基于ANSYS的压电结构主动控制仿真.pdf

基于 ANS YS的压电结构主动控制仿真 王 兰军 余 雄鹰 1 重庆理 工大 学 重庆 4 0 0 0 5 4 2 重庆航 天职 业技术 学院 重庆 4 0 0 0 2 1 Ap p lica t io n o f ANSYS in Act iv e Vib r a t io n Co n t r o l o f Pie z o e le ct r ic S t r u ct ur e s WANG La n j u n YU Xi o n g y i n g 2 1 Ch o n g q in g Un iv e r s it y o f Te ch n o lo g y Ch o n g q in g 4 0 0 0 5 4 Ch in a 2 C h o n g q in g Ae r o s p a ce Po ly t e ch n ic C o lle g e Ch o n g q i n g 4 0 0 0 2 1 Ch in a 摘 要 利 用 ANS Y S软件 瞬态动 力 学分 析 功能 针对传 感 致动 器对位 配置 的压 电悬臂 梁结构 运用 AP D L参数化语言实现 了压电悬臂梁的主动控制仿 真 通过定义瞬态分析所需要的载荷步 把每一时 间步 中传 感 器测得 的应 变量 与振 动初 始参考量 的差 值作 为误 差信 号 由误 差信 号 与控 制增 益 的 乘积 来 决定致动器的瞬态电压值 仿真结果表明该方法具 有 可 行 性 关键 词 压 电结 构 ANS YS 主动 控 制 瞬 态 动 收 稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 8 力 学 分析 中图分 类号 THI 1 3 1 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 2 2 5 7 2 0 1 0 0 9 0 0 3 8一 O 4 Ab s t r a ct Us ing t he cap a b ilit ie s of ANSYS s o f t wa r e S t r a n s ie n t d y n a m i c a n a ly s is t he a ct iv e v ib r a t i o n co n t r o l o f pie z oe le ct r ic ca nt ile v e r be a m ha s a ch ie v e d t h r ou g h t h e APDL pr o g r a m The pr o g r a m de f in e s t he e a ch l oa d s t e p a n d t h e in s t a n t a n e O US v a lue o f t he s t r a in a t t he s e ns o r s lo ca t i on s a t e a ch t ime s t e p Th e d if f e r e nce be t we e n t he inp u t 运行状 态 对话 框 显示 供 电装 置 的 主 电路 以 及各模拟量的数值 波形 显示 对 话 框 即虚 拟 示波 器 可 根据 用 户 的选择 多通道显示 波形 同时 用户通过该 页面 的 开始保存 按钮 可以完成此时刻前后各 1 min波 形 数据 的存 储 并进 行 回放 参数设置 对话框显示 当前供电装置的控制参 数 当对应 的单选 框选 中并按 下 修 改 按 钮后 用 户可通过弹出的软键盘修改参数 之后点击 发送 完 成操作 方便 了系统 的调 试工作 故 障显示 对话 框 主要 用来进 行故 障诊 断 当 故障发生时 系统可 以判断故障类型 并在页面中加 以显示 帮助用户分析查找故障原 因 图示页面中 共有 2个错误 启动失败 以及 交流缺项故障 5 结束语 大量 的 实验 和现 场调 试证 明 监控 平 台很 好地 适应了能馈式牵引供电系统数据量大 实时性要求 强和控制策略复杂的特点 实现了对供电系统的系 统控制 状态显示和故障录波等功能 同时也为相 38 关领域的监控平台方案设计提供了有益的参考 参考 文献 1 1 于松伟 杨 兴山 韩连样 等 城市轨道交通供 电系统设 计原理与应用 M 成都 西南交通大学 出版社 2 0 0 8 2 王磊 刘 志刚 张钢 沈茂盛 基于 P WM 整流器 的 城轨牵引供 电系 统研 究 J 电力 电子 技术 2 0 0 9 4 3 7 7 5 7 7 3 王磊 刘志刚 赵雷 廷 张 钢 全恒 立 新 型城轨牵 引供 电系统监测平 台研究 J 电测与仪表 2 0 0 9 8 51 54 4 邓武 杨 鑫华 赵慧敏 牵引变 电所综合 自动 化系统 的设计与实现 J 铁道工程学报 2 0 0 6 8 9 3 9 5 5 张延松 胡云苹 俞辉 赵英凯 分布式变 电站 的实 时 信息采集与监控系统设计 J 电气传动 2 0 1 0 4 0 1 67 71 E 6 汪兵 李存斌 陈鹏 等 E V C高级 编程及 其应用 开发 M 北京 中国水利水 电出版社 2 0 0 5 作 者 简 介 吴佐民 1 9 8 5 一 男 福 建三明人 硕 士研究生 研究方向为电力 电子与电力传动 全恒立 1 9 8 6 一 男 山东青 岛 人 博士研究生 研究方 向为电力电子与电力传动 机械与电子 2 0 1 0 9 r e f e r e nce a nd t he s e ns o r s s ig na l is ca lle d t h e e r r o r s ig n a 1 Tr a n s ie n t v o l t a g e o f a ct u a t o r h a s b e e n d e e ide d b y t h e m u lt ip lica t io n o f t h e e r r or s ign a l a nd t he co nt r o l ga in Si m ul a t io n r e s ult s s ho w t ha t t h e me t ho d j S f e a s ible Ke y wo r ds p ie z o e le ct r ic s t r uct ur e ANSYS a e t ive vi br a t io n con t r o l t r a ns ie nt dy n a m ic a na ly s i s 0 引 言 众所周知 结构振动容易使结构发生多种形式 的破坏 使人易于疲劳 使仪器易于失灵 结构振动 所伴随的噪声还会影响附近人员的身心健康 传统 结构的动力学特性 随着结构设计制造 的完毕而确 定 很难在短时间 内做大的调整 但有时在满足结 构强度 稳定性要求的同时 振动会变成一个突出的 问题 因而研究 结 构 振 动控 制 具 有重 要 意 义 振 动 控制常分为被动控制 主动控制和混合控制 而振 动主动控制是当前振动工程领域内的高新技术 是 动力学 控制 计算机与材料科学等学科 的综合口 由于它具有效果好 适应性强等潜在的优越性 目前 已成 为 国内外振 动 工程 界 的研 究热 点 并 在 航 空航 天 土木建筑 车 辆工程 及船 舶与 海洋工 程 等领域得 到 了初 步应 用 压 电材料 因其具有正逆 压电效应 具有频响范 围宽 功耗低 线性关系好 输入输出均为电信号 且 易于测 量 和控制 等一 些 特 点 常 被用 作 传 感 器 和致 动器对结构振动进行主动控制 对于采用压电材料 作为传感 致动器的结构振动控制 其振动控制效果 常用 数 值 分 析 2 a 和 实 验 模 型 4 5 进 行 验 证 H Ka r a g u lle 等 针对二 自由度 弹 簧 系统 振 动 进行 数 值 分析 并运用 ANS Y S软件进行主动控制仿真 两者 得 出 的结 果相 一 致 6 因此 在 压 电 悬 臂 梁 主 动控 制仿真的基础上 进一步研究 了压 电悬臂板的振动 主 动控制仿 真 1 ANS YS瞬态动 力学分析 ANS Y S软件采用模块化结构 常分成前处理 模块 P R E P 7 分 析求解 模块 S OL UT 1 0 N 和后 处 理模块 P OS T1和 P OS T2 6 ANS Y S软件为用户 提供 了 2种 操 作 方式 即用 户 图形 界 面 GUI 操 作 机 械 与 电 子 2 O1 0 9 与参数化设计语言 AP DL 操作 ANS Y S参数化 设计语言是一种通过参数化变量方式建立分析模型 的脚本语言 A P D L编程可 以方便地使用 ANS YS 有 限元求 解 功 能 其 宏命 令 不 仅 可 以调 用 ANS YS 本身的控制命令 7 而且可以编写用户 自己的选择 循环等 流程控 制语 句 ANS YS瞬态动 力学分 析 又称时间历程分析 是用于确定结构上承载任意随 时间变化载荷的动力响应的一种方法L 8 通过定义 每个载荷步下的载荷值和 时间值 运用时间积分的 方 式 来 求 解 出 结 构 的 动 态 性 能 ANS YS Mu l t ip h y s ics软件包 提 供 了压 电结 构 瞬 态 分 析功 能 g 压 电结 构 闭环 控制 系统 如 图 1 所 示 图 1 压电结构 分析模型 图 1中 F 为振 动激励 激 励 F 的 瞬态 值 可 以 在定 义 每个 时间步 时加 以定义 结 构 的应变是 通过 粘贴在此处的压电传感器测出 并通过传感器把测 得的应变转化成相应的电信号 在 闭环系统 中经控 制后 形成相应 的控制电压而作用于压电致动器上 实现对压电结构振动的抑制 主动控制采用比例控 制律 其中 K K 和 K 分别对应于控制增益 电压 放大 系数 和应 变放 大系 数 K K K 三 者 的乘 积 正 比于致 动器 的 电压 因此 只要 K K 和 K 的乘积大小不变 任意改变三者值的大小 对振动控 制效果无影响 在瞬态 动力学分析中 积分时间步 长通常由结构的振动频率决定 为 了提高求解的精 度 常选择 积分 时间 步长 A t 一 1 2 0 f L g f为压 电 结 构 的一 阶模态 频率 2 悬臂 梁主动控 制仿真 振动主动控制中 压电传感 致动器粘贴在悬臂 梁 根 部附 近L 1 能 获得 较好 的控 制 效 果 悬 臂 梁 和 压 电片的相关尺寸见参考文献 6 采用压 电传感 器致动器对位配置的方法 粘贴在悬臂梁 的根部附 近 运 用 AP D L参 数 化 语 言建 立 压 电悬 臂梁 模 型 梁尺寸为 5 0 4 mm 2 5 4 mm 0 8 mm 材料属性 如表 1 所示 选用压 电材料 P Z T一5 H作为传 感 致动器 其尺寸为 7 2 mm 2 5 4 mm 0 6 1 mm 材 料属性见参考文献 1 1 如表 2所示 采用 S o lid 4 5 来 离散 柔性 梁结 构 S o li d 5 离 散压 电片 39 表 1 铝 材 料 P z T一 5 H 密度 k g m 相对介电常数 对 建好 的压 电悬 臂 梁 进行 无 阻尼 模态 分 析 选 用缩减法嘲求解 得出前 5阶的固有频率如表 3所 示 表 3 悬臂梁固有频率Hz 由表 3可知 1阶 固有频 率 为 3 1 5 Hz 根 据 积 分时间步长的描述 可取 A t 1 2 0 f 一0 0 1 5 9 S 在瞬 态动 力 学分 析 过 程 中 瑞利 阻 尼取a一 一 0 0 0 1 定义在 时 间 t A t 时 激 励 F 0 1 N 在 随后 的时间步 中激 励 F 为 0 定义致 动器 电 压 V 在时间f A t 时为 0 设悬臂梁的初始控制参考值 为 0 传感 器 测 出粘贴 位 置 处 的应 变得 到相 应 的 传 感信号 传感信号与初始控制参考值的差 即为误 差信号 压电致动器的电压 V 大小由误差信号 控制增益和电压放大系数的乘积决定 并且根据每 一 次时间步中误差信号的改变而改变 当时间 时 悬臂梁 瞬态动力 学分 析的闭环 控制 A P D L命 令 流如下 d o t 2 dt t s d t ge t ul n od e n u x ge t u 2 n o de nl u X e r r 0 一k s u 2 一u 1 d x v a k e kv e r r d nv v o lt va t i me t s o lv e e nd d o 和 分别是传感器上测量悬臂梁应 变的节 点序 号 2节 点在 X 方 向相 邻 其 间距 为 d 在 振 动 主动控制 时 应注 意 每 毫米 厚度 的压 电材 料所 能 承受的最大电压为 2 3 5 V 6 即梁上粘贴的压电致 4O 动器 能承受 的最 大电压为 1 4 3 3 5 V 故 在每一 载荷 步 中应 定 义所 能施 加 的最 大 电压 V 一1 4 3 3 V 能 施加 的最小 电压 为 V 一 一1 4 3 3 V 在 A NS YS软 件中 常运用 AP D L的有条 件分支 命令 I F B a s e 语 句 实现 对施加 在压 电致 动器上 电压值 的大 小限定 以防止实际试验中所施加 的电压大于压 电 致动器所能承受 的最大 电压 而导致的压 电致动器 的损坏 真实 地模 拟 了在压 电致 动器 不损 坏 情况 下 的悬臂 梁 主动控制 由上所述 当时 间 t 0 0 1 5 9 S 时 在悬 臂梁 的 自由端中点处施加一个 0 1 N 的冲击载荷 其 自由 端在 自由振动和主动控制时的位移曲线如图 2 和图 3所示 图 2 2 0 7 5 2 0 x 一 0 2 5 一 0 5 一 7 一 1 2 5 t s 自由振动时梁顶端位移 曲线 f s 图 3 主动控制时梁 顶端位移 曲线 图 2和图 3分别是控 制前和 控制后 的悬臂梁 自 由端位移曲线 基本上与参考文献 中的结果相吻合 图 2所示 的控制前 悬 臂梁 自由端 位 移 曲线 在 有 阻 尼情 况下振 动幅度 衰减到 2 5 mm 用时 4 S 而在 图 3中采 用 主动 控制 时 有 阻尼 情 况下 悬 臂 梁 自由端 振 动幅度 衰减到 2 5 mm 只用 时 2 S 通 过对 比 控 制后 悬臂 梁顶端位 移 明显 减 小 达 到 了抑制 振 动 的 效果 3 悬臂板主动控制仿真 板 的材 料 属 性如 表 1所 示 尺寸 为 3 0 0 mm 2 0 0 mm 1 mm 压 电片材料属性 如表 2所示 尺 寸 为 5 0 mm 3 0 F i lm 0 6 mm 无阻尼模态分析得 出 机 械 与 电子 2 0 1 0 9 5 1 5 5 5 O 5 5 5 l 5 2 7 2 2 7 2 O 0 1 O 0 0一O 1 一 一 一 g 0 悬 臂板 的前 5阶 固有 频率 如表 4所示 表 4悬 臂 板 固 有频 率Hz 1阶 固有频率 为 9 5 8 Hz 可 得 A t 1 2 O f 一 0 0 0 5 2 2 S 瑞 利 阻尼 取 a 一 一0 O 0 I 采 用 与 悬 臂 梁一 样 的控制方 法 在 悬臂 板 的合适 位 置 粘 贴 对位 布置 的压 电片 根 据所选 用 的压 电片厚度 可 以知道 压电片致动器所能承受的最大 电压为 1 4 I V 当 t 一0 0 0 5 2 2 S 时 在 悬 臂 板 自由端 的 中 点 处施 加 一 个 4 N 的集 中力后 悬 臂 板 自由端 自由振 动 的位 移 如 图 4所示 控制后 的 自由端 振动位 移如 图 5 所 示 I I I 讯 I 图 4 自由振动时板顶端位移 曲线 一 0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 t s 图 5主动控制时板顶端位移 曲线 由图 4和 图 5可 以看 出 悬臂 板 自由振动 时 有 阻尼情 况下振 动 幅度 衰 减到 2 mm 需要 用 时 4 S 而 悬臂 板在 主动控 制 时 同样 在 有 阻 尼 的情 况 下 振 动 幅度衰减到 2 mm 用时只有 3 s 明显的缩短了悬臂 板 振动情 况下 达 到稳 态 所 需 要 的 时 间 综 上 所 述 在 ANS YS中对 悬 臂 板进 行 主动 控 制 仿 真 仿 真 结 果 表 明该 方法 能明 显 抑制 板 的 振 动 达 到 良好 的振 动 抑制效 果 4 结 束语 针对压电结构实验模型验证费用昂贵的特点 采 用 ANS Y S的瞬 态 动 力 学 分 析 功 能 对 压 电 结 构 机 械 与 电子 2 0 1 0 9 进行 主 动控 制仿 真 用 压 电悬 臂 梁 板 结 构 验证 了 ANS YS软件进行主动控制仿真的可行性 在一次 时间步长中 传感器测出的应变值与振动初始参考 值 o 的差值 形成振动控制的误差信号 误差信号 与控制增益的乘积决定了致动器 电压瞬态值 当然 电压瞬态值 的绝对值要小于或者等于压电片所能承 受 的最大 电压 该 过 程 一直 在 循 环 继续 直 到 振 动 停止 为止 采用 简 单 的 比例 控 制 方 法来 进 行仿 真 在振动主动控制 中控制律设计的好坏 对振动控制 的效果 也有 重要 的影 响 参考 文献 1 顾 仲权 马扣根 陈 为东 振动 主动控 制 M 北 京 国 防工 业 出 版社 1 9 9 7 2 刘相秋 王聪 王威远 等 压 电结构 的主动控制仿真 与实验研究 J 力学与实践 2 0 0 8 3 0 4 5 O 一5 3 3 P e n g X Q e t a 1 Act i v e v ib r a t i o n co n t r o l o f co mp o s i t e be ams wit h p ie z oe le ct r ics a f init e e le me n t mod e l wit h t h i r d o r d e r t h e o r y J J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n l9 9 8 2 0 9 4 6 3 5 6 5 0 4 Ma lg a ca L e v e n t I n t e g r a t i o n o f A ct iv e V i b r a t i o n C o n t r o l M e t h o d s wit h F in it e E le me n t M o d e ls o f S ma r t S t r u ct u r e s D D o k u z E y la l Un i v e r