直升机振动主动控制的机身∕压电叠层作动器耦合优化法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSJnicaoct．252011V01．32No．101835．1841ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)10-1835-07直升机振动主动控制的机身／压电叠层作动器耦合优化法宋来收，夏品奇*南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：直升机振动主动控制通常使用惯性作动器，一般惯性作动器的附加重

2、量要占到机体重量的4％～5％才有较好的控制效果。压电叠层作动器(PSA)作为轻质、高效的执行元件用于直升机振动主动控制可有效地降低附加重量、提高控制性能。本文将压电叠层作动器用于直升机振动主动控制。并提出了机身／压电叠层作动器耦合优化法。采用基于频率响应函数的子结构法建立了直升机机身结构／压电叠层作动器的耦合频域方程，以最小化被控加速度响应为目标研究了压电叠层作动器的安装位置及控制器参数优化问题。采用实数编码遗传算法同时优化离散位置变量和连续控制加权参数变量。以得到在控制电压约束范围内的最有效振动抑制

3、。对一个简化的弹性线机身模型进行了数值分析和时域控制仿真。结果表明所提方法能有效地找到最佳振动抑制参数，得到显著的振动抑制效果。关键词·直升机I压电叠层作动器I优化，振动主动控制I予结构法中圈分类号lV275．I文献标识码lA由于旋翼处于非对称、非定常的气动环境，使得机身结构始终处于恶劣的激振环境中，因此降低其振动水平、提高振动控制系统性能是直升机工程界的研究重点和热点，其振动水平成为评定直升机性能的一项重要指标。目前，惯性作动器[1≈3作为作动系统，其附加重量要达到机体重量的4％～5％才能取得较好的

4、抑制效果，这种情况严重影响了直升机的使用功效。相对于较大附加重量的传统惯性作动器．压电叠层作动器(Piezo-electricStackActuator，PSA)由于其轻质、高效、输出力大等优点成为近来航空振动主动控制领域备受关注的执行元件口q]，但作动位置及控制参数的选取对于控制系统的减振性能、能量需求具有关键的影响。国内外研究者在智能桁架及粱板结构方面进行了较多的研究[51]，但多是针对瞬态特性和随机振动环境．而直升机机身振动抑制则主要是非共振区的谐波振动。Hanagud等∞3将压电作动器置于待减

5、振点附近，对压电材料用于机身的振动控制进行了研究；Singhvi等凹3将压电叠层作动器置于主旋翼变速箱和机身的连接结构处进行了简单模型的机身结构响应控制研究，但这样的选取只依赖于工程经验，难以保证其最优性。Heverly[1阳较全面地研究了压电叠层作动器应用于直升机结构响应主动控制的作动形式和分布情况，但把压电叠层作动器理想化为简单的力发生器，没有考虑作动器自身特性和其与机身系统耦合的影响．提出了修改机身结构来补偿由于作动器的引入而导致的动态特性改变，这对直升机机体结构较难实现。本文应用基于频率响应函

6、数的子结构法建立收稿日期：2011_01-17；退修日期：2011加3-23；录用日期；2011-05-12；网络出版时间；2011．06．2013：41网络出版地址；WWW．tmkl．net／kcms／detail／111929．V．20110620．1341．001．咖IDOI：CNKIlll-1929／V．20110620．1341．001基金项目：直升机旋翼动力学国防科技重点实验室基金(NBAl0004)*通讯作者．Tel．1025·84895795E-mail；xiapq@nuaa．日du．

7、∞取用格武t米来牧．I品奇．i井枕振动主动控制的机身／压电叠层作动器柄合优化法CJI．航空学攘。20II。32(10)：1835-1841SongLaishou·XiaPlnqi．Coupled^堵e

8、a口e／piezoelecfrlcstackactuatoroptimizationmethodforactivevibrationcontrolofhell-copterL以．ActaAeronaut『；caetAstronauticaSinica．2011。32(10)；1835-184

9、．航空学报

10、Oct．252011V01．32No．10了直升机机身／压电叠层作动器的耦合频域方程，以最小化被控加速度响应为目标优化作动器安装位置和控制器参数。优化过程中，复合结构的频率响应函数复矩阵用子结构的频率响应函数复矩阵的代数运算得到。作为子结构，机身的频率响应函数矩阵可以用有限元计算程序得到，也可由结构动力学实验得到，从而更适合于难以解析建模的复杂动力学结构。通常，直升机上允许安装作动器的位置是离散的，而控制加权参数是连续的，因此实数编码的遗传算法被用来同时