垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

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1、航空学报Oct．252016V01．37No．103035-3043ActaAeronauticaetAstronauticaSjnicaISSN1000．6893CN11—1929／VhttD：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb(罾buaa．edu．cn垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化梁力，杨智春*，欧阳炎，王巍西北工业大学航空学院结构动力学与控制研究所，西安710072摘要：为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能，提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料(MFc)压电作动器力学模型，并建立了带MFc压电作动器

2、垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上，提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案，使用线性二次高斯(LQG)最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明，本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性，减小剩余模态的影响，获得更好的垂尾抖振响应控制。关键词：压电作动器；智能结构；布局优化；抖振；可控性中图分类号：V211．47；TB535文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)103035一09双垂尾布局的高性能飞机在大迎角飞行时，机翼和边条翼产生的脱体分离涡通常

3、会在到达垂尾前破裂，并形成非定常脉动扰流，激发垂尾抖振，从而对飞机的安全性和垂尾结构的疲劳寿命产生严重影响¨]。为此，研究人员采用结构振动主动控制的方法控制垂尾抖振，Moses[21和Chen[31等使用压电作动器对F／A一18的缩比垂尾模型进行了抖振控制的实验研究，Chen等[4]采用液压舵面和压电材料混合作动器对F／A一18垂尾模型进行了研究。在使用压电作动器控制垂尾抖振时，压电作动器布局对抖振控制效果有着至关重要的影响。不合理的作动器布局轻则降低控制系统效能，重则造成控制系统失效。因此，有必要对垂尾抖振压电主动控制系统的压电作动器布局优化展开研究。Gupta等。50对压电作动器

4、的布局优化方法作了详细总结。目前对于压电作动器的布局优化方法研究大多集中在Arbel[6]、Hac和I。iu[7]提出的基于系统可控／可观性Gramian矩阵的方法，其中包括Collet[81提出的考虑系统溢出不稳定问题的优化指标、Bruant等[9。1阳提出的归一化系统可控性能最大指标以及王军等[1叼提出的能量吸收速率指标。这种方法虽然能够保证系统的可控性最大，但对于大阻尼和存在密集模态的结构并不适用。Sadri等[12_133使用Hamdan和Nayfeh[141提出的模态可控性指标对压电板模型进行了优化，并对比了可控性Gramian矩阵和模态可控性两种方法，研究表明模态可控性方

5、法能得到更好的优化结果，并且不受结构阻尼和模态的限制。Junkins和Kim口印使用模态价值分析方法，结合系统响应，提出作动器最大输出可控性方法，该方法直接将作动器的布局和系统的输出联系，能更好地指导作动器布局优化。收稿日期：2015-09—18；退修日期：2015—11．22；录用日期：2016—01—05；网络出版时间：2016．01—2214：08网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail门1．1929v．20160122．1408002．htmI基金项目：国家自然科学基金(11502208)*通讯作者．Tel：029-88460461E—mail：yang

6、zc@nwpu．edu．cn引壤榕武I梁力，杨智春．殴阳炎．等．垂是抖振i动控翻的压电作动器布局优化!JI航空学报．2016．37(10)：3035．3043L

7、ANGL。YANGZc，oUYANGY，eta

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11、!JIAcfaAeronautlcaetAslronauticas{nica．2016．37(10)：3035—3043．3036航空学报oct．252016voI．37N0．10上述研究中，对压电作动器的布局研究大多集中在简单的

12、梁模型[6‘91和矩形板模型‘10。1引，并且由于压电作动器的几何外形限制，这类优化问题通常是根据作动器尺寸将结构划分为若干离散区域进行优化的[10’16‘17

13、。对于飞机垂尾这种形状和边界相对复杂的结构，尤其对于压电纤维复合材料(MFC)这一新型压电作动器的布局优化研究较少。相比于传统的压电陶瓷作动器，MFC压电作动器具有更好的力电耦合特性和对不同外形结构的适应能力，并且由于MFC特殊的结构和各向异性的材料特性，使得这种作动器的驱动具有一定的方向性，因此