基于优化与OGY技术的双稳态压电能量采集器混沌控制，以实现更高效的能量生成

《Scientific Reports》：Optimization and OGY-based chaos control of a bistable piezoelectric energy harvester for enhanced power generation

　　

摘要

本研究探讨了双稳态压电能量收集器的非线性动力学特性及其能量收集性能。开展此项研究的动机在于提升在非线性且可能呈现混沌状态的条件下工作的压电能量收集器的功率输出及动态可预测性。研究采用STONEHENGE软件进行数值模拟，并通过系统性的参数扫描，分析不同激励和耦合条件下的系统响应。研究并未将激励幅度和频率视为可直接控制的设计变量，而是分析收集器在典型工作条件下的响应情况，以及如何通过调整合适的物理参数和非线性系统参数来提升其性能。随后，研究采用了基于Python的优化算法，评估在模拟参数范围内那些能够提升能量收集性能的参数组合。因此，修正后的分析重点关注性能趋势、非线性耦合效应以及以控制为导向的稳定性提升，而非将特定的激励条件作为实际设计目标。研究结果表明，非线性耦合系数β在决定能量收集效率方面起着关键作用，这说明可以利用非线性耦合来增强能量生成能力。在所研究的数值模型中，经过优化的系统可实现的最大功率输出为69.052毫瓦，这体现了基于参数优化的非线性调谐所带来的潜在优势。此外，研究还应用了Ott–Grebogi–Yorke控制方法来抑制混沌振荡，使系统稳定为周期性运动状态。这种从混沌运动到周期性运动的转变提升了所产生电信号的可预测性。研究结果表明，经过优化的双稳态压电系统结合混沌控制策略，为高效且可靠的振动能量收集提供了良好的解决方案。