低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)主動(dòng)控制技術(shù)

陳陸軍，車兵輝，黃 勇，朱明剛，楊鐵軍，鐘誠文

（1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710072；2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000；3.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，在模型前體不對稱渦和翼（舵）面不對稱渦等非定常力作用下，模型及支撐系統(tǒng)將產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與模型、天平和支桿系統(tǒng)的固有頻率相近或重合時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生劇烈的共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響試驗(yàn)的質(zhì)量和安全[1]。在眾多支撐形式中，尾撐試驗(yàn)系統(tǒng)因其懸臂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，振動(dòng)問題尤為突出。對于懸臂梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的振動(dòng)抑制方式是采用增加結(jié)構(gòu)阻尼的被動(dòng)控制方式，這種方法控制效率低，且只能針對某一頻率的振動(dòng)有效，不能適應(yīng)不斷發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)要求[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，利用壓電材料結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制等技術(shù)對振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制已成為當(dāng)今振動(dòng)工程領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)[3]。主動(dòng)抑振的基本思想是通過傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理后輸出信號，對受控系統(tǒng)主動(dòng)輸入外部的控制能量，使受控振動(dòng)響應(yīng)與原振動(dòng)響應(yīng)相抵消，以達(dá)到消除或減弱結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平的目的[4]。

本文針對風(fēng)洞中一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的尾部支撐機(jī)構(gòu)，研制了一套基于壓電陶瓷的抑振系統(tǒng)，采用基于自適應(yīng)內(nèi)?？刂扑惴ǖ闹鲃?dòng)控制技術(shù)對試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)進(jìn)行有效控制。

1 系統(tǒng)方案

低速風(fēng)洞模型主動(dòng)抑振系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主要包括兩大部分：

圖1 主動(dòng)抑振系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of active vibration suppression system

（1）被控制的機(jī)械系統(tǒng)，由模型、天平、支桿和主動(dòng)抑振模塊組成。

（2）控制系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要包括壓電陶瓷、驅(qū)動(dòng)器、信號調(diào)理、NI Com?pact RIO 控制器和UPS 電源；軟件主要包括運(yùn)行于控制器上的控制算法和狀態(tài)監(jiān)測的人機(jī)界面。

主動(dòng)抑振模塊是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用壓電陶瓷作為作動(dòng)器，主動(dòng)抑振模塊安裝在天平支桿根部。主動(dòng)抑振模塊工作原理如圖2 所示。

圖2 主動(dòng)抑振作動(dòng)器工作原理Fig.2 Principle of active vibration suppression actuator

主動(dòng)抑振模塊工作時(shí)，壓電陶瓷朝下。圖2 中1 與迎角頭連接固定，工作時(shí)預(yù)先通過加載偏置電壓使4 個(gè)壓電陶瓷有一定的伸長量。以這個(gè)伸長量為基礎(chǔ)，增加電壓使壓電陶瓷繼續(xù)伸長，壓電陶瓷產(chǎn)生的作用力通過鉸鏈作用在結(jié)構(gòu)上，對鉸鏈形成一個(gè)力矩，從而使結(jié)構(gòu)繞鉸鏈向上運(yùn)動(dòng)；減小電壓則可以使壓電陶瓷縮短，主動(dòng)抑振模塊由于自身彈性就會繞鉸鏈向下運(yùn)動(dòng)，因此給壓電陶瓷輸入一個(gè)偏置電壓基礎(chǔ)上的交流電壓就會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生俯仰振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)通過控制壓電陶瓷的軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制天平端模型的俯仰運(yùn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)

低速風(fēng)洞模型主動(dòng)抑振控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)中功率放大器驅(qū)動(dòng)壓電堆，從而驅(qū)動(dòng)主動(dòng)抑振模塊工作。模型載荷測量天平的輸出信號作為主動(dòng)抑振系統(tǒng)的輸入信號。風(fēng)洞信號包括速壓信號和姿態(tài)角信號、功放的電流及電壓信號、壓電堆位置信號以及功放的狀態(tài)信號為系統(tǒng)的監(jiān)測信號。所有信號的輸入輸出通過信號分配箱，信號的類型有數(shù)字量和模擬量兩種。遠(yuǎn)程控制器通過以太網(wǎng)與NI 控制器相連，遠(yuǎn)程控制器上安裝軟件以便實(shí)施系統(tǒng)控制任務(wù)。UPS 通過網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)相連，系統(tǒng)控制軟件檢測UPS 的狀態(tài)，保證系統(tǒng)在停電時(shí)能可靠工作。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of control system

天平的輸出信號是在測量得到的試驗(yàn)?zāi)Ｐ退? 個(gè)載荷量的基礎(chǔ)上疊加整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由于風(fēng)載引起的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，主要為系統(tǒng)的一階和二階模態(tài)振動(dòng)，對應(yīng)著試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母┭龊推秸駝?dòng)。主動(dòng)抑振系統(tǒng)采用天平的輸出信號經(jīng)過高通濾波器后的振動(dòng)信號作為控制器的參考輸入，同時(shí)這也是振動(dòng)主動(dòng)控制的目標(biāo)。

主動(dòng)抑振模塊的壓電陶瓷配有位移傳感器和溫度傳感器，前者測量壓電陶瓷的位移量作為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)伺服控制模塊的輸入，以保證壓電陶瓷輸出位移與輸入電壓的隨動(dòng)性，溫度傳感器測量壓電陶瓷的工作溫度，可以在溫度過高時(shí)報(bào)警和自鎖。

系統(tǒng)軟件具有聯(lián)機(jī)控制和本機(jī)控制模式選擇，聯(lián)機(jī)控制時(shí)，控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)入風(fēng)洞現(xiàn)有測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)調(diào)度管理機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)，本機(jī)控制時(shí)，通過人機(jī)界面完成系統(tǒng)運(yùn)行和狀態(tài)監(jiān)測。本機(jī)控制時(shí)，低速風(fēng)洞模型主動(dòng)抑振系統(tǒng)具有訓(xùn)練和試驗(yàn)兩種工作模式。

（1）訓(xùn)練模式

訓(xùn)練模式通過控制壓電陶瓷模塊對試驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸螜C(jī)構(gòu)進(jìn)行掃頻激振，完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸螜C(jī)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)辨識和控制系統(tǒng)的控制參數(shù)自整定，這是一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)辨識過程[5]，系統(tǒng)框圖如圖4所示。由NI CompactRIO 組成的控制器發(fā)出掃頻或白噪聲信號，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)抑振模塊，天平測量到振動(dòng)信號輸出。定義從主動(dòng)抑振模塊輸入到天平振動(dòng)信號輸出之間的傳遞函數(shù)為主動(dòng)抑振系統(tǒng)的誤差通道，圖4 中用S表示。設(shè)置一個(gè)有限長單位沖激響應(yīng)(Finite impulse response,FIR)或者無限脈沖響應(yīng)（Infinite impulse response,IIR）數(shù)字濾波器S?，讓S與S?的輸入相同，通過比較兩者的輸出，采用自適應(yīng)最小均方根(Least mean square,LMS)算法可以得到一個(gè)最小均方誤差意義下與S等價(jià)的數(shù)字濾波器S?。

圖4 系統(tǒng)訓(xùn)練模式框圖Fig.4 Block diagram of training mode

（2）試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｊ酵瓿稍囼?yàn)?zāi)Ｐ偷淖赃m應(yīng)主動(dòng)抑振控制，其控制框圖如圖5 所示。圖5 中d(n)表示單獨(dú)由于風(fēng)載在試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幃a(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，與主動(dòng)抑振模塊工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)疊加即為天平測量得到的振動(dòng)信號e(n)。e(n)作為控制器的輸入，加上控制器輸出y(n)經(jīng)過數(shù)字濾波器S?的濾波，再作為自適應(yīng)濾波器W(n)的參考輸入，同時(shí)e(n)作為誤差參數(shù)與自適應(yīng)濾波器W(n)權(quán)系數(shù)的調(diào)整。當(dāng)自適應(yīng)過程收斂時(shí)，就能有效地抑制試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)響應(yīng)e(n)。

3 控制方法

風(fēng)洞模型在實(shí)際工作狀態(tài)下無法獲得如信號發(fā)生器輸出這樣干凈和穩(wěn)定的參考輸入，其外擾信號是風(fēng)載，為一隨機(jī)激勵(lì)，模型在風(fēng)載下會發(fā)生前兩階模態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)，這些振動(dòng)響應(yīng)會疊加在天平載荷中輸出，影響天平輸出信號的信噪比，嚴(yán)重時(shí)振動(dòng)信號還會影響整個(gè)系統(tǒng)的安全。由于系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)、模型的姿態(tài)、試驗(yàn)風(fēng)速和模型構(gòu)型等因素相關(guān)，系統(tǒng)的線性模型與實(shí)際模型存在誤差，且非線性變化不可忽略，因此利用天平輸出中的振動(dòng)信號來作為控制器的參考輸入，采用自適應(yīng)內(nèi)模控制，以滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求[6]。

3.1 控制算法設(shè)計(jì)

控制算法采用自適應(yīng)內(nèi)模控制算法，其算法結(jié)構(gòu)如圖6 所示。顯然，圖6 中控制器F的傳遞函數(shù)可以寫成

圖6 自適應(yīng)內(nèi)?？刂扑惴ê唸DFig.6 Diagram of adaptive internal model control algorithm

由此可得整個(gè)主動(dòng)抑振系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

當(dāng)主動(dòng)抑振系統(tǒng)訓(xùn)練模式收斂時(shí)，可以得到

式（2）變成

相應(yīng)地，其系統(tǒng)框圖如圖7 所示，這是一個(gè)前饋控制過程。因此通過合理地構(gòu)造控制濾波器的結(jié)構(gòu)形式，就能將一個(gè)自適應(yīng)反饋控制變成一個(gè)自適應(yīng)前饋控制[7]。

圖7 自適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of adaptive feedforward control system

為了驗(yàn)證算法的有效性，針對俯仰抑振模塊試驗(yàn)件系統(tǒng)，采用LMS 自適應(yīng)內(nèi)?？刂扑惴╗8?9]，進(jìn)行了模型俯仰主動(dòng)抑振的試驗(yàn)研究。整個(gè)試驗(yàn)件振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)控制框圖如圖8 所示。

圖8 基于自適應(yīng)內(nèi)模控制的俯仰主動(dòng)抑振系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of pitch active vibration suppression system based on adaptive internal model control

整個(gè)控制算法為

式中：wl(n)為自適應(yīng)控制濾波器W(n)在n時(shí)刻的第l階權(quán)系數(shù)，L為濾波器的長度，y(n)為自適應(yīng)控制器的輸出，e(n)為天平測量到的振動(dòng)響應(yīng)信號，μ為收斂系數(shù)，d(n)為期望信號即風(fēng)載單獨(dú)作用時(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)信號，y′(n)為主動(dòng)抑振模塊作用時(shí)產(chǎn)生的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼駝?dòng)信號，r(n)為期望信號通過誤差通道數(shù)字濾波器濾波后的信號。

其中誤差通道采用自適應(yīng)離線辨識，辨識的結(jié)果為S?(z)，是一個(gè)256階的FIR 濾波器[10]。自適應(yīng)系統(tǒng)辨識過程系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 自適應(yīng)系統(tǒng)辨識Fig.9 Block diagram of adaptive identification system

保證算法穩(wěn)定的收斂系數(shù)范圍為

式中：λmax為r(n)信號自相關(guān)矩陣的最大特征值。

3.2 控制算法驗(yàn)證

信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為3 Hz、2 V 峰值的簡諧信號，驅(qū)動(dòng)B&K 電磁式激振器激勵(lì)試驗(yàn)件天平支桿的自由端質(zhì)量，產(chǎn)生俯仰振動(dòng)來模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中風(fēng)載下的振動(dòng)響應(yīng)。這個(gè)振動(dòng)響應(yīng)e(n)被安裝在天平支桿自由端的加速度傳感器采集，通過低通濾波器輸入NI 控制器，這個(gè)信號與控制濾波器輸出y(n)經(jīng)誤差通道辨識結(jié)果S?(z)濾波后的信號y?(n)疊加，得到d?(n)，以最大限度地還原出期望信號d(n)，作為自適應(yīng)控制濾波器的參考輸入。濾波器輸出y(n)經(jīng)低通濾波器濾波后輸入壓電作動(dòng)器的功率放大器，使壓電作動(dòng)器產(chǎn)生軸向位移，作用在俯仰抑振模塊試驗(yàn)件上，試驗(yàn)件端面產(chǎn)生繞鉸鏈結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)，從而在天平支桿自由端產(chǎn)生與源振動(dòng)反相的振動(dòng)響應(yīng)。其試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示，圖10 中藍(lán)的細(xì)實(shí)線為天平支桿自由端控前的振動(dòng)響應(yīng)，粗的綠實(shí)線為控后的振動(dòng)響應(yīng)。

圖10 基于自適應(yīng)內(nèi)?？刂频母┭鲈囼?yàn)件控制結(jié)果Fig.10 Control result of pitch test piece based on adaptive internal model control

結(jié)果表明，天平支桿自由端的振動(dòng)加速度響應(yīng)在3 Hz 的激勵(lì)頻率處控前為103 dB，控后為80 dB，主動(dòng)控制消減量為23 dB，在2 倍頻6 Hz 處的振動(dòng)響應(yīng)由控前37 dB 降至24 dB，而3 倍頻9 Hz 的振動(dòng)響應(yīng)由控前的3 dB 升至18 dB，4 倍頻12 Hz 的振動(dòng)響應(yīng)由控前的3.6 dB 升至6.36 dB，5 倍 頻15 Hz 的 振 動(dòng) 響 應(yīng) 也 有7 dB（-1.5 dB 降至-8.9 dB）的主動(dòng)消減量。實(shí)際上2 倍頻以上的振動(dòng)信號由于幅值較小，對總振級的貢獻(xiàn)不大，一般可以不用考慮。從總振級看，主動(dòng)抑振系統(tǒng)工作時(shí)，天平支桿自由端的振動(dòng)響應(yīng)下降約23 dB，振動(dòng)減小90%以上。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)在空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的4 m×3 m 低速風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)采用YF?16 標(biāo)準(zhǔn)模型，風(fēng)速70 m/s，試驗(yàn)迎角范圍-8°～85°。試驗(yàn)時(shí)，模型迎角由安置于其內(nèi)部的傾角傳感器實(shí)時(shí)測量，不受主動(dòng)抑振系統(tǒng)開閉影響。

試驗(yàn)機(jī)構(gòu)模態(tài)測試結(jié)果表明，0°迎角時(shí)系統(tǒng)前兩階模態(tài)頻率分別為5.5 Hz（偏航模態(tài)）和6 Hz（俯仰模態(tài)），而45°迎角時(shí)分別為5.63 Hz（偏航模態(tài)）和5.88 Hz（俯仰模態(tài)），相對變化不大；45°迎角時(shí)，系統(tǒng)的偏航剛度略有變大，而俯仰剛度略有減小。由于YF?16 標(biāo)準(zhǔn)模型在45°迎角附近振動(dòng)幅度相對較大，因此選用45°迎角時(shí)辨識得到的誤差通道來參與控制。

在70 m/s 風(fēng)速下，模型迎角從-8°變化到85°，共20 個(gè)測量點(diǎn)。圖11 和圖12 分別為振動(dòng)較大的45°迎角和80°迎角下試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥鲃?dòng)抑振模塊工作前后的頻譜圖。圖13 為各個(gè)迎角下主動(dòng)抑振模塊工作前后振級的棒狀圖（30°迎角之前振動(dòng)相對較弱，減振系統(tǒng)未開啟）。從圖13 中可以看出，主動(dòng)抑振系統(tǒng)開啟后，在所有試驗(yàn)迎角下，振動(dòng)均有顯著減弱，振動(dòng)響應(yīng)下降11～20 dB，振動(dòng)減小

圖11 45°迎角控前控后頻域響應(yīng)Fig.11 Frequency domain control response of 45°AOA

圖12 80°迎角控前控后頻域響應(yīng)Fig.12 Frequency domain control response of 80°AOA

圖13 控前控后振動(dòng)響應(yīng)（對數(shù)坐標(biāo)）Fig.13 Vibration response comparison (Logarithmic coordinates)

71%～90%。

振動(dòng)減弱有利于提高試驗(yàn)安全性和相關(guān)傳感器工作可靠性，減小相關(guān)物理量的波動(dòng)，有助于提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。圖14 和圖15 給出了45°迎角下，測力天平某通道采集信號控前和控后對比情況（其他迎角情況類似）。從圖14 中容易看出，開啟主動(dòng)抑振控制系統(tǒng)后，天平采集到的模型載荷信號的波動(dòng)量明顯減弱，獲得的試驗(yàn)結(jié)果更為可靠。

圖14 控前控后天平信號時(shí)域?qū)Ρ龋t色為控后）Fig.14 Time domain comparison of balance signal be?fore and after control (Red is after control)

圖15 控前控后天平信號頻域?qū)Ρ龋ㄩ偕珵榭睾螅〧ig.15 Frequency domain comparison of balance signal before and after control (Orange is after control)

5 結(jié) 論

本文在以往相關(guān)研究基礎(chǔ)上[11?13]針對懸臂梁結(jié)構(gòu)的低速風(fēng)洞尾部支撐機(jī)構(gòu)研究了基于壓電陶瓷的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，采用自適應(yīng)內(nèi)?？刂扑惴?，通過天平獲取振動(dòng)信號作為控制系統(tǒng)的反饋，實(shí)現(xiàn)了尾部支撐機(jī)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制。風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)表明，研究的主動(dòng)抑振系統(tǒng)適應(yīng)性好，減振效果好，在所有工況下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸蜗到y(tǒng)的振動(dòng)均可減小70%以上。