一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统及方法，该系统包括激光位移传感器、数据采集器、控制计算模块、闭环放大模块和压电作动器，激光位移传感器采集被控支杆法向振动位移，法向振动位移信号通过数据采集器转换为法向振动位移数字量，法向振动位移数字量作为反馈控制输入送到控制计算模块，在控制计算模块中进行PID控制得到作动控制电压信号，该信号经过放大后驱动压电作动器产生作动力增加系统结构阻尼，对风洞实验中支杆的振动进行抑制，降低风洞启动冲击载荷对模型的冲击带来的支杆振动、保护风洞测试装置和被测模型结构、提高动态风洞实验数据信噪比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术应用领域为地面风洞实验，涵盖实验装置振动抑制系统及方法，属于空气动力学及航天航空工程领域。
技术介绍
在地面风洞实验过程中，暂冲式风洞启动时，由于气流的冲击作用，使得实验模型及支杆承受很大的动态冲击载荷，一般为静态的3～5倍。对暂冲式风洞来说，在启动阶段，无法避免会出现这样的动态载荷引起的冲击，这样的载荷会引起采集信号信噪比降低，给被测设备的风洞实测试带来额外误差，偏离真实物理过程，在极端情况下还会导致风洞内被测模型或风洞测试用支杆内的天平破坏，一旦天平被破坏，更换和维修天平非常麻烦而且费用也非常昂贵。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统及方法，解决风洞试验装置中的被测模型或风洞测试用支杆相连的天平被动态冲击载荷破坏和降低风洞测试信噪比的问题，提高风洞测试装置和被侧模型结构安全性及信噪比，从而提高测试精度。本专利技术的技术方案为：一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，该系统包括激光位移传感器、数据采集器、控制计算模块、闭环放大模块和压电作动器，激光位移传感器用来测量被控支杆上预设位移监测点的法向振动位移并转换为法向振动位移电压信号，该法向振动位移电压信号输入到数据采集器中进行采样和模数转换，转换为法向振动位移数字量，并将法向振动位移数字量发送给控制计算模块，在控制计算模块中进行PID控制得到作动控制电压信号，将作动控制电压信号发送给闭环放大模块，闭环放大模块将作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压，安装在被控支杆上的压电作动器在作动驱动电压的驱动下产生作动力，增加支杆系统结构阻尼，抑制被控支杆的振动。所述位移监测点设置在被控支杆最大振动点处。所述压电作动器为压电陶瓷作动器。所述压电作动器在被控支杆上的位置根据风洞实验预控模态应力确定。所述压电作动器安装在被控支杆上风洞实验预控模态最大应力点处。当风洞实验欲控模态为二阶振动模态或多阶振动模态时，所述压电作动器安装在被控支杆上风洞实验预控模态最大应力点和次大应力点处。该系统还包括加速度传感器，所述加速度传感器靠近被控支杆上位移监测点，实时采集支杆加速度测试点的加速度电压信号，该加速度电压信号经过数据采集器采样和模数转换，转换成数字量输出给控制计算模块，在控制计算模块中实时显示出来，用来实时监控和评估振动抑制效果。一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，该方法包括如下步骤：(1)根据选择的压电作动器的形式和应变系数，结合压电作动器在被控支杆上的安装形式，建立压电作动器驱动压电堆的驱动力控制方程；(2)根据步骤(1)所得的驱动力控制方程计算压电作动器对被控支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx；(3)结合有限元分析方法和模态控制方法，对风洞实验欲控模态进行有限元模拟仿真分析，确定欲控模态的最大应力点位置，将压电作动器安装在被控支杆最大应力点；(4)分析以位移响应作为反馈信号，通过增加被控支杆阻尼来实现振动响应控制，建立基于PID控制模型的动力学反馈控制方程，设置阻尼控制增益系数和刚度控制增益系数；(5)采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号；(6)对法向振动位移电压信号进行采样和模数转换，转换为被控支杆监测点的法向振动位移数字量；(7)根据包含了压电作动器的被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵，步骤(2)所得到的压电作动器对支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx，步骤(6)中所得到的法向振动位移数字量，根据步骤(4)所建立的闭环反馈系统动力学控制方程和步骤(4)中设置的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，通过PID控制，得到作动控制电压；(8)将作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压信号，压电作动器在作动驱动电压信号的驱动下产生作动力，抑制被控支杆的振动；(9)重复上述步骤(5)～步骤(8)，直至被控支杆振动减小至稳定状态，记录振动响应曲线；(10)分析振动响应曲线，判断振动抑制结果是否满足减振要求技术指标，如果满足要求，则确定阻尼控制增益系数和刚度控制增益系数参数组合；否则，调整阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，重复上述步骤(4)～步骤(9)，直至振动抑制结果满足减振要求技术指标。一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，该方法包括如下步骤：(1)根据选择的压电作动器的形式和应变系数，结合压电作动器在被控支杆上的安装形式，建立压电作动器驱动压电堆的驱动力控制方程；(2)根据步骤(1)所得到的驱动力控制方程计算压电作动器对被控支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx；(3)结合有限元分析方法和模态控制方法，对风洞实验欲控模态进行有限元模拟仿真分析，当风洞实验欲控模态为二阶振动模态或多阶振动模态时，确定被控支杆欲控模态的最大应力点和次大应力点的位置，将压电作动器分别安装在被控支杆上预控模态的最大应力点和次大应力点处；(4)分析以位移响应作为反馈信号，通过增加被控支杆阻尼来实现振动响应控制，建立两个基于PID控制模型的动力学反馈控制方程，分别设置每个方程中的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数；(5)采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号；(6)对法向振动位移电压信号进行采样和模数转换，转换为被控支杆监测点的法向振动位移数字量；(7)根据包含了压电作动器的被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵，步骤(2)所得到的压电作动器对支杆产生的驱动力项PB、压电作动器对支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动器对支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx，步骤(6)中所得到的法向振动位移数字量，根据步骤(4)所建立的两个闭环反馈系统动力学控制方程和每个方程的阻尼控制增益系数、刚度控制增益系数，对二阶或多阶振动模态进行控制，得到两个压电作动器的压电控制电压；(8)将每个作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压信号，每个压电作动器在各自作动驱动电压信号的驱动下产生作动力，抑制被控支杆的振动；(9)重复上述步骤(5)～步骤(8)，直至被控支杆振动减小至稳定状态，记录振动响应曲线；(10)分析振动响应曲线，判断振动抑制结果是否满足减振要求技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于包括激光位移传感器、数据采集器、控制计算模块、闭环放大模块和压电作动器，激光位移传感器用来测量被控支杆上预设位移监测点的法向振动位移并转换为法向振动位移电压信号，该法向振动位移电压信号输入到数据采集器中进行采样和模数转换，转换为法向振动位移数字量，并将法向振动位移数字量发送给控制计算模块，在控制计算模块中进行PID控制得到作动控制电压信号，将作动控制电压信号发送给闭环放大模块，闭环放大模块将作动控制电压信号放大后得到作动驱动电压，安装在被控支杆上的压电作动器在作动驱动电压的驱动下产生作动力，增加支杆系统结构阻尼，抑制被控支杆的振动。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系统，其特征在于包括激光
位移传感器、数据采集器、控制计算模块、闭环放大模块和压电作动器，激光
位移传感器用来测量被控支杆上预设位移监测点的法向振动位移并转换为法向
振动位移电压信号，该法向振动位移电压信号输入到数据采集器中进行采样和
模数转换，转换为法向振动位移数字量，并将法向振动位移数字量发送给控制
计算模块，在控制计算模块中进行PID控制得到作动控制电压信号，将作动控
制电压信号发送给闭环放大模块，闭环放大模块将作动控制电压信号放大后得
到作动驱动电压，安装在被控支杆上的压电作动器在作动驱动电压的驱动下产
生作动力，增加支杆系统结构阻尼，抑制被控支杆的振动。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系
统，其特征在于所述位移监测点设置在被控支杆最大振动点处。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系
统，其特征在于所述压电作动器为压电陶瓷作动器。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系
统，其特征在于所述压电作动器在被控支杆上的位置根据风洞实验预控模态应
力确定。
5.根据权利要求4所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系
统，其特征在于所述压电作动器安装在被控支杆上风洞实验预控模态最大应力
点处。
6.根据权利要求4所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系
统，其特征在于当风洞实验欲控模态为二阶振动模态或多阶振动模态时，所述
压电作动器安装在被控支杆上风洞实验预控模态最大应力点和次大应力点处。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制系
统，其特征在于还包括加速度传感器，所述加速度传感器靠近被控支杆上位移

\t监测点，实时采集支杆加速度测试点的加速度电压信号，该加速度电压信号经
过数据采集器采样和模数转换，转换成数字量输出给控制计算模块，在控制计
算模块中实时显示出来，用来实时监控和评估振动抑制效果。
8.一种基于压电技术的风洞实验支杆振动抑制方法，其特征在于包括如下
步骤：
(1)根据选择的压电作动器的形式和应变系数，结合压电作动器在被控支
杆上的安装形式，建立压电作动器驱动压电堆的驱动力控制方程；
(2)根据步骤(1)所得的驱动力控制方程计算压电作动器对被控支杆产
生的驱动力项PB、压电作动器对被控支杆产生附加弯曲刚度影响Kpz及压电作动
器对被控支杆产生的附加轴向刚度影响Kpx；
(3)结合有限元分析方法和模态控制方法，对风洞实验欲控模态进行有限
元模拟仿真分析，确定欲控模态的最大应力点位置，将压电作动器安装在被控
支杆最大应力点；
(4)分析以位移响应作为反馈信号，通过增加被控支杆阻尼来实现振动响
应控制，建立基于PID控制模型的动力学反馈控制方程，设置阻尼控制增益系
数和刚度控制增益系数；
(5)采集被控支杆位移监测点的法向振动位移电压信号；
(6)对法向振动位移电压信号进行采样和模数转换，转换为被控支杆监测
点的法向振动位移数字量；
(7)根据包含了压电作动器的被控支杆的质量、阻尼、刚度矩阵，步骤(2)
所得到的压电作动器对支杆产生的驱动力项PB、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕计男，侯英昱，付志超，刘子强，郭力，陈农，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11