面向结构振动控制的压电作动器优化配置研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnautiCaSinicaMar．252012V01．33No．3494—500ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．crlhkxb@Iouaa．edu．C13文章编号：1000—6893(2012)03—0494—07面向结构振动控制的压电作动器优化配置研究王军1’*，杨亚东1，张家应1，苏洪波1’2I．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001912．海军航空工程学院青岛校区航空机械系，山东青岛266041摘要：为了研究压

2、电主动结构振动控制当中作动器的位置优化问题，从系统的状态窄间方程出发，在系统可控性Gram矩阵特征值的基础上来描述性能指标．以输入的能量吸收率为优化日标函数．提出了一种新的位置优化配置准则。利用有限元分析(FEA)方法分析作动器的配置．并与遗传算法(GA)结合进行优化计算。计算过程中对作动器的位置采用二进制编码加以描述。通过对一压电简支板结构的仿真计箅对该方法进行了验证，并与其他几种不同的配置方法进行对比，从而证明了新方法的优越性。关键词：智能结构；压电作动器；位置优化；遗传算法；有限元分析中图分类号：V414．3；TU31l文献标

3、识码：A新一代航天器都带有柔性附件，如太阳帆板、板形天线等，这些柔性结构的刚度小、阻尼小，其振动会影响航天器性能，因此，通过主动振动控制抑制其振动是十分必要的。柔性结构的主动振动控制的性能与传感器／作动器的种类和配置的位置密切相关，采用非连续的压电片进行振动主动控制时，其位置优化配置是一个重要的问题。ArbeILlJ提出的配置方法是由每个压电片对可选模态的范数组成引导矩阵，并且根据它们在系统范数中的参与量对它们分等级，然后给出配置策略，得到优化位置。Bru—ant等[2≈1提出了利用能量吸收率的方法来实现位置优化配置，求出每个模态的

4、能量与单独控制某阶时该模态所吸收的能量之比，然后对他们进行等级划分，得到优化位置。但是由于文献[1]、文献[23和文献[43中均未综合考虑各阶模态的能量吸收率，因此不能保证得到最高的吸收能量，也就无法得到最优位置。由于控制能量的利用是控制系统设计的重要依据之一，因此本文在进行压电片位置配置时，以能量的吸收率为评价指标。根据系统压电控制方程的输入输出矩阵，以输入能量和输出能量的最大能量吸收率作为目标，给出了一种压电作动器／传感器的位置优化配置方法。并与Arbel⋯和Bruant等‘2-3]所研究的压电片配置优化方法作了比较。1压电结构

5、的振动主动控制方程假设柔性结构上作用了N。个压电作动器和M个压电传感器。利用模态分析和有限元法[3引，通过对系统的振动方程和传感器输出方程进行解耦，得到其在模态坐标系下的方程为收稿日期：2011—05—23；退修日期：2011—06—22；录用日期：2011．11—07；网络出版时间：2011—12．2111：28网络出版地址：WWW．cnkii3et／kcms／detail／11．1929．V．20111221．1128．001．htmID0l：CNKI：11．1929／V．20111221．1128．001基金项目：唯实青年教师

6、肇金(YWF．10．02—014)*通讯作者．Tel．：010·82338215E-mail：wang—jun@buaa．educn戮髑榕武lWangJ．YangYD．ZhangJY．etal，InvestigationofpiezoelectricactuatoroptimalconfigurationforstructuralvibrationcontroliActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012。33(3)：494-500．王军．杨亚东．张家应．等．面向结构振动控割的压电作动嚣优化配i

7、研究．航空学报．2012．33t3)：494-500i王军等：面向结构振动控制的压电作动器优化配置研究495Na弓r+2§叫；a，+埘i2口。=∑b。垂，(i一1，2，⋯，N)f=l(1)式中：Na西i+2≯cc，％i+(cc，；)2吼一∑6：垂，f=l(i一1，2，⋯，N8)(2)NNRA—y』=∑f。q，+∑f孙(歹一l，2，⋯，N。)f=1f一1(3)式中：N为控制模态数目，N8为剩余模态数目，N与N“可根据结构的特性进行选择；qi、毒，和五。分别为第i阶模态的位移、速度和加速度；∞，为第i阶模态的圆频率；莹为模态阻尼比；6。

8、西，为外界施加的电压产生的力；中，为外界施加到第1个作动器上的电压；Y，为所测量的传感信号；cjt为振动所引起的传感常数。当进行主动控制时，作动器输入的能量不仅会传送到前N阶控制模态，而且会传送给后N8阶剩余模态，这就造成控制溢出。所