基于压电材料的悬臂梁振动半主动控制研究

论文摘要

压电材料作为一种智能材料,以其良好的机电耦合特性,在结构振动控制领域具有广泛的应用。基于压电元件的主动振动控制不仅需要复杂的信号处理系统,而且需要庞大的能量供给系统;被动控制方法中电感和电阻参数对环境变化适应能力差,而且在低频控制时需要很大的电感,不容易实现。为了克服主被动控制中存在的缺点,本文采用一种基于同步开关阻尼技术的半主动振动控制的新方法。以工程中常见的悬臂复合材料梁为例,利用半主动控制方法对其一阶弯曲模态进行振动控制。在该控制系统中,仅用简单的电子元器件,通过合适的开关控制技术,构成LC振荡回路,就可有效地对悬臂复合梁振动进行半主动控制。本文采用了三种不同的振动半主动控制方法,分别为SSDS/SSDI/SSDV技术,并详细推导了具体的能量公式,分别利用高功耗、超低功耗及无需能量输入的模拟电路和数字电路(DSP)搭建了悬臂复合材料梁振动半主动控制实验平台,对理论分析结果进行了验证,同时和传统的主动控制方法进行比较,验证半主动控制的优越性。实验结果表明,半主动控制中SSDS可使悬臂梁振动幅值减小11.91%,SSDI为26.00%,SSDV(外加控制电源1.6V时)为51.44%,主动控制方法可使振动减小61.35%。虽然半主动控制的效率没有主动控制的高,但半主动控制中,所用的器件较主动控制要少很多,算法简单,省去了体积庞大高功耗的容性负载功率放大器,半主动控制所占体积小,重量轻,所用电路非常简单轻巧。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于压电材料的振动控制技术
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 压电材料的工作原理
• 2.1 压电效应
• 2.2 压电方程
• 第三章 基于压电元件的悬臂梁振动半主动及主动控制原理
• 3.1 振动半主动控制原理
• 3.1.1 短路同步开关阻尼技术（SSDS）技术
• 3.1.2 电感同步开关阻尼技术（SSDI）技术
• 3.1.3 电压同步开关阻尼技术（SSDV）技术
• 3.2 振动主动控制原理
• 3.2.1 FX-LMS 自适应算法推导
• 3.2.2 SFX-LMS 自适应算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 半主动振动控制模拟电路实验研究
• 4.1 高功耗模拟电路设计与实现
• 4.2 低功耗模拟电路设计与实现
• 4.3 无需能量输入的模拟电路设计与实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 半主动振动控制数字电路（DSP）实验研究
• 5.1 数字电路（DSP）设计与实现
• 5.1.1 模拟信号前置调理电路模块设计
• 5.1.2 电源电路模块设计
• 5.1.3 主控制器电路模块设计
• 5.1.4 A/D 及D/A 电路模块设计
• 5.1.5 实时时钟电路模块设计
• 5.2 半主动振动控制软件设计及实验结果
• 5.3 主动（LMS）振动控制软件设计及实验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录