上海大学朱晓锦团队 | 压电智能叶片的优化配置与振动主动控制算法
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2025-01-16 12:02
北京
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高志远, 徐童欣, 苗中华, 邵勇, 朱晓锦. 压电智能叶片的优化配置与振动主动控制算法. 中国科学：信息科学, 2025, 55(1): 129-139, doi: 10.1360/SSI-2024-0090
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航空发动机的工作可靠性和结构完整性问题一直是制约高性能航空发动机发展的主要瓶颈，其中的核心问题之一便是高速旋转叶片的振动故障问题。作为复杂薄壁曲面类部件，航空发动机叶片结构复杂、工况恶劣，一旦叶片振动特性发生改变，会直接影响航空发动机工作稳定性。 为克服被动阻尼减振技术的缺陷，美国国家航空航天局格林研究中心联合通用电气航空集团提出了利用压电纤维材料构建压电智能叶片进行主动振动抑制的新一代航空发动机叶片设计方案，为高性能航空发动机叶片的研究提供了崭新的研究思路和探索方向。相关的一系列测试表明，构建压电智能叶片进行振动主动抑制，具备被动阻尼技术无法比拟的振动抑制效果，能够实现航空发动机叶片的自感知、自控制和自修复。随着高温压电陶瓷材料的突破性进展以及先进陶瓷涂层技术的不断改进，压电智能叶片技术有望成为能够解决下一代高性能航空发动机叶片振动故障制约的关键。面向以压电材料构建压电智能叶片进行主动振动抑制的新一代航空发动机叶片研究，针对压电元件在叶片模型上的位置布局和压电智能叶片振动主动控制算法问题，本文提出了基于有限元分析的压电元件优化配置方案和变步长自适应滤波控制算法，开展了压电传感器和压电作动器的优化配置和能够平衡收敛速度与稳态误差的自适应滤波控制算法研究。通过仿真和实时控制实验，验证了相关方法的有效性。主要贡献如下：（1）面向压电元件在叶片模型上的位置布局，给出了三种位置优化方案的目标函数，并提出了一种参数自适应调整的差分进化算法来优化传感器和作动器的位置。 （2）面向压电智能叶片振动主动控制算法设计，提出了根据误差信号幅值动态调整步长的能够平衡收敛速度与稳态误差的VSS-FxLMS算法。为了使位置优化结果更加可靠，优化算法对压电元件的中心坐标进行50次辨识，并取50次运行结果的平均值作为最终优化结果。最终的优化结果如图1所示。为验证相关方法的有效性，基于 Matlab xPC实时控制系统、电荷放大器、压电智能叶片、功率放大器、数据采集板卡等信号采集和处理设备构建了压电智能叶片振动主动控制实验平台，如图2所示。图 2 基于MATLAB xPC平台的实时控制实验平台分别以一阶固有频率信号、二阶固有频率信号和一二阶叠加信号作为扰动信号进行振动主动控制实验，如图3所示，验证了提出的VSS-FxLMS算法的针对不同扰动信号的控制效果。![]()
(a) 一阶固有频率信号激振
图3 不同激振信号下五种VSS-FxLMS算法的控制效果在固有频率信号的基础上附加白噪声信号作为扰动信号进行振动主动控制实验，如图4所示，验证了提出的VSS-FxLMS算法在不同工况下的有效性。![]()
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图 4 引入白噪声作为激振信号下五种VSS-FxLMS算法的控制效果![]()
