基于压电阵列的主被动一体式智能阻尼器的研究

作     者：张凯凯 

作者单位：盐城工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：卢倩;梁瑞宇

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：微振动 压电阵列 阻尼器 动力学模型 模糊自适应PID 

摘      要：在精密机械系统中,微振动会对机构的运动精度、结构寿命、工作稳定性等产生重要影响,如在深空探测中,探测器会受到宇宙中太阳风、引力场及卫星内部动量轮、力矩陀螺等引起的微振动干扰,导致卫星的稳定性下降,影响其探测性能。再如在散射型近场扫描光学显微镜系统中,外部环境的扰动会使内部探针结构产生微振动,影响其成像质量。故对微振动实现有效的抑制能大大提高精密系统的性能。本文针对微振动具有的特点,引入了压电阵列结构,设计了基于压电阵列的主被动一体式智能阻尼器,建立了阻尼器隔振系统动力学模型,选取模糊自适应PID控制算法对阻尼器进行主动控制,搭建了实验平台,测试了阻尼器的实际性能。主要工作如下:首先针对微振动具有多自由度宽频域的特点,提出了利用压电阵列结构来代替原有的单个压电致动单元以提高阻尼器对微振动的隔振性能。通过分析被动隔振和主动隔振各自的优缺点,将被动隔振和主动隔振相结合,设计了一种基于压电阵列的主被动一体式智能阻尼器。该阻尼器具有易于拆装、结构紧凑、质量相对较小的优点。其次对阻尼器的结构进行了分析,分别建立了阻尼器内部的运动学及动力学模型。通过分析阻尼器内部结构,得到阻尼器的等效机构模型,通过使用空间几何求解了阻尼器内部各部件间的运动位移关系,通过使用拉格朗日动力学建立了阻尼器内部刚体结构的动力学模型,使用复刚度模型对橡胶被动部分进行了建模,分析了阻尼器主动阻尼部分的等效刚度,最终建立了阻尼器隔振系统总的动力学模型,通过仿真验证了模型的有效性。再次根据阻尼器的控制需求,完成了阻尼器控制系统的设计。通过分析阻尼器控制需求,建立了阻尼器的控制系统,选择使用模糊自适应PID反馈闭环控制算法,并对算法的设计及实现过程进行了详细说明,通过使用MATLAB软件对控制系统进行了仿真,验证了控制算法对本文所设计的阻尼器隔振系统的有效性。最后搭建了阻尼器的实验平台,完成了对阻尼器性能的测试。实验结果表明设计的基于压电阵列的主被动一体式智能阻尼器输出性能良好,在5-200Hz的低频段能实现对振动的有效隔离,振动衰减率平均为60%。当振动频率在150Hz以下时,主动隔振能发挥良好的隔振效果,振动频率在150Hz以上时,主动隔振效果稍有下降,但被动隔振效果提升,使得阻尼器依然保持了较好的隔振性能。