基于压电开关分流电路的板振动半主动控制

    半主动型压电分流阻尼技术是在传统的主动控制和被动控制基础上，为了克服典型的压电分流阻尼技术对激励环境适应性差而提出来的［1］。该技术结合了压电分流阻尼被动抑振技术的电路结构简单、稳定性高以及压电主动抑振技术的自适应、抑振效果好的优点，对于结构的多阶模态振动响应都有较好的制效果，具有控制系统鲁棒性好、成本低、重量轻、设计简单、易于实现等优点，同时还克服了主动振动控制系统在高阶模态响应控制中易出现的溢出现象［2］。

    压电开关分流电路最早由 George A． Lesieutre于 1998 年提出，他首先对开关电路的耗能机理进行了研究［2］。近年来，关于开关分流电路的研究逐渐增多，Claude Richard 等研究了状态开关型压电分流电路的抑振效率与开关闭合时间的关系，研究表明开关闭合时间越短，分流电路的抑振效果越好［3］。Claude Richard 等还对同步开关压电分流技术进行了研究，同状态开关分流电路相比，前者具有更好的振动控制效果［4］。李凯翔等从理论和实验两方面对状态开关分流电路和同步开关分流电路对结构的抑振情况进行了研究［5］。

    笔者选用四边固支板作为抑振对象，分析了半主动压电分流技术中的状态开关分流电路和同步开关分流电路的抑振原理，并分别采用这两种分流电路进行了板振动抑制的实验研究。

    1 状态开关型压电分流技术

    1. 1 状态开关型压电分流电路

    一个基本的状态开关型压电分流电路主要由压电换能器、压电传感器、开关和开关控制器组成。状态开关型压电分流电路可简化为如图 1( a) 所示，在本文的研究中，将两片压电片分别粘贴在板的中央两侧，其中一片用作压电开关分流电路的换能器，另一压电片用作传感器，其中压电换能器可以等效为一个电压源并联一个电容 C( 见图 1( a) 中虚线框) 。在振动过程中，将压电换能器的正负两极接入开关电路，由压电传感器将板的振动信号输入到控制器中，控制器可自动判断出振动位移的峰/谷值时刻，并在这些时刻发出脉冲信号来控制分流电路中状态开关的开闭。板振动的外激励由电磁式激振器来提供。

    1. 2 状态开关型压电分流技术的抑振原理

    由于力学系统和电学系统之间可以相互等效，为直观起见，下面将开关电路等效为单自由度力学系统来说明状态开关的抑振原理。

    如图 2( a) 所示，M 为单自由度系统质量，d 为阻尼，K 为刚度，K 为压电片由于压电效应产生的电刚度，p( t) 为外激励力。