压电智能结构的一类非线性控制器设计方法

根据重置微分方程理论,提出了压电智能结构的一类非线性振动控制器设计方法.通过模拟压电分流阻尼开关系统的作用效果,设计了一个满足Lyapunov稳定性的非线性控制器,建立了被控系统的动力学模型,研究了控制器的控制算法,模拟电路中电感、电阻的数值以及开关的作用仅仅作为数学表达式存在于控制器的设计中,克服了被动压电分流阻尼技术存在要求大物理电感的缺陷,同时提高了控制器的环境适应性.悬臂梁的数值仿真结果表明控制器不仅能够较好地控制被控目标模态,而且对其它模态也有一定的抑制效果.     

压电分流阻尼的虚拟实现

提出压电分流阻尼技术的虚拟实现方法,用主动控制的方法来真实地模拟被动压电分流阻尼器的效果。利用压电分流阻尼系统的动力学基本方程设计反馈控制器,建立相应于LR串联分支电路的反馈控制结构,整个闭环控制系统稳定或渐进稳定。虚拟实现方法避免了大电感的要求,可以在线调节电感和电阻的数值以适应环境的变化,克服了物理压电分流阻尼器的两大缺陷。数值仿真结果表明,虚拟实现方法能够有效地控制连续结构的振动。     

基于分步耦合的压电分流薄板动力学建模与分析

为了有效实施压电分流阻尼减振,创建一个能预估其减振效果的动力学分析模型以指导减振设计.根据压电分流薄板结构,提出了一种将基体结构和分流电路分别建模并通过压电片将二者耦合起来的分步耦合建模方法.在ANSYS软件平台上,详细描述了面向压电分流薄板结构采用分步耦合法的建模流程.实验验证了建模方法的合理性,压电分流阻尼对结构具有较好的减振效果,降低共振响应幅度可达50%以上.分析了电感值、压电片贴敷位置、压电片面积等参数对薄板振动响应的影响.结果表明:对于电阻-电感串联及并联分流电路,存在一个最优的电感值可使薄板减振效果最优;压电片贴在变形较大的区域及增大压电片尺寸对减振有利.     

压电陶瓷片与多种电路机电耦合的阻尼特性

为研究压电陶瓷片与不同外界电路并联耦合时的阻尼特性,建立了2种不同情况下并联压电陶瓷的阻尼特性模型。将并联压电陶瓷应用于悬臂梁振动系统,建立了4种不同条件下的传递函数模型,采用数值仿真方法研究了不同外界电路条件下,并联压电陶瓷对系统振动的影响,从一定角度验证了理论模型的正确性。仿真结果表明,压电陶瓷片与电阻负电容串连电路耦合时,具有较大的带宽,并能产生最大的阻尼。这种耦合方式可成为用于结构振动抑制的被动控制方法。     

基于压电分支阻尼的多模态电路被动控制的研究和应用

该文对基于压电阻尼技术的结构多模态振动控制进行了探讨和研究,从理论上对其能量转换技术,即压电阻塞电流分支电路原理及其优化电路进行了分析和说明.最后以根部粘贴有压电陶瓷片的悬臂梁结构为例,设计了相应的阻塞电流分支电路,并对该结构的一阶和二阶模态振动控制进行了实验研究和数据分析.结果表明:可以对2个振动模态同时进行衰减,减振效果良好.     

弹性基础梁振动的负电容控制

将电路中负电容可用来抵消压电片容抗、耗散能量的特性引入到弹性基础梁的振动控制研究中.基于Winkler基础梁建立了分支压电阻尼系统模型,设计了负电容控制系统,并用H2范数优化控制理论对阻尼进行了优化设计.通过算例证实了该系统具有较好的控制效果.与未采用负电容的结果进行比较,说明了采用负电容电路的优越性,并为探索负电容在振动控制中的应用前景提供了参考.     

基于能量准则的梁振动控制的LQR方法

针对压电层合结构振动的LQR控制方法，为了改善结构振动控制的效果，对选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的算法作了初步研究，为LQR方法中的权系数矩阵(矩阵Q和R)的选取提供了一定的理论依据．运用该算法对压电层合梁的振动控制进行了分析计算，结果表明，该方法能达到有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的．     

智能桁架结构振动阻尼控制研究

研究利用压电主动构件实现智能桁架结构阻尼控制的技术．控制方法采用局部积分力反馈,将压电主动构件的弹性内力经积分器反馈,以此获得施加于压电主动构件上的驱动电压,达到智能桁架结构闭环阻尼控制的目的．这种控制方法具有良好的稳定性和鲁棒性．通过一个空间桁架结构的控制实验,结果表明,该控制方法是有效的,可获得较大的结构模态阻尼．     

具有自适应电感共享策略的压电能量收集电路设计与实现

针对以电池为能量供给的传感设备必然存在因电池寿命的限制或自身电能的逐渐耗尽而造成的失效问题，提出了一种具有自适应电感共享策略的压电振动能量收集电路，通过将环境中的机械振动能量最大化地转换为电能并供给传感设备使用，可实现传感设备的无电池自获能供电，并大幅延长传感设备的使用寿命。该能量收集电路在原有并联电感的同步开关收集电路结构和buck-boost功率级拓扑的阻抗匹配变换器结构基础上，通过建立“先到先得”的自适应电感共享策略，避免了仲裁器的使用，大幅简化了电路设计，并实现了仅需单一电感的压电振动能量收集系统，提升了系统的集成度。此外，对电感共享造成的竞争给出了详细分析，并在此基础上进一步优化了整体电路，实现了最大功率点追踪算法。采用标准180 nm CMOS工艺，完成了压电能量收集电路的设计工作。仿真结果表明：bias-flip整流器在2 V和3 V开路电压激励下，输出功率分别达到了55.01μW和111.59μW,较传统全桥整流器，分别实现了6.40倍和4.48倍的输出功率提升；引入电感共享策略后，变换器的最大输出功率可达110.04μW,相比于非电感共享策略，电感共享策略下变换器峰值...     

可控约束层阻尼

针对薄壁结构振动,提出了一种主、被动杂交控制的新方式———可控约束层阻尼,利用压电片的逆压电效应控制约束阻尼层的运动,增加系统的阻尼．根据弹性、粘弹性、压电材料的本构关系,建立了具有可控约束阻尼层梁的控制微分方程．脉冲、正弦两种形式载荷的数值模拟表明,这种可控约束层阻尼对振动的抑制有较好的效果,且结构简单,易于实现．     

压电能量俘获系统建模及仿真

针对压电悬臂梁结构能量俘获系统进行建模,利用电路系统和机械系统的相似关系,将压电俘能结构模型等效为电路系统模型;为建立压电能量俘获系统完整模型,基于LTC3588-1为核心的能量转换电路等效为降压及整流电路,并利用LTspice软件仿真验证该等效电路的正确性.在Matlab/Simulink系统中搭建压电能量俘获系统整体模型并进行仿真,根据仿真结果对模型参数进行优化.通过对实验数据对比、分析,验证系统模型的合理性,结果表明系统可以稳定输出3.3 V直流电压,最佳阻抗匹配条件下,输出功率为2.6 mW.      

基于DC-DC升压和LC振荡的叠层压电陶瓷驱动电源研究

根据叠层压电陶瓷的大容性负载特性,在电路分析的基础上提出了基于DC-DC升压变换器和LC振荡的驱动控制电源,在驱动电路中加入偏置电压,使输出电压在-20 V到100 V之间,满足叠层压电陶瓷的驱动要求.将此驱动器用于压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频率范围驱动.     

主动式压电俘能电路研究分析

现有的压电俘能器大多是针对某一较窄频率范围内的振动情况而设计,但周围环境的频率范围非常宽泛且随时可能发生变化,导致一般俘能器很难实现能量俘获或俘能效率低,为了解决这一问题,设计了一种新的T型压电悬臂梁作为俘能装置。从结构设计和电路设计2方面出发,进行了静力学分析、模态分析和谐振分析,得出压电结构装置的固有频率和激振力频率等响应,对新型的主动式俘能电路进行设计,计算电路的功率损耗以及元器件损耗量。通过对主动式俘能电路进行计算仿真验证,以及对主动技术和被动技术进行对比分析,得到主动技术所获得的最大功率是被动技术的5倍。由此可知,运用电压控制型主动边界控制方法进行接口电路设计,主动利用每个压电换能周期中触发的电学边界条件,可有效增加输入压电俘能器的机械能,进而增大输出的电能。该研究创新了利用压电材料主动俘能的方式,对压电俘能的发展有积极的促进作用。     

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。     

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.