压电作动器存在故障时柔性板的鲁棒振动控制研究

    0 引言

    利用压电元件的正逆压电效应进行柔性结构振动的主动控制是近年来动力学领域的一个研究热点[1]。这类系统固有的很多不确定性因素使鲁棒控制在这类控制工程中得到广泛应用[2-4]。以往的研究往往把重点集中在被控柔性结构本身的模型不确定上[5-6]。然而振动控制的有效性是建立在传感器和作动器都正常工作的基础上的,对基于压电材料的振动控制而言,压电片反复变形出现的连接不牢、工作温度超出压电材料使用范围或压电片脱胶损伤等因素[7-8]都会造成压电作动器驱动力或传感器感测力出现较大偏差。上述故障是实际控制中可能发生的故障,会影响系统动态特性,甚至造成闭环失稳。但是,目前关于柔性结构中压电主动元件的理论建模方法因表达式太复杂并不适于分析这种因故障而带来的不确定性的影响。根据系统实验模型来估计压电作动器驱动力或传感器感测力因故障而带来的不确定性的大小,并由此来设计鲁棒控制器,将更适于实际柔性结构的振动控制。但是,目前还未见这方面的研究成果。

    压电片的故障有很多种,限于篇幅,本文仅研究因压电作动器连接不牢导致驱动力下降时柔性板振动的鲁棒控制方法,其他类型故障虽不便于验证,但处理方法相同。柔性板的初始外扰振动实验结果表明,与仅考虑剩余模态的L综合控制相比,本文所设计的鲁棒控制器对作动器出现连接故障时的振动控制更有效。

    1 驱动变化时柔性板系统的实验分析

    被控对象为一悬臂板,其尺寸为1.1m218mm。为了能控制柔性板在振动过程中出现弯曲和扭转,在柔性板正反表面以对称粘贴的方式布置了8组压电片对来充当作动器(压电片双面粘贴时能产生2倍于单面粘贴的驱动力矩)。其中1、2、3、4组压电片极化方向相同,布置在柔性板根部中间位置,通过4个多路开关并联到同一路压电驱动电源的输出,用来产生弯曲力矩,构成作动器1;5、6组与7、8组压电片极化方向相反,且关于板中轴线x对称布置在两侧,也通过4个多路开关并联到同一路压电驱动电源的输出,用来产生大小相等、方向相反的扭转力矩[9],构成作动器2。多路开关能独立地控制开闭,这样就可以通过控制每组压电片与驱动电源之间的通断来模拟该作动器发生的驱动力故障。压电作动器在板上的布置及其与多路开关的连接见图1。同时,为进行闭环控制,在板根部粘贴了一个压电片(充当弯曲变形传感器),在板端部粘贴了一对压电片(充当扭转变形传感器)。另外,为产生外部扰动,板根部还粘贴了一对激振用压电作动器;为检验振动控制效果,板中部粘贴了一个压电片(充当振动控制响应传感器)。所有压电片型号均为PZT-5,尺寸均为60mm115mm。压电片的位置优化以及系统中各连接器件的具体型号参见文献[10]。粘贴完所有压电片后的柔性板照片见图2,柔性板振动控制系统各部分的连接关系如图3所示。