壓電疊堆功率放大器在直升機(jī)機(jī)身振動研究中的應(yīng)用

實驗名稱：直升機(jī)機(jī)身的多諧波多輸入多輸出振動主動控制試驗研究

實驗原理：首先采用一個由Z-11直升機(jī)地板模型縮比而來并且與Z-11直升機(jī)動力學(xué)相似的框架模型作為研究對象，將壓電疊層作動器整合到受控結(jié)構(gòu)中，通過數(shù)字信號處理器作為試驗系統(tǒng)的控制器，整合搭建了壓電疊層作動器驅(qū)動的直升機(jī)機(jī)身多諧波多輸入多輸出振動主動控制試驗系統(tǒng)，并且離線測量了搭建好的試驗系統(tǒng)的控制通道傳遞函數(shù)。

試驗系統(tǒng)中，采用一個框架試驗?zāi)Ｐ?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬Z-11直升機(jī)座艙用來進(jìn)行振動主動控制試驗，其材料選用45號鋼，總質(zhì)量為15.7kg。加工完成的框架試驗?zāi)Ｐ腿鐖Da所示。

壓電疊層作動器通過兩端的內(nèi)螺紋與外部結(jié)構(gòu)相連，壓電疊層作動器不能承受拉力和彎矩，否則壓電薄片之間的連接會發(fā)生脆性斷裂從而導(dǎo)致壓電疊層作動器損壞失效。因此在實際使用中，為了避免拉力，安裝壓電疊層作動器時會在兩端施加一定的預(yù)緊力，并且避免使用負(fù)電壓驅(qū)動壓電疊層作動器；為了避免壓電疊層作動器承彎，在安裝壓電疊層作動器時將一個彈性較與作動器并聯(lián)安裝，安裝形式如圖b所示。

圖b壓電疊層作動器安裝形式

圖c實驗系統(tǒng)原理框圖

測試設(shè)備：信號發(fā)生器、ATA-P0102功率放大器、壓電疊堆、DSP、信號調(diào)理模塊、計算機(jī)

實驗過程：DSP內(nèi)部的信號發(fā)生器生成數(shù)字激勵信號通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過低通濾波和功率放大器放大后輸入到電磁激振器對框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激勵響應(yīng)，模擬旋翼在直升機(jī)座艙地板產(chǎn)生的振動響應(yīng)。加速度傳感器采集待減振點處的加速度響應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，再由A/D采樣得到數(shù)字信號。采集到的數(shù)字信號代入控制算法用來修正得到壓電疊層作動器的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號通過D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)過低通濾波器和功率放大器輸入到壓電疊層作動器，驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作動響應(yīng)來抵消激勵響應(yīng)。同時，通過串口將誤差響應(yīng)信號與作動器驅(qū)動信號實時發(fā)送給計算機(jī)進(jìn)行存儲。

多諧波多輸入多輸出前饋自適應(yīng)控制算法需要準(zhǔn)確的控制通道的傳遞函數(shù)來保證控制算法的收斂。本實驗通過識別離線測量的方法，采集并計算得到了直升機(jī)機(jī)身振動主動控制試驗系統(tǒng)的控制通道傳遞函數(shù)，測量試驗的原理圖如圖c所示。數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦激勵信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波后，再經(jīng)過功率放大驅(qū)動壓電疊層作動器對框架施加作動力。作動力在待減振點處產(chǎn)生作動響應(yīng)，并由安裝在待減振點的加速度傳感器測量。測量的加速度信號經(jīng)過低通濾波和A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，與激勵信號一起通過串口實時傳送到計算機(jī)上。計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包和解碼處理后，計算加速度信號和激勵信號的幅值比和相位差，即可得到控制通道的傳遞函數(shù)。試驗中，采樣頻率設(shè)為f=975Hz，激勵信號頻率參考Z-11型直升機(jī)，分別測量了19.5Hz和39Hz的控制通道傳遞函數(shù)，結(jié)果如表1和表2所示。需要指出的是,控制通道的傳遞函數(shù)除了作動器和試驗框架模型的動態(tài)特性，還包括了功率放大器放大倍數(shù)、傳感器的靈敏度以及A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的精度。

表119.5Hz控制通道傳遞函數(shù)

表239Hz控制通道傳遞函數(shù)

實驗結(jié)果：根據(jù)Z-11直升機(jī)機(jī)身上實測的振動響應(yīng)信號，單諧波激勵的頻率選取為第一階槳葉通過頻率ω1=NbΩ=19.5Hz。Z-11直升機(jī)機(jī)身振動的一階通過頻率加速度響應(yīng)為0.95m/s，為了使兩個待減振點在無控制時的振動加速度水平與Z-11直升機(jī)相同，設(shè)置激勵信號的幅值為Xe(t)=1.465×sin(2πω1t)。激勵信號經(jīng)過放大后驅(qū)動電磁激振器對框架試驗?zāi)Ｐ偷募铧c1進(jìn)行激勵，激振力沿Z方向，激振點位于框架結(jié)構(gòu)的中性線上，此時框架試驗?zāi)Ｐ蛢H垂向彎曲模態(tài)的振動被激發(fā)。試驗研究中，采樣頻率為fs=975Hz，控制算法的諧波系數(shù)識別收斂系數(shù)取?1=0.03，歸一化LMS算法的收斂系數(shù)取?0=0.001。別的諧波系數(shù)向量初始值均為0。兩個減振點的垂向加速度響應(yīng)如圖d和圖e所示，四個壓電疊層作動器的驅(qū)動電壓如圖f到圖i所示?？梢钥闯?，振動主動控制系統(tǒng)開始從10秒啟動后，兩個待減振點的振動隨之衰減,并在10秒內(nèi)逐漸收斂到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定控制狀態(tài)下，兩個減振點的振動響應(yīng)分別降低了97%和98%。

圖d單諧波對稱激勵試驗待減振點1的垂向加速度響應(yīng)

圖e單諧波對稱激勵試驗待減振點2的垂向加速度響應(yīng)

圖f單諧波對稱激勵試驗壓電疊堆作動器1的驅(qū)動電壓

圖g單諧波對稱激勵試驗壓電疊堆作動器2的驅(qū)動電壓

圖h單諧波對稱激勵試驗壓電疊堆作動器3的驅(qū)動電壓

圖i單諧波對稱激勵試驗壓電疊堆作動器3的驅(qū)動電壓

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