一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统及方法

技术领域

本发明涉及结构工程及振动控制技术领域，具体而言，涉及一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统及方法。

背景技术

筒体壳结构是土木工程领域、船舶与海洋工程领域和航空航天等领域常见的结构型式，筒体壳结构广泛应用于风电塔、工程设备及管道、船舶艇体、火箭飞机等工业领域。

然而，筒体结构在各种复杂荷载作用下会产生振动问题，过度的振动不仅会导致工作人员的极度不舒适，还会降低结构的寿命，严重时甚至会导致结构及其构件的破坏，从而导致人员伤亡和经济损失。

为改善筒体结构在复杂荷载作用下的振动问题，多年来学者们针对该问题进行了很多研究，绝大多数学者都是从筒体结构自身出发，通过改变结构形式和细节构造，以及增设加劲横纵肋等方法来减小筒体结构的振动，但是减振的效果有限，仍不能满足减振需求。

发明内容

鉴于此，本发明的第一目的在于提供一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统，该筒体结构主动减振系统通过将压电叠堆作动器环绕筒体结构布置，利用传感器系统捕获筒体结构的振动信息以及外部荷载信息，传递给控制系统，通过控制系统施加控制信号给压电叠堆，改变作用在筒体结构上的控制力，进而实现筒体结构的主动减振。

本发明的第二目的在于提供一种筒体结构主动减振方法，该筒体结构主动减振方法通过智能控制模型对筒体结构进行分析，并根据传感系统获取的筒体结构的振动信息以及外部荷载信息产生控制信号，控制信号作用于压电叠堆作动器上，改变作用在筒体结构上的作动力，实现对筒体结构的主动减振。

本发明提供一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统，包括：

筒体结构、控制组件；其中，所述控制组件包括压电叠堆作动器、传感系统、控制系统；所述压电叠堆作动器环绕安装在所述筒体结构的外圆周上，并对外圆周施加有一定的预压应力；所述预压应力的施加方法采用机械啮合或液压顶升方式实现；

所述传感系统安装设置在筒体结构上，用于采集筒体结构的状态信息；

所述控制系统分别与所述传感系统、压电叠堆作动器信号连接；所述控制系统接收所述传感系统传递的信息，产生相应的控制信号传送至所述压电叠堆作动器，控制压电叠堆作动器作用在筒体结构上控制力。

压电叠堆作动器以压电陶瓷为原材料，其所具有的压电特性使得作动器性能出色，能耗小、频响快、储能大。并且，目前陶瓷制作工艺已经可以满足很大范围的尺寸设计要求，既可以做成毫米、微米级别的厚度，又可以胶叠成块，灵活组合，以满足不同工况下的使用需求。

可选地，所述控制系统与所述传感系统之间通过电路或无线信号传输系统实现信号连接。

进一步地，所述控制系统与所述压电叠堆作动器之间电性连接有高压放大器，所述控制系统的控制信号经过所述高压放大器进行信号放大后传入压电叠堆作动器。

进一步地，所述传感系统包括：传感器、信号处理器，所述传感器与所述信号处理器信号连接，所述传感器的输出信号经过所述信号处理器处理之后传入所述控制系统；

所述控制系统包括：控制器、存储单元，所述控制器与所述存储单元之间通信连接。

进一步地，所述传感器的类型包括：加速度传感器、速度传感器、压力传感器、位移传感器、应变传感器、应力传感器中的任一种或多种的组合。

上述各种传感器在实施主动减振操作时可单独使用，也可多种传感器联合使用。

进一步地，所述筒体结构的结构型式为：

在筒体内侧和/或外侧沿筒体的横截面方向布置有加强肋板的型式、无加强肋板的型式中的任一种。

本发明还提供一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法，应用于如上述所述的基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统，包括以下步骤：

S1、建立筒体结构的有限元分析模型，基于所述有限元分析模型分析筒体结构在外荷载下的动力特征，将所述压电叠堆安装在所述筒体结构的动力响应大的位置；

S2、根据所述有限元模型分析得到减振所需控制力的大小范围，设计合适规格的压电叠堆作动器；

S3、计算推导所述压电叠堆作动器的压电陶瓷片对外作动力以及压电叠堆对外作动力，并基于所述压电陶瓷片对外作动力以及压电叠堆对外作动力进行压电叠堆作动器的参数识别，建立压电叠堆作动器的力--电参数模型；

S4、根据外部荷载条件建立主动控制模型，并将所述主动控制模型输入到所述控制系统中；

S5、获取所述控制系统的前馈信息和反馈信息，并根据所述前馈信息和反馈信息控制所述压电叠堆作动器施加在所述筒体结构上的作动力。

进一步地，所述S3步骤的计算推导压电陶瓷片对外作动力的表达式为：

式(1)中，σ′为压电陶瓷片输出应力，A为压电陶瓷片面积，h为压电陶瓷片厚度，

进一步地，所述S3步骤的计算推导压电叠堆对外作动力的表达式为：

F＝nK

式(2)中，n为压电陶瓷片数，K

进一步地，所述S5步骤的所述反馈信息为所述筒体结构的实时状态信息，所述前馈信息为筒体结构的外部激励信息。

本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、可读存储介质、处理器及存储在存储器、可读存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法的步骤

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统采用压电叠堆作为作动器提供控制力，能耗小、频响快、储能大；压电陶瓷的陶瓷制作工艺可满足大范围的尺寸设计要求，既可做成毫米、微米级别的厚度，又可胶叠成块，灵活组合，能够满足不同工况下的使用需求，适用范围得到大幅提升，能够有效解决筒体结构主动减振的技术难题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无加强肋筒体的压电叠堆布置示意图；

图3为本发明实施例提供的带加强肋筒体的压电叠堆布置示意图；

图4为本发明实施例提供的主动减振方法的流程图；

图5为本发明一种基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法的流程图；

图6为本发明实施例计算机设备的构成示意图。

附图图中标记表示为：

1-筒体结构； 2-加强肋翼板；

3-压电叠堆作动器； 4-传感器；

5-信号处理器； 6-控制系统；

7-计算机； 8-高压放大器；

9-固定外环； 10-弹性支座；

11-加强肋腹板。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

结合附图对本发明实施例的具体实施步骤说明如下：

参阅图2、图3所示，本发明实施例设计了无加强肋和带加强肋两种筒体结构的压电叠堆作动器安装布置方式，虽然两种安装布置方式不同，但减振原理相同，因此统一采用一个实施例进行说明。

参见图1所示，包括筒体结构1和控制组件；所述控制组件包括压电叠堆作动器3，传感系统以及控制系统；所述控制系统包括控制器和存储单元；所述传感系统包括传感器4和信号处理器5；所述压电叠堆作动器3安装在筒体结构1上，并施加一定的预压应力；所述传感器4安装在筒体结构1上，采集筒体结构1的状态信息；所述传感器4与信号处理器5连接，信号处理器5与控制系统6连接，控制系统6和高压放大器8连接，并最终与压电叠堆作动器3连接形成闭环控制。压电叠堆作动器3根据接收到的控制系统传来的控制信号伸长或缩短，进而控制作用在筒体结构1上的控制力大小，实现筒体结构1的主动减振。

参见图2所示，在无加强肋筒体结构中，压电叠堆作动器3通过固定外环9固定连接在筒体结构1上；固定外环9为闭合的钢制圆环，并通过弹性支座10固定连接在筒体结构1上，弹性支座10在固定固定外环9的同时能够自由伸长。固定外环10安装完成后，将压电叠堆作动器3在筒体结构1的外圆周上均匀布设安装，并通过预应力装置施加一定数值的预压力。压电叠堆作动器3的数量根据实际需要确定。

参见图3所示，在有加强肋筒体结构中，加强肋包括：加强肋翼板2、加强肋腹板11，加强肋翼板2与加强肋腹板11均设置在筒体结构1的外侧，加强肋翼板2与筒体结构1的外圆柱面为同心圆，加强肋腹板11与筒体结构1的横截面平行；压电叠堆作动器3安装设置在筒体结构1与加强肋翼板2之间，压电叠堆作动器3的长度方向与加强肋腹板3平行。压电叠堆作动器3安装完成后，通过预应力施加装置施加一定数值的预压力，同时压电叠堆作动器3的数量根据实际需要确定。

本实施例的主动减振系统用于解决筒体结构在复杂荷载作用下的过度振动问题。其中，筒体结构1为横截面均为圆形的筒体结构，如圆锥壳体、喇叭形壳体、带肋圆柱壳、带肋圆锥壳体、带肋喇叭形壳体等。

本实施例中，传感器4为加速度传感器和压力传感器联合使用，分别用以获取筒体结构1的振动加速度和外部激励信息。

本实施例中，传感器4的信号经过信号处理器5处理后，经电路连接传输至控制系统6中，在经过控制系统6中的存储的控制算法计算后输出控制信号，控制信号经过高压放大器8以后作用于压电叠堆作动器3，并施加相应的控制力作用于筒体结构3。另外，控制系统6还连接有计算机7，用于将预定的控制程序输入到控制系统7中。

本发明实施例还提供一种应用于上述筒体结构主动减振系统的主动减振方法，参见图5所示，包括以下步骤：

S1、建立筒体结构的有限元分析模型，基于所述有限元分析模型分析筒体结构在外荷载下的动力特征，将所述压电叠堆安装在所述筒体结构的动力响应大的位置；

S2、根据所述有限元模型分析得到减振所需控制力的大小范围，设计合适规格的压电叠堆作动器；

S3、计算推导所述压电叠堆作动器的压电陶瓷片对外作动力以及压电叠堆对外作动力，并基于所述压电陶瓷片对外作动力以及压电叠堆对外作动力进行压电叠堆作动器的参数识别，建立压电叠堆作动器的力--电参数模型；

所述计算推导压电陶瓷片对外作动力的表达式为：

式(1)中，σ′为压电陶瓷片输出应力，A为压电陶瓷片面积，h为压电陶瓷片厚度，

所述S3步骤的计算推导压电叠堆对外作动力的表达式为：

F＝nK

式(2)中，n为压电陶瓷片数，K

S4、根据外部荷载条件建立主动控制模型，并将所述主动控制模型输入到所述控制系统中；

其中，根据外部荷载条件建立智能控制模型的方法包括：

当外部条件随时间变化时，通过筒体结构1上的反馈信息，编写相应的主动控制算法。

所述编写主动控制算法的方法包括以下步骤：

首先建立基于压电叠堆作动器3的筒体结构状态方程：

Z′(t)＝AZ(t)+BU(t)+DF(t)Z(t

Y(t)＝C

式(3)中，Z(t)∈R

定义系统的二次型性能泛函为：

式(4)中，T表示转置；

式(4)中，Q和R为控制参数：

R＝βE (5)

式(5)中，α、β为待定系数，E为单位矩阵，K和M分别是被控筒体结构的质量矩阵和刚度矩阵。

由Matlab中的自带lqr函数求解连续状态方程的控制力状态反馈增益矩阵：

G＝lqr(A,B,Q,R)(6)

通过调节式(6)中控制参数Q和R的大小，即可获得控制效果和控制力综合最优的主动控制力。

在计算出所需控制力大小后，将计算的控制力作为步骤S3建立的压电叠堆作动器4参数模型中的期望输出力，进而输出控制电压作为控制信号。

所述压电叠堆作动器4的“力--电”参数模型为：

F＝αδKU (7)

式(7)中，F为期望输出力；α为压电叠堆作动器空载状态时的电压-位移增益系数；δ为压电叠堆作动器的有效约束值，根据约束形式不同存在差异；U为输入压电叠堆作动器电压；

主动控制算法编制完成后，通过计算机7输入控制系统6中，完成控制系统的输入。

S5、获取所述控制系统的前馈信息和反馈信息，并根据所述前馈信息和反馈信息控制所述压电叠堆作动器施加在所述筒体结构上的作动力。

其中，所述反馈信息为所述筒体结构的实时状态信息，所述前馈信息为筒体结构的外部激励信息。

图4为本实施例的主动减振方法的流程示意。

综上所诉，本发明实施例的基于压电叠堆的筒体结构主动减振系统及方法，将压电叠堆引入到筒体结构减振，并完成主动减振系统的设计；本实施例提供了一种主动控制算法，通过捕获结构本身及外部激励的振动信息，然后控制系统输出控制信号，压电叠堆作动器在接收到控制信号后，通过压电叠堆作动器的伸长或缩短来增大或减小作用在筒体结构上的控制力，进而实现对筒体结构的主动减振，为解决筒体结构主动减振难题提供了一种可行方案。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，图6是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；参见附图图6所示，该计算机设备包括：输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21；所述存储器22，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器21执行，使得所述一个或多个处理器21实现如上述实施例提供的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法；其中输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。

存储器22作为一种计算设备可读写存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例所述的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法对应的程序指令；存储器22可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等；此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件；在一些实例中，存储器22可进一步包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置23可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入；输出装置24可包括显示屏等显示设备。

处理器21通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法。

上述提供的计算机设备可用于执行上述实施例提供的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法，具备相应的功能和有益效果。

本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述实施例提供的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法，存储介质是任何的各种类型的存储器设备或存储设备，存储介质包括：安装介质，例如CD-ROM、软盘或磁带装置；计算机系统存储器或随机存取存储器，诸如DRAM、DDRRAM、SRAM、EDO RAM，兰巴斯(Rambus)RAM等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的存储器组件等；存储介质可以还包括其它类型的存储器或其组合；另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的第一计算机系统中，或者可以位于不同的第二计算机系统中，第二计算机系统通过网络(诸如因特网)连接到第一计算机系统；第二计算机系统可以提供程序指令给第一计算机用于执行。存储介质包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机系统中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。

当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上实施例所述的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法，还可以执行本发明任意实施例所提供的基于压电叠堆的筒体结构主动减振方法中的相关操作。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。