Ht(S)與之并聯(lián)，其他環(huán)節(jié)均為增益。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，它消除了壓電作動(dòng)片局部激勵(lì)應(yīng)變的反饋，從而使壓電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型又回歸到理論模型中去。它設(shè)計(jì)巧妙，操作簡單，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02N2/00GK201467007SQ200920108008
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者吳颯, 姚軍, 朱振宇, 李傳日, 李曉鋼, 熊澤濤, 王曉紅, 袁虹 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)