探索振动控制新方法 降低座舱噪音传播

专访南京航空航天大学教授裘进浩

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中国航空报讯:飞行器结构的振动不仅影响飞行器的性能,引发结构噪声,而且会造成结构的疲劳破坏。大型飞机舱内的噪声很大一部分是由飞机壁板的振动传播到座舱里的结构噪声。而通过控制壁板的振动,可以有效抑制噪声的传播,提高飞机舒适性。针对这一问题,正在进行“飞机壁板结构振动自适应半主动控制技术”项目研究的智能材料与结构航空科技重点实验室主任、机械结构力学及控制国家重点实验室副主任、南京航空航天大学教授裘进浩接受了本报记者的专访。

《中国航空报》:由您承担的“壁板结构振动自适应半主动控制技术研究”这是一个怎样的项目?请您详细介绍一下该项技术的实现过程。

裘进浩:本项目属于结构振动控制领域,来源于航空科学基金。项目研究涉及的主要领域有机械振动、智能材料与结构、控制理论。

在当前的振动控制系统中,主要的振动控制方法有主动、被动和半主动三种。我们的项目主要针对目前主动控制方法中需要复杂的信号处理系统和庞大的能量供给系统的缺点,和被动控制方法中对环境变化适应能力差等不足,提出一种基于同步非线性开关阻尼技术的自适应半主动振动控制新方法,进一步提高振动控制效果与鲁棒性。以飞机壁板为研究对象,着重研究振动传感信号识别的自感知技术、自适应控制技术、低功耗技术,以及半主动控制技术,最终实现具有低功耗、多模态、自适应的半主动振动控制系统,进一步提高结构的振动控制效果,为压电材料在振动控制等领域得到更好的应用奠定基础。

这里我首先简单介绍一下基于同步开关阻尼技术的半主动控制方法的原理、实现方法,以及它的发展。此技术的基本原理是在结构上粘贴压电片,在其两极串联开关和电感,通过设计合适的开关控制算法,当压电元件的感应电压达到极值时闭合开关,压电元件与旁路电感构成高频振荡回路,经过半个振荡周期,使得压电片的电压与开关闭合前反向,这时断开开关。这样不仅使压电元件产生的力与结构速度始终保持方向相反,还增大了压电元件上电压的幅值,从而提高了机电转换效率,起到了振动阻尼效果。开关控制策略是该方法的核心技术。同步开关阻尼SSD方法与前面所介绍的振动控制方法相比有如下优点:适合于多模态的振动控制,不需要精确的结构模型,振动控制效果很稳定,不受外界环境改变的影响,另外振动控制系统非常简单,仅仅需要较少的电子器件。尽管这种方法也需要电感等元件,但是相比被动控制方法中所用的电感元件要少得多。此外,这种方法还解决了以往控制系统中需要功率放大器、配线复杂等问题,从而大大简化了系统,节省了成本,使得系统结构紧凑,可靠性得到提高,有利于系统的小型化、轻量化,满足了航天航空领域对高可靠性、微型化、轻量化的要求。

该方法最先由法国Claude Richard博士提出,此后得到了学者们和众多研究机构的特别青睐,2006年欧洲投入318.4万欧元资助“自主的损伤监测和振动控制”研究项目,研究核心之一就是该项技术,由此可见该技术有着广阔的应用前景。另外,由于该方法控制效果好,所需能量少,在此基础上,人们又提出了能量回收技术,如并联SSHI(Synchronized Switch Harvesting with Inductor)技术和串联SSHI技术、SECE(Synchronous Electric Charge Extraction)技术、DSSH(Double Synchronized Switch Harvesting)技术等。目前,将能量回收和半主动振动控制结合起来,实现无需能量供给的振动控制也是一个热门的研究方向。

虽然这个方法有很多优点,但是该方法在理论研究方面还有很多不足,同时它的控制效果也急需进一步提高。当前这个项目的研究偏重于应用基础理论研究,在研究过程中对半主动振动控制机理进行了深入的理论研究,并提出了多种高效的控制新方法。并且已经通过鉴定,并获得了航空科学技术进步二等奖。

《中国航空报》:该项研究取得了哪些技术突破?

裘进浩:在具体的技术方面获得了五项突破。

第一,建立了同步开关阻尼半主动振动控制系统的机电耦合和能量转换模型,分析了开关切换频率和相位对控制效果的影响关系;搭建悬臂梁振动控制平台,利用数值仿真和实验验证了理论建模的正确性。这部分研究解决了同步开关阻尼半主动振动控制系统的机电耦合以及能量转换的建模问题,从理论上证明了单模态控制时的最佳切换频率,同时为后续的分析和性能优化提供了理论基础。

第二,提出了含自适应电压源的开关阻尼SSDV控制方法,实现了分支电路中电压源的自适应调节,提高了系统的稳定性和控制效果。提出了改进的开关切换方法,避免了SSD控制系统中信号噪声引起开关的频繁切换,提高了控制效果和系统的鲁棒性。并通过悬臂梁的振动控制实验,验证上述方法的有效性。通过这部分的研究,解决了传统SSDV方法中电压源固定引起的稳定性问题以及信号噪声引起的开关频繁切换问题,提高了控制效果,为促进半主动控制方法的实用化奠定了基础。

第三,揭示了多模态控制时发生模态耦合的条件,建立了多模态半主动振动控制中从机械能向电能转换的能量与位移增量之间的关系,并从理论上证明了通过设定合适的位移增量阈值,跳过一些位移极值点,提高两次切换之间位移增量的平均值,可以提高能量转换的原理;提出了基于位移阈值和基于能量阈值的两种开关切换控制新方法,并通过悬臂梁的振动控制实验验证了对提高多模态控制效果的有效性。通过这部分的研究,解决了同步开关阻尼半主动方法在多模态控制应用中的一些关键理论问题,为同步开关阻尼半主动方法在复杂结构振动控制中的应用奠定了基础。

第四,提出了基于负电容的开关阻尼(SSDNC: SSD based on Negative capacitance)半主动振动控制新方法,通过选择合适负电容的值,可以提高切换电压,从而改进控制效果。通过悬臂梁的振动控制实验,验证SSDNC半主动控制有效性。建立了任意切换频率下SSDNC半主动控制的切换电压、能量转换以及振动阻尼的公式,并利用数值仿真验证了理论推导的正确性。这部分研究提出的SSDNC半主动控制新方法,克服了传统开关阻尼半主动控制系统中电压反转效率和控制效果受电路品质因子影响的缺点,明显改善了控制效果,进一步促进了半主动振动控制系统的实用化。

第五,建立了飞行器薄壁结构的开关阻尼半主动控制实验平台,通过实验验证了其在多模态控制中的有效性。将SSD方法应用于飞机(国产ARJ21支线客机)壁板多模态振动控制中,验证各种控制方法的有效性。针对壁板结构复杂,模态密集的特点,提出了利用状态观测对振动模态进行分离,并同时结合SSDI/SSDV/SSDNC三种半主动控制方法,对壁板结构的单模态以及多模态振动控制进行了实验验证,取得了良好的振动控制效果。通过这部分的实验,验证了本文建立和提出的开关阻尼半主动控制理论与方法的正确性,以及对复杂结构多模态振动控制的有效性。

《中国航空报》:该技术在飞机制造领域的实际应用中将起到怎样的作用?

裘进浩:本项目提出的新的振动控制方法将为我国在振动控制领域提供新的技术,具有重要的学术价值和实际应用价值。该技术解决了以往控制系统中需要功率放大器、配线复杂等问题,大大简化了系统,节省了成本,而且使得系统结构紧凑,可靠性得到提高,有利于系统的小型化、轻量化,而且具有良好的控制效果和较高的鲁棒性,因此具有很好的应用前景,适应航空航天领域的发展方向和使用要求。例如,将该技术用于飞机壁板结构的振动控制,对提高飞机的安全性并有效降低机舱内的噪声分贝,改善乘坐的舒适度等具有重要的研究意义。此外该振动半主动控制技术在微电子产业、民用工程、土木建筑、交通等多个领域亦有广阔的应用前景。

由于项目研究主要面向理论与实验,该技术的研究目前总体还处于实验室研究验证阶段,离实用化还有一定的距离,但其由于优点突出,适应航空航天领域的发展方向和使用要求,相信通过学者们今后的共同努力,进一步解决存在的问题,一定能在航空航天领域及其他民用领域得到广泛的应用。 

目前,具体成果的应用主要包括以下几个方面:

第一,与中国飞机强度研究所合作,将半主动控制技术应用于ARJ21支线飞机壁板多模态振动控制,目前地面试验取得了良好的振动控制效果。

第二,与航天五院合作,将半主动控制技术应用于天线结构的振动控制中,取得了良好的振动控制效果。

当下,该技术还没有应用于实际生产。虽然该方法具有众多优点,但是要想在飞行器上大面积使用还有一定的距离。但通过以上应用证明或前景证明可以看出,只要进一步解决存在的问题,一定能在航空航天领域得到广泛的应用。

《中国航空报》:目前,国内外这方面的研究发展情况如何?还需要在哪些方面进一步加强和改进?

裘进浩:基于智能结构进行减振降噪是目前研究的主流,该技术在国内外经过了几十年的研究,取得了较多的成绩。目前国际上法国、日本、美国等国家正在进行研究,同时英国已经将此技术应用于直升机桨叶的振动控制研究中,日本将其用于空间桁架结构的振动控制研究中,2006年欧洲投入318.4万欧元资助的“自主的损伤监测和振动控制”研究项目,其核心之一就是该项技术,由此可见,该技术有着广阔的应用前景。但目前普遍存在的问题是,将该技术真正用于飞机中的振动控制还未见报道,大部分只是进行了原理性验证或地面试验。这与该技术面向的行业有关,航空航天领域对每一个控制系统有着极其高的要求,需要经过反复验证和测试,确认符合适航标准等,才能真正得到应用。

而目前我们在该方面的研究,总体科学技术水平居于国内领先,部分技术达到国际先进水平。仍然需要进一步加强和改进的地方主要有:控制系统需要进一步完善,提高系统稳定性与鲁棒性;针对复杂情况的振动,开关切换算法需要进一步优化,以提高控制效果;与能量回收进一步相结合,真正实现能量自给,满足特殊环境下无法提供能量的场合。

责任编辑:实习编辑 王婵

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