基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統的製作方法
2023-05-22 12:02:36
專利名稱：基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及結構振動控制系統，尤其是基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統。
背景技術：
壓電材料的高頻響應特性與機電耦合特性使其在結構的智能化和振動控制中得到了廣泛地應用。目前，基於壓電材料的結構振動控制方法主要可分為三種主動控制、被動控制和半主動控制。壓電半主動控制方法是基於壓電主動和被動控制技術發展起來的一種新的振動控制方法，目前正得到廣泛地研究。具有代表性的是一種基於非線性同步開關阻尼技術的半主動振動控制方法，這種方法被稱為SSD技術(SSD Synchronized SwitchDamping),在電路中串聯電感和開關等一些簡單的電子元件使得壓電元件上的電能被快速消耗或實現電壓翻轉，從而達到減振的目的。與被動、主動控制方法相比，這種方法的控制系統簡單，僅僅開關工作需要外界能量，因此控制所要的外界能量很小，不需要精確的結構
振動模型，且控制效果比較穩定，適合於寬頻帶振動控制，這些使得該方法在結構振動控制方面具有廣闊的研究前景。目前，基於非線性同步開關阻尼技術的半主動振動控制方法主要分為四種，短路同步開關阻尼技術(SSDS技術)、電感同步開關阻尼技術(SSDI技術)、電壓同步開關阻尼技術(SSDV技術)和負電容同步開關阻尼技術(SSDNC技術)。在以往的研究中，對於非線性同步開關阻尼技術的半主動振動控制方法，壓電元件兩端的電壓翻轉都是對稱的，而對於需要電壓非對稱翻轉的壓電元件，例如壓電纖維複合材料MFC (MFC Macro Fiber Composite)等,該方法則有其局限性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了基於非對稱控制電路的結構振動半王動控制系統。本發明為實現上述發明目的採用如下技術方案
基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統，包括壓電驅動單元、非對稱控制電路、壓電傳感單元、系統電路；其中，所述壓電驅動單元包括至少一個貼設在被控制結構表面的第一壓電元件，所述非對稱控制電路包括第一二極體、電容、第一功率開關管，所述壓電傳感單元包括至少一個貼設在被控制結構表面的第二壓電元件，所述系統電路包括極值檢測單元、電感、開關單元、信號處理單元；
所述非對稱控制電路中第一二極體的一極與第一壓電元件連接，另一極與電容的一端連接；所述電容的另一端與第一壓電元件連接，所述第一功率開關管並連在第一二極體兩端，所述電感的一端與第一壓電元件的輸出端連接，另一端與開關單元的一端連接，開關單元的另一端與第一壓電元件的輸入端連接；所述極值檢測單元的輸入端與第二壓電元件連接，輸出端與開關單元連接；所述信號處理單元輸入端接極值檢測單元的輸出信號、第一壓電元件產生的電壓信號，輸出端與第一功率開關管的控制極連接。
所述基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統中，開關單元包括第二二極體、第三二極體、第二功率開關管、第三功率開關管；其中
所述第二二極體的陽極與第三二極體的陰極連接，陰極與第二功率開關管的一端連接；所述第二功率開關管的另一端與第三功率開關管的一端連接，所述第三功率開關管的另一端與第三二極體的陽極連接。所述基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統中，開關單元包括第二二極體、第三二極體、第二功率開關管、第三功率開關管、第一電壓源、第二電壓源；其中
所述第二二極體的陽極與第三二極體的陰極連接，陰極與第二功率開關管的一端連接；所述第二功率開關管的另一端與第一電壓源負極連接；所述第一電壓源的正極與第二電壓源負極連接；所述第二電壓源正極與第三功率開關管的一端連接，所述第三功率開關管的另一端與第三二極體的陽極連接。本發明採用上述技術方案，具有以下有益效果本發明利用在壓電元件兩端並聯
非對稱控制電路，實現壓電元件兩端電壓的非對稱翻轉，擴大了半主動振動控制中壓電元件可選擇的範圍，從而能夠對結構振動進行更有效地控制，在結構振動控制中具有廣泛地應用前景。
圖I為基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統的示意圖。圖2為具體實施例一的電路圖。圖3為實施例一被控結構振動位移、電壓與速度曲線圖。圖4為具體實施例二的電路圖。圖5為實施例二被控結構振動位移、電壓與速度曲線圖。
圖中標號說明M1、M2為第一、第二壓電元件，Kl為開關單元，L為電感，C為電容，D1-D3為第一至第三二極體，S1-S3為第一至第三功率開關管，UU U2為第一、第二直流電壓源，I為壓電驅動單元，2為非對稱控制電路，3為壓電傳感單元。
具體實施例方式下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明
如圖I所示的基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統，包括壓電驅動單元
I、非對稱控制電路2、壓電傳感單元3、系統電路。壓電驅動單元I包括至少一個貼設在被控制結構表面的第一壓電兀件Ml,非對稱控制電路2包括第一二極體D1、電容C、第一功率開關管SI，壓電傳感單元3包括至少一個貼設在被控制結構表面的第二壓電元件M2，系統電路包括極值檢測單元、電感L、開關單元K1、信號處理單元。第一二極體D1、電容C組成的串聯支路並聯在第一壓電元件Ml的兩端，第一功率開關管SI並連在第一二極體Dl兩端，電感L的一端與第一壓電元件Ml的輸出端連接，另一端與開關單元Kl的一端連接，開關單元Kl的另一端與第一壓電元件Ml的輸入端連接；極值檢測單元的輸入端與第二壓電元件M2連接，輸出端與開關單元連接；信號處理單元的輸入端接極值檢測單元的輸出信號、第一壓電元件(Ml)產生的電壓信號，輸出端與第一功率開關管SI的控制極連接。極值檢測單元為振動位移檢測裝置以及計算機測量系統，信號處理單元為開關觸發電路。振動位移檢測裝置將結構振動位移轉換為傳感信號，計算機測量系統監測傳感信號的極值點，方開關觸發電路方波信號以產生功率開關管的門極控制信號。當結構發生振動時，預先布置在結構上的第一壓電元件Ml和第二壓電元件M2上將產生由於結構振動感應的電壓信號，並且由於兩個壓電片布置在相同的位置，因此能夠感應相同的振動電壓信號。第一壓電元件Ml作為振動控制的驅動器，第二壓電元件M2作為振動控制電路中的傳感器。當結構振動的位移達到極值時，結構振動的位移極值檢測裝置將向開關輸出控制信號，迴路中的開關迅速閉合，由於第一壓電元件Ml —般可以等效為一個電容器，那麼開關閉合的同時壓電元件與迴路中的電感L將發生LC高頻共振，當共振振蕩半個周期時迅速斷開開關，此時第一壓電元件Ml上的電壓與開關閉合前反向，加入非對稱控制電路之後，由於第一二極體的作用，被控結構振動時產生的能量只能單向地對電容充電，保持第一開關斷開，僅在第一壓電元件Ml兩端電壓由負的極值變為O或第 一壓電元件Ml兩端電壓由正的極值變為O (第一二極體反向接入電路時)的時間裡，閉合第一功率開關管SI，可以實現第一壓電元件Ml兩端電壓的非對稱翻轉。當開關單元Kl開關斷開之後，第一壓電元件Ml上產生的電壓與結構振動的位移同相位，當結構振動的位移再次達到極值時，再合上開關，高頻振蕩半個周期後斷開開關。周而復始的控制第一功率開關管SI和開關單元Kl的運動，使得第一壓電元件Ml上產生的電壓始終與結構振動的速度方向反向，從而達到振動控制的目的。鑑於SSDS方法、SSDNC技術不涉及電壓的翻轉，本發明僅對SSDI、SSDV的電壓翻轉做舉例說明。具體實施例一
如圖2所示,基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統包括壓電驅動單元I、非對稱控制電路2、壓電傳感單元3、系統電路。壓電驅動單元I包括至少一個貼設在被控制結構表面的第一壓電兀件Ml,非對稱控制電路2包括第一二極體D1、電容C、第一功率開關管SI，壓電傳感單元3包括至少一個貼設在被控制結構表面的第二壓電元件M2，系統電路包括極值檢測單元、電感L、開關單元K1、信號處理單元。第一二極體Dl的陰極與第一壓電元件Ml連接，陽極與電容C 一端連接，電容C的另一端與第一壓電元件Ml連接，第一功率開關管SI並連在第一二極體Dl兩端，電感L的一端與第一壓電兀件Ml的輸出端連接,另一端與開關單兀Kl的一端連接,開關單兀Kl的另一端與第一壓電兀件Ml的輸入端連接；極值檢測單元的輸入端與第二壓電元件M2連接，輸出端與開關單元連接；信號處理單元的輸入端與極值檢測單元的輸出端連接，輸出端與第一功率開關管SI的控制極連接。此外，第一二極體Dl與電容C還可以這樣連接第一二極體Dl的陽極與第一壓電元件Ml連接，陰極與電容C一端連接。開關單元Kl包括第二二極體D2、第三二極體D3、第二功率開關管S2、第三功率開關管S3。其中第二二極體D2的陽極與第三二極體D3的陰極連接，陰極與第二功率開關管S2的一端連接；第二功率開關管S2的另一端與第三功率開關管S3的一端連接，第三功率開關管S3的另一端與第三二極體D3的陽極連接。第二二極體D2的陽極與第三二極體D3陰極的連接點即為開關單兀Kl與電感L連接的端子,第二功率開關管S2與第三功率開關管S3的連接點即為開關單元Kl與第一壓電元件Ml連接的端子。具體實例一可實現非對稱SSDI技術,並且電壓翻轉值正向絕對值較大,負向絕對值較小，具體實施例一被控結構振動位移、電壓和速度曲線圖如圖3所示。具體實施例一的控制過程當懸臂梁的位移由負的極大值變為正的極大值過程中，第一、第二、第三功率開關管SI、S2、S3均斷開，第一壓電元件Ml處於正向充電狀態，第一二極體Dl處於截止狀態，電容C未處於充電狀態，第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸達到正的極值，電容C兩端電壓不變；當位移達到正的極大值時，第二功率開關管S2閉合，第一、第三功率開關管SI、S3斷開，第一二極體Dl和第二二極體D2導通，第一壓電元件Ml與電感L構成高頻諧振迴路，第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸變為負值並達到絕對值最大，電容C處於正向充電狀態，兩端電壓逐漸達到極大值；LC振蕩半個周期後，第一、第二、第三功率開關管S1、S2、S3均斷開,第一壓電兀件Ml處於反向充電狀態,第一二極體Dl導通，電容C處於正向充電狀態，第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸達到反向極大值，電容C兩端電壓逐漸達到正向最大值；當位移達到負的極大值時，第一、第三功率開關管SI、S3閉合，第二功率
開關管S2斷開，第三二極體D3導通，第一壓電元件Ml與電感L構成高頻諧振迴路，同時第一壓電兀件Ml對電容C進行反向充電，電容C上電荷逐漸被中和，電壓趨於穩定值,第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸變為O ;當壓電元件兩端電壓變為O時，第三功率開關管S3閉合，第一、第二功率開關管SI, S2均斷開,第三二極體D3導通,第一壓電兀件Ml與電感L構成高頻諧振迴路，壓電元件兩端電壓逐漸變大，達到最大值時斷開第三功率開關管S3，電容C兩端電壓維持不變。具體實施例二
如圖4所示,基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統包括壓電驅動單元I、非對稱控制電路2、壓電傳感單元3、系統電路。壓電驅動單元I包括至少一個貼設在被控制結構表面的第一壓電兀件Ml,非對稱控制電路2包括第一二極體Dl、電容C、第一功率開關管SI，壓電傳感單元3包括至少一個貼設在被控制結構表面的第二壓電元件M2，系統電路包括極值檢測單元、電感L、開關單元K1、信號處理單元。第一二極體Dl的陽極與第一壓電元件Ml連接，陰極與電容C 一端連接，電容C的另一端與第一壓電元件Ml連接，第一功率開關管SI並連在第一二極體Dl兩端，電感L的一端與第一壓電兀件Ml的輸出端連接,另一端與開關單兀Kl的一端連接,開關單兀Kl的另一端與第一壓電兀件Ml的輸入端連接；極值檢測單元的輸入端與第二壓電元件M2連接，輸出端與開關單元連接；信號處理單元的輸入端與極值檢測單元的輸出端連接，輸出端與第一功率開關管SI的控制極連接。此外，第一二極體Dl與電容C還可以這樣連接第一二極體Dl的陰極與第一壓電元件Ml連接，陽極與電容C一端連接。開關單元Kl包括第二二極體D2、第三二極體D3、第二功率開關管S2、第三功率開關管S3、第一電壓源U1、第二電壓源U2。第二二極體D2的陽極與第三二極體D3的陰極連接，陰極與第二功率開關管S2的一端連接；第二功率開關管S2的另一端與第一電壓源Ul負極連接；第一電壓源Ul的正極與第二電壓源U2負極連接；第二電壓源U2正極與第三功率開關管S3的一端連接，第三功率開關管S3的另一端與第三二極體D3的陽極連接。第二二極體D2的陽極與第三二極體D3陰極的連接點即為開關單元Kl與電感L連接的端子，第一電壓源Ul正極與第二電壓源U2負極的連接點即為開關單元Kl與第一壓電元件Ml連接的端子。具體實例二可實現非對稱SSDV技術，並且電壓翻轉值負向絕對值較大，正向絕對值較小，具體實施例一被控結構振動位移、電壓和速度曲線圖如圖5所示。具體實施例二的控制過程當懸臂梁的位移由正的極大值變為負的極大值過程中，第一、第二、第三功率開關管SI、S2、S3均斷開，第一壓電元件Ml處於反向充電狀態，第一二極體Dl處於截止狀態，電容C未處於充電狀態，第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸達到負的極值，電容C兩端電壓不變；當位移達到負的極大值時，第三功率開關管S3閉合，第一、第二功率開關管SI、S2斷開，第一二極體Dl和第三二極體D3導通，第一壓電元件Ml與電感L構成高頻諧振迴路，第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸變為正值並達到絕對值最大，電容C處於反向充電狀態，兩端電壓逐漸達到極大值；LC振蕩半個周期後，第一、第二、第三功率開關管S1、S2、S3均斷開,第一壓電兀件Ml處於正向充電狀態,第一二極體Dl導通，電容C處於反向充電狀態，第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸達到正向極大值，電容C兩端電壓逐漸達到反向最大值；當位移達到正的極大值時，第一、第二功率開關管SI 、S2閉合，第三功率開關管S3斷開，第二二極體D2導通，第一壓電元件Ml與電感L構成高頻諧振迴路，同時第一壓電兀件Ml對電容C進行正向充電，電容C上電荷逐漸被中和，電壓趨於穩定值,第一壓電元件Ml兩端電壓逐漸變為O ;當壓電元件兩端電壓變為O時，第二功率開關管S2閉合，第一、第三功率開關管SI, S3均斷開,第二二極體D2導通,第一壓電兀件Ml與電感L構成高頻諧振迴路，壓電元件兩端電壓逐漸變大，達到最大值時斷開第二功率開關管開關S2，電容C兩端電壓維持不變。綜上所述，本發明所述的基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統利用在壓電元件兩端並聯非對稱控制電路，實現壓電元件兩端電壓的非對稱翻轉，擴大了半主動振動控制中壓電元件可選擇的範圍，從而能夠對結構振動進行更有效地控制，在結構振動控制中具有廣泛地應用前景。
權利要求
1.基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統，其特徵在於包括壓電驅動單元(I)、非對稱控制電路(2)、壓電傳感單元(3)、系統電路；其中，所述壓電驅動單元(I)包括至少一個貼設在被控制結構表面的第一壓電元件(M1)，所述非對稱控制電路(2)包括第一二極體(D1)、電容(C)、第一功率開關管(SI)，所述壓電傳感單元(3)包括至少一個貼設在被控制結構表面的第二壓電元件(M2)，所述系統電路包括極值檢測單元、電感(L)、開關單元(Kl)、信號處理單元； 所述非對稱控制電路(2)中第一二極體(Dl)的一極與第一壓電元件* (Ml)連接，另一極與電容(C)的一端連接；所述電容(C)的另一端與第一壓電元件(Ml)連接，所述第一功率開關管(SI)並連在第一二極體(Dl)兩端，所述電感(L)的一端與第一壓電元件(Ml)的輸出端連接，另一端與開關單元(Kl)的一端連接，開關單元(Kl)的另一端與第一壓電元件(MD的輸入端連接；所述極值檢測單元的輸入端與第二壓電元件(M2)連接，輸出端與開關單元連接；所述信號處理單元輸入端接極值檢測單元的輸出信號、第一壓電元件(Ml)產生的電壓信號，輸出端與第一功率開關管(SI)的控制極連接。
2.根據權利要求I所述的基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統，其特徵在於所述開關單元(Kl)包括第二二極體(D2)、第三二極體(D3)、第二功率開關管(S2)、第三功率開關管(S3);其中 所述第二二極體(D2)的陽極與第三二極體(D3)的陰極連接，陰極與第二功率開關管(S2)的一端連接；所述第二功率開關管(S2)的另一端與第三功率開關管(S3)的一端連接，所述第三功率開關管(S3)的另一端與第三二極體(D3)的陽極連接。
3.根據權利要求I所述的基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統，其特徵在於所述開關單元(Kl)包括第二二極體(D2)、第三二極體(D3)、第二功率開關管(S2)、第三功率開關管(S3)、第一電壓源(U1)、第二電壓源(U2);其中 所述第二二極體(D2)的陽極與第三二極體(D3)的陰極連接，陰極與第二功率開關管(S2)的一端連接；所述第二功率開關管(S2)的另一端與第一電壓源(Ul)負極連接；所述第一電壓源(Ul)的正極與第二電壓源(U2)負極連接；所述第二電壓源(U2)正極與第三功率開關管(S3)的一端連接，所述第三功率開關管(S3)的另一端與第三二極體(D3)的陽極連接。
全文摘要
本發明公開了基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統。所述基於非對稱控制電路的結構振動半主動控制系統包括壓電驅動單元、非對稱控制電路、壓電傳感單元、系統電路，非對稱控制電路由串聯連接的二極體、電容，以及並聯在二極體兩端的開關組成。本發明通過改變系統電路中開關單元的組成，實現SSDI、SSDV技術中壓電元件兩端電壓的非對稱翻轉，擴大了半主動振動控制中壓電元件可選擇的範圍，對結構振動進行更有效地控制，在結構振動控制中具有廣泛地應用前景。
文檔編號G05D19/02GK102880198SQ20121031211
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者季宏麗, 裘進浩, 張錦, 袁明, 吳義鵬 申請人:南京航空航天大學