專利名稱：實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法與控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電系統(tǒng)的測控技術(shù)領(lǐng)域，涉及到基于雙向機(jī)電換能材料的傳 感器與執(zhí)行器功能集成的實現(xiàn)方法，即自感知執(zhí)行器的實現(xiàn)方法和控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無論是對傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)還是對近年來的微機(jī)電系統(tǒng)，實施測量與控制通
常同時需要執(zhí)行器和傳感器。執(zhí)行器產(chǎn)生位移或力，完成期望的控制動作；傳 感器測量位移或力等物理量，開環(huán)監(jiān)測和閉環(huán)控制中都離不開傳感器。 一般來 說，組建一個控制系統(tǒng)的技術(shù)路線是采用獨立的傳感器和獨立的執(zhí)行器，這種 方法的缺點是不利于同位控制、不便于系統(tǒng)集成化和微型化。
雙向機(jī)電換能材料主要包括壓電材料和磁致伸縮材料。壓電材料在應(yīng)力或 應(yīng)變作用下產(chǎn)生電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，稱為正壓電效應(yīng)，利用此效應(yīng)可 制成傳感器；壓電材料在電場作用下發(fā)生形變或產(chǎn)生驅(qū)動力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī) 械能，稱為逆壓電效應(yīng)，利用此效應(yīng)可制成執(zhí)行器。磁致伸縮材料在應(yīng)力或應(yīng) 變作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；磁致伸縮材料在通電流后，即 在磁場作用下，發(fā)生形變或產(chǎn)生驅(qū)動力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。兩種材料的傳 感器技術(shù)和執(zhí)行器技術(shù)都比較成熟。實際上，在雙向機(jī)電換能材料內(nèi)部，機(jī)~> 電、電—機(jī)兩個方向的能量轉(zhuǎn)換是同時存在的，只是傳感器的敏感電信號與執(zhí) 行器的驅(qū)動電信號混合在一起。如果通過適當(dāng)?shù)慕怦罘椒ò衙舾旋斝盘柵c驅(qū)動 電信號分開， 一個雙向機(jī)電換能器件就可以兼有傳感器和執(zhí)行器兩種功能，這 種器件被稱為自感知執(zhí)行器(Self-Sensing Actuator),還有自敏感致動器、自傳
感執(zhí)行器等翻譯形式。
迄今為止，實現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器主要采用電橋電路解耦法。美國專利
US5,347，870首次公開了壓電自感知執(zhí)行器實現(xiàn)方法，基于電橋解耦法使--片壓 電換能器同時具有激發(fā)和感知位移、速度或加速度兩種作用；US5,656,779和 US5,913，955公開了把電橋解耦法壓電自感知執(zhí)行器用于結(jié)構(gòu)振動測量與控制的 方法；US6，600，619公開了利用電橋解耦法使壓電微執(zhí)行器自感知機(jī)械應(yīng)變、并 應(yīng)用于磁盤磁頭精密定位過程中振動控制的方法。電橋解耦法的難題是電橋電 路不容易平衡，原因是作為電橋電路橋臂之一的壓電元件的電容隨邊界條件變 化。US5，578，761公開了采用模擬和數(shù)字混合自適應(yīng)技術(shù)跟蹤壓電電容變化、以 便實時調(diào)電橋平衡的方法。在公開發(fā)表的論文中磁致伸縮材料自感知執(zhí)行器也 采用電橋解耦法。申請人在CN ZL200410020496.5中公開了實現(xiàn)壓電自感知執(zhí) 行器的空分復(fù)用解耦法，壓電陶瓷/晶體有兩個電極面， 一個電極面做公共地電 極，另一個電極面被分割成兩組，分別做傳感電極和執(zhí)行電極，通過這兩組在 空間上分離的電極，驅(qū)動電壓信號和敏感電壓信號自然分離。傳感電極和執(zhí)行 電極可做成回字形或叉指形或環(huán)形，在空間上充分交叉靠近。因此， 一片壓電 陶瓷/晶體既做執(zhí)行器又做傳感器，即實現(xiàn)了壓電自感知執(zhí)行器；而且傳感器和 執(zhí)行器是同位配置。在空分復(fù)用解耦法中增加了電極分割工序，對于柱形或管 形或多層壓電換能元件不是很方便；磁致伸縮元件大多棒形，所以，空分復(fù)用 解耦法適用的雙向換能材料和形狀有一定局限。通信和計算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域都有 時分復(fù)用技術(shù)，例如信道時分復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)地址時分復(fù)用技術(shù)等，受此啟發(fā)， 在電橋電路解耦法、空分復(fù)用解耦法之后，提出一種新的時分復(fù)用解耦法，實 現(xiàn)基于一般機(jī)電雙向換能材料的自感知執(zhí)行器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用時分復(fù)用解耦法使一個雙向換能元件作為自感知執(zhí)行 器，采用時序電路控制傳感器和執(zhí)行器的快速切換，來實現(xiàn)自感知執(zhí)行器。該 方法不存在電橋解耦法中電橋不易平衡的問題；不必做任何電極分割，保持雙 向換能元件原樣，簡便通用；降低了自感知執(zhí)行器的設(shè)計難度。減小了結(jié)構(gòu)的 體積和重量、促進(jìn)結(jié)構(gòu)的集成化和微型化；體現(xiàn)了能量流、物料流和信息流的 集成，本發(fā)明使基于雙向換能材料實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的方法形成了一個比較完 整的體系。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法，采用 雙向換能元件，其特征在于采用開關(guān)時序控制電路5控制雙向換能元件1作 為傳感器或執(zhí)行器，當(dāng)雙向換能元件1作為傳感器使用時，采用傳感開關(guān)K,切 換，當(dāng)雙向換能元件l作為執(zhí)行器使用時，采用執(zhí)行開關(guān)K2切換，釆用放電開 關(guān)K3給雙向換能元件1放電，這三個開關(guān)在開關(guān)時序控制電路5的控制下交替 導(dǎo)通和截止；雙向換能元件1先作為傳感器檢測速度或力信號，然后作為執(zhí)行 器產(chǎn)生控制位移或力，最后雙向換能元件放電，完成一次傳感和執(zhí)行功能；一 次傳感和執(zhí)行的具體步驟為首先閉合K,、斷開K2和K3，雙向換能元件l上 的敏感信息經(jīng)K!進(jìn)入傳感器信號放大電路7，此時雙向換能元件1作為傳感器 使用，檢測結(jié)構(gòu)的速度或力等信息；然后閉合執(zhí)行開關(guān)K2、斷開傳感開關(guān)K, 和放電開關(guān)K3，控制器6輸出的控制量經(jīng)執(zhí)行器驅(qū)動電路9后驅(qū)動雙向換能元 件1，此時雙向換能元件1作為執(zhí)行器使用，執(zhí)行器產(chǎn)生位移或力；最后閉合 K3、斷開Id和K2,雙向換能元件1上積累的電能由放電通道4釋放；傳感器和 執(zhí)行器的切換速度高，切換速度等于信號采樣頻率，傳感器和執(zhí)行器的切換速 度應(yīng)大于結(jié)構(gòu)最高受控模態(tài)頻率的2倍； 一個傳感執(zhí)行周期T等于傳感時隙r,、
執(zhí)行時隙7"2、放電時隙巧的總和，在一個傳感執(zhí)行周期T內(nèi)，執(zhí)行時隙r2大于傳 感時隙rp在保證傳感信號采樣正確的前提下，增大執(zhí)行時隙巧，縮短傳感時隙 rP縮短放電時隙73。
實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法，其控制系統(tǒng)的特征是包括雙向換 能元件l、傳感通道2、執(zhí)行通道3、放電通道4、開關(guān)時序控制電路5和控制 器6;雙向換能元件l的電極面B接地；雙向換能元件l的電極面A接開關(guān)K,、 &和K3的左端；傳感通道2由傳感開關(guān)K卜傳感器信號放大電路7和低通濾 波器8組成，傳感開關(guān)K,的右端接傳感器信號放大電路7，傳感器信號放大電 路7的輸出接低通濾波器8，低通濾波器8的輸出接控制器6;執(zhí)行通道3由執(zhí) 行開關(guān)K2和執(zhí)行器驅(qū)動電路9組成，控制器6的輸出接執(zhí)行器驅(qū)動電路9，執(zhí) 行器驅(qū)動電路9的輸出接執(zhí)行開關(guān)K2的右端;放電通道4由放電開關(guān)K3和放電 電阻R,組成，放電開關(guān)K3的右端接放電電阻R,，放電電阻R,接地。
實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法與控制系統(tǒng)，其特征是雙向換能元件1 為壓電元件或磁致伸縮元件；開關(guān)時序控制電路5是數(shù)字邏輯電路或脈沖信號 發(fā)生器；控制器6是數(shù)字信號處理器DSP或微型計算機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)。
本發(fā)明的效果和益處是采用時分復(fù)用解耦法使一個雙向換能元件作為自感 知執(zhí)行器，采用時序電路控制傳感器和執(zhí)行器的快速切換，不涉及調(diào)整電橋平 衡的問題，沒有空分復(fù)用解耦法中的電極分割的工序，降低工藝和安裝難度。 適用于任何形狀、尺寸的雙向換能元件，傳感器的檢測點和執(zhí)行器的控制點是 一個點，做到了同位控制，提高控制穩(wěn)定性；適用于結(jié)構(gòu)振動主動控制、系統(tǒng) 辨識和健康診斷等，尤其適用于體積和重量受到限制的柔性結(jié)構(gòu)。


圖1是壓電材料的機(jī)電雙向換能示意圖，其中f/一電壓；/—電流；F—力
圖2是時分復(fù)用解耦法示意圖，其中l(wèi)一雙向換能元件；2—傳感信號通道； 3—執(zhí)行信號通道；4一放電通道；5—開關(guān)時序控制電路；6—控制器；7—傳感 器信號放大電路；8—低通濾波器；9"執(zhí)行器驅(qū)動電路；A—電極面；B—電極 面；K廣傳感開關(guān)；K2—執(zhí)行開關(guān)；K廣放電開關(guān)；Vkl —開關(guān)K，的控制電壓； Vk2 —開關(guān)K2的控制電壓；Vk3 —開關(guān)K3的控制電壓；R, —放電電阻。
圖3是開關(guān)時序脈沖波形，其中^一傳感時隙；T"2 —執(zhí)行時隙；73 —放電時 隙；T—傳感執(zhí)行周期，Vkl —開關(guān)Kt的控制電壓；Vk2—開關(guān)K2的控制電壓；
Vk3 —開關(guān)K3的控制電壓。
圖4是采用壓電自感知執(zhí)行器的懸臂梁振動主動控制系統(tǒng)，其中，1—雙向 換能元件；6—控制器；7—傳感器信號放大電路；8—低通濾波器；9一執(zhí)行 器驅(qū)動電路；IO—懸臂梁；A—電極面；B—電極面；R,—放電電阻；112 —傳感 開關(guān)K,的偏置電阻；R3 —執(zhí)行開關(guān)K2的偏置電阻；R4—放電開關(guān)K3的偏置電 阻；Id、 IC2—Photo MOS繼電器集成電路芯片AQW214EH; Pi p8—IC,、 IC2 的引腳；DI/DO—數(shù)字量輸入/輸出模塊；A/D—模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器；D/A —數(shù) 字準(zhǔn)擬信號轉(zhuǎn)換器，Vkl —開關(guān)Ki的控制電壓；Vu —開關(guān)K2的控制電壓；Vk3
一開關(guān)K3的控制電壓，+5V—電源電壓。
圖5是示波器記錄的控制前后電渦流位移計測量的振動波形，其中f,一控 制起始時刻；0.42V—控制前振動信號峰的峰值；0.31V—控制后振動信號峰的峰值。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
和實施例。 本發(fā)明的物理基礎(chǔ)是功能材料的機(jī)電雙向換能理論，如附圖1所示。雙向
換能元件1做傳感器時，將機(jī)械端口的力F或速度v變換成電學(xué)端口的電壓t/ 或電流/;雙向換能元件1做執(zhí)行器時，將電學(xué)端口的電壓f/或電流/變換成機(jī) 械端口的力F或速度v。通常只利用一個方向的換能，此時器件單獨做傳感器或 單獨做執(zhí)行器。本發(fā)明是讓雙向換能元件1既做執(zhí)行器同時又做傳感器，要解 決的問題是如何將傳感器的敏感電信號與執(zhí)行器的驅(qū)動電信號分開。
在附圖2中，采用開關(guān)時序控制電路5控制傳感開關(guān)K,、執(zhí)行開關(guān)K2和放 電開關(guān)K3的導(dǎo)通與截止，使雙向換能元件l作為傳感器或執(zhí)行器使用。根據(jù)所 選用的開關(guān)器件和三個開關(guān)時序控制脈沖的邏輯關(guān)系，開關(guān)時序控制電路5為 數(shù)字邏輯電路或脈沖信號發(fā)生器或數(shù)字邏輯電路結(jié)合軟件編程；控制器6為數(shù) 字信號處理器DSP或微型計算機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)，控制器6的外圍電路要包含A/D 和D/A模塊。時分復(fù)用解耦法的實現(xiàn)步驟是第一步，當(dāng)閉合傳感開關(guān)K,、斷 開執(zhí)行開關(guān)K2和放電開關(guān)K3時，傳感通道2單獨工作，檢測結(jié)構(gòu)的速度或力等 信息，經(jīng)傳感器信號放大電路7放大、低通濾波器8濾除高頻干擾后，進(jìn)入控 制器6;控制器6完成必要的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行控制算法，根據(jù)傳感時隙內(nèi)獲得的 狀態(tài)反饋信息，生成對執(zhí)行器的控制量。第二步，當(dāng)閉合執(zhí)行開關(guān)K2、斷開傳 感開關(guān)&時，執(zhí)行通道3單獨工作，進(jìn)入執(zhí)行時隙，控制器6輸出的控制量經(jīng) 執(zhí)行器驅(qū)動電路9后施加到雙向換能元件1的電極面A，驅(qū)動執(zhí)行器產(chǎn)生期望 的位移和力。第三步，下一個時隙應(yīng)是雙向換能元件1再做傳感器，但是雙向 換能元件1的電極面A可能儲存著執(zhí)行過程中產(chǎn)生的驅(qū)動電信號，此時雙向換 能元件l電極面A上既有敏感電信號又有驅(qū)動電信號，所以為了準(zhǔn)確地提取敏 感電信號，在執(zhí)行時隙和傳感時隙之間插入放電時隙，即通過放炮通道4釋放 驅(qū)動電信號，從而使下一時隙的傳感信號不受當(dāng)前執(zhí)行信號的影響；當(dāng)斷開傳 感開關(guān)&和執(zhí)行開關(guān)K2，閉合放電開關(guān)K3時，進(jìn)入放電時隙。第四步，重復(fù)
上述三個步驟，傳感時隙n、執(zhí)行時隙r2和放電時隙巧構(gòu)成一個傳感執(zhí)行周期T， 如附圖3，傳感器和執(zhí)行器的切換速度等于控制系統(tǒng)的信號采樣頻率，也等于傳 感執(zhí)行周期T的倒數(shù)，傳感器和執(zhí)行器的切換速度應(yīng)大于結(jié)構(gòu)最高受控模態(tài)頻 率的2倍。在開關(guān)控制電壓Vk" Vk2和Vk3低電平時各開關(guān)導(dǎo)通，V^低電平時
為傳感時隙，Vk2低電平時為執(zhí)行時隙，Vk3低電平時為放電時隙。這樣雙向換
能元件1在一個時隙內(nèi)作為測量振動的傳感器，在另一個時隙內(nèi)作為控制振動 的執(zhí)行器，如此在傳感器和執(zhí)行器之間快速交替切換，傳感器和執(zhí)行器相當(dāng)于 是同時工作的，即執(zhí)行器同時也具有傳感器的功能，從而實現(xiàn)了自感知執(zhí)行器。 在一個傳感執(zhí)行周期T內(nèi)，執(zhí)行時隙r2大于傳感時隙^，在保證傳感信號釆樣正 確的前提下，增大執(zhí)行時隙r2、縮短傳感時隙 縮短放電時隙巧。
附圖4是本發(fā)明的一個實施例，利用壓電雙向換能元件具有正壓電效應(yīng)和 逆壓電效應(yīng)的特點，通過設(shè)計開關(guān)電路、開關(guān)時序控制電路和放電電路，使-一 個壓電雙向換能元件在一個時隙內(nèi)做執(zhí)行器，在另一個時隙內(nèi)做傳感器，執(zhí)行 功能和傳感功能以時分復(fù)用方式交替進(jìn)行，執(zhí)行器同時兼有傳感器功能。本例 中，以時分復(fù)用方法實現(xiàn)壓電自感知執(zhí)行器、并將其應(yīng)用于懸臂梁的振動主動 控制。雙向換能元件1為一片壓電陶瓷晶片，其電極面B粘貼在懸臂梁10的根 部并接地，電極面A作為電荷檢測面和執(zhí)行器驅(qū)動面；懸臂梁10為鋁梁， 一階 模態(tài)頻率為13.6Hz。本例中傳感器信號放大電路7設(shè)計為電荷放大器，它不僅 將電荷放大成電壓，而且其積分作用使離散的敏感電壓轉(zhuǎn)換成連續(xù)的信號，電 荷放大器可選用商用產(chǎn)品或自行設(shè)計；低通濾波器8用來濾除傳感信號中的高 頻干擾，設(shè)計成二階巴特沃斯濾波器；壓電執(zhí)行器的驅(qū)動電壓要具有一定的功 率，壓電執(zhí)行器驅(qū)動電路9可選用商用功率放大器或以高壓運(yùn)算放大器為核心 自行設(shè)計?？刂破?由PC機(jī)和插在PC機(jī)PCI槽上的NIPCI6221數(shù)據(jù)采集卡組成，PCI6221數(shù)據(jù)采集卡上帶有A/D、 D/A模塊和數(shù)字量輸入輸出DI/DO模塊， 開關(guān)時序控制電路5由PCI6221數(shù)據(jù)采集卡的DI/DO模塊完成。
Id和IC2為同型號的Photo MOS繼電器AQW214EH， Id的引腳p" p2、 P7和P8擔(dān)當(dāng)傳感開關(guān)Kp控制脈沖Vw施加到Id的引腳p2上；Id的引腳p3、
p4、 P5和P6擔(dān)當(dāng)執(zhí)行開關(guān)K2，控制脈沖Vk2施加到Id的引腳p4上；IC2的引腳 Pl、 p2、 P7和P8擔(dān)當(dāng)放電開關(guān)K3，控制脈沖Vk3施加到IC2的引腳p2上。IQ和
IC2的交流負(fù)載電壓峰值為400V，而驅(qū)動壓電片所需的控制電壓峰值約為150V， 滿足高壓要求；導(dǎo)通時間為0.5ms，截止時間為0.08ms，最高開關(guān)切換頻率接近 2kHz，用于一階模態(tài)頻率只有十幾Hz的懸臂梁系統(tǒng)能夠滿足速度要求。偏置電 阻R2、 R3、 R4的一端聯(lián)接在一起接電源+5V， R2=R3=R4=2.5kQ。
開關(guān)時序控制電路5即為NIPCI6221數(shù)據(jù)采集卡的DI/DO模塊，該模塊提 供三路控制脈沖Vk,、 Vk2和Vk3,波形如附圖3。具體方法是由定時計數(shù)器的 頻率作為時鐘基準(zhǔn)，r,、 r2和7"3必須是定時計數(shù)器周期的整數(shù)倍；根據(jù)懸臂梁10 的模態(tài)頻率、IC!、 IC2的開關(guān)速度及要達(dá)到的控制效果，確定^、 1"2和73的大小
和定時計數(shù)器的頻率；選擇DI/DO的端口0，寫入端口控制字，運(yùn)行程序即可 產(chǎn)生脈沖波形；通過修改端口控制字，可調(diào)整傳感時隙和執(zhí)行時隙的長度，調(diào) 整傳感器和執(zhí)行器的切換頻率。本例中，n二r3二1.5ms， r2 = 3ms， T=6ms,表 明傳感器和執(zhí)行器在1秒內(nèi)切換167次，控制系統(tǒng)的采樣率為167Hz。
在傳感時隙內(nèi)，Vw控制Id的引腳p7和p8連通，電極面A上的電荷經(jīng)Id 的引腳P8被傳感器信號放大電路7放大成電壓，經(jīng)低通濾波器8濾除高頻干擾， 由控制器6中的A/D轉(zhuǎn)換器采樣進(jìn)入PC機(jī)作為狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)；狀態(tài)反饋數(shù)據(jù) 在PC機(jī)內(nèi)經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)處理和一定控制算法下的運(yùn)算形成控制量；PC機(jī)通 過D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制量，在執(zhí)行時隙內(nèi)，Vk2控制Id的引腳ps和p6連通，控制量經(jīng)執(zhí)行器驅(qū)動電路9進(jìn)行功率放大，經(jīng)引腳p6施加到電極面A。壓電元 件是容性器件，在執(zhí)行過程中電極面A儲存的驅(qū)動電荷不會馬上消失，如果在 執(zhí)行時隙之后馬上進(jìn)入下一個傳感時隙，那么電極面A上既有敏感電荷又有驅(qū)
動電荷。為了使驅(qū)動電荷不影響敏感電荷，Vk3控制IC2的引腳p7和p8連通，使
電極面A通過IC2的引腳p8連接放電電阻Rp電荷由&釋放，R產(chǎn)200D。
控制算法為正位置反饋。對懸臂梁10施加恒定擾動振動，令壓電元件檢測 該擾動振動并抑制此振動，采用獨立的電渦流位移計監(jiān)測控制效果。電渦流位 移計的輸出電壓波形由Tektronic示波器TDS1002記錄，如圖5，電壓幅值越大 表示振動幅度越大。A是控制的起始時刻，控制前懸臂梁IO的振動信號峰的峰 值為0.42V，控制后振動信號峰的峰值為031V，控制后懸臂梁的振動幅度降低 為控制前的75%，可見采用壓電自感知執(zhí)行器對懸臂梁進(jìn)行振動主動控制是有 效果的。控制算法的選取非常關(guān)鍵，雖然這里采用的控制算法不是最佳的，但 是足以證明實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法是可行的。本實施例適用于對 低模態(tài)頻率結(jié)構(gòu)尤其是柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行自感知振動主動控制、系統(tǒng)辨識和健康診 斷。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法，采用雙向換能元件，其特征在于采用開關(guān)時序控制電路(5)控制雙向換能元件(1)作為傳感器或執(zhí)行器，當(dāng)雙向換能元件(1)作為傳感器使用時，采用傳感開關(guān)(K1)切換，當(dāng)雙向換能元件(1)作為執(zhí)行器使用時，采用執(zhí)行開關(guān)(K2)切換，采用放電開關(guān)(K3)給雙向換能元件(1)放電，這三個開關(guān)在開關(guān)時序控制電路(5)的控制下交替導(dǎo)通和截止；雙向換能元件(1)先作為傳感器檢測速度或力信號，然后作為執(zhí)行器產(chǎn)生控制位移或力，最后雙向換能元件放電，完成一次傳感和執(zhí)行功能；一次傳感和執(zhí)行的具體步驟為首先閉合(K1)、斷開(K2)和(K3)，雙向換能元件(1)上的敏感信息經(jīng)(K1)進(jìn)入傳感器信號放大電路(7)，此時雙向換能元件(1)作為傳感器使用，檢測結(jié)構(gòu)的速度或力等信息；然后閉合執(zhí)行開關(guān)(K2)、斷開傳感開關(guān)(K1)和放電開關(guān)(K3)，控制器(6)輸出的控制量經(jīng)執(zhí)行器驅(qū)動電路(9)后驅(qū)動雙向換能元件(1)，此時雙向換能元件(1)作為執(zhí)行器使用，執(zhí)行器產(chǎn)生位移或力；最后閉合(K3)、斷開(K1)和(K2)，雙向換能元件(1)上積累的電能由放電通道(4)釋放；傳感器和執(zhí)行器的切換速度高，切換速度等于信號采樣頻率，傳感器和執(zhí)行器的切換速度應(yīng)大于結(jié)構(gòu)最高受控模態(tài)頻率的2倍；一個傳感執(zhí)行周期(T)等于傳感時隙(τ1)、執(zhí)行時隙(τ2)、放電時隙(τ3)的總和，在一個傳感執(zhí)行周期(T)內(nèi)，執(zhí)行時隙(τ2)大于傳感時隙(τ1)，在保證傳感信號采樣正確的前提下，增大執(zhí)行時隙(τ2)，縮短傳感時隙(τ1)，縮短放電時隙(τ3)。
2. 如權(quán)利要求l所述的實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法，其控制系統(tǒng) 的特征是包括雙向換能元件(l)、傳感通道(2)、執(zhí)行通道(3)、放龜通道(4)、開 關(guān)時序控制電路(5)和控制器(6);雙向換能元件(1)的電極面(B)接地；雙向換能元 件(1)的電極面(A)接開關(guān)(K0、 (K2)和(K3)的左端；傳感通道(2)由傳感開關(guān)(K,)、 傳感器信號放大電路(7)和低通濾波器(8)組成，傳感開關(guān)(K,)的右端接傳感器信 號放大電路(7)，傳感器信號放大電路(7)的輸出接低通濾波器(8)，低通濾波器(8) 的輸出接控制器(6);執(zhí)行通道(3)由執(zhí)行開關(guān)(K2)和執(zhí)行器驅(qū)動電路(9)組成，控 制器(6)的輸出接執(zhí)行器驅(qū)動電路(9)，執(zhí)行器驅(qū)動電路(9)的輸出接執(zhí)行開關(guān)(K2) 的右端；放電通道(4)由放電開關(guān)(K3)和放電電阻(R,)組成，放電開關(guān)(K3)的右端 接放電電阻(R^，放電電阻(&)接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2，所述的實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法與控 制系統(tǒng)，其特征是雙向換能元件(l)為壓電元件或磁致伸縮元件；開關(guān)時序控制 電路(5)是數(shù)字邏輯電路或脈沖信號發(fā)生器；控制器(6)是數(shù)字信號處理器DSP或 微型計算機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)電系統(tǒng)的測控技術(shù)領(lǐng)域，涉及到基于雙向機(jī)電換能材料的自感知執(zhí)行器實現(xiàn)方法和控制系統(tǒng)。實現(xiàn)自感知執(zhí)行器的時分復(fù)用解耦法與控制系統(tǒng)采用雙向換能元件，利用開關(guān)時序控制電路控制雙向換能元件作為傳感器或執(zhí)行器，當(dāng)雙向換能元件作為傳感器時，采用傳感開關(guān)切換，當(dāng)雙向換能元件作為執(zhí)行器時，采用執(zhí)行開關(guān)切換，采用放電開關(guān)給雙向換能元件放電，這三個開關(guān)在開關(guān)時序控制電路的控制下交替導(dǎo)通和截止。本發(fā)明降低機(jī)電系統(tǒng)的體積和重量，使被控結(jié)構(gòu)集成化和微型化，降低工藝和安裝難度；做到了同位控制，提高控制的穩(wěn)定性。適用于結(jié)構(gòu)振動主動控制、系統(tǒng)辨識和健康診斷等，尤其適用于體積和重量受到限制的柔性結(jié)構(gòu)。
文檔編號G05B19/042GK101097165SQ200710010410
公開日2008年1月2日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者崔玉國, 董維杰, 賈艷麗 申請人:大連理工大學(xué)