集成自感知与自主运行的智能压电系统用于自适应振动控制

《Advanced Intelligent Systems》：An Intelligent Piezoelectric System Integrating Self-Sensing and Autonomous Operation for Adaptive Vibration Control

　　

在变化的动态环境下运行的智能结构需要振动控制系统，在保持紧凑以便实际部署的同时维持有效阻尼。同步切换阻尼（SSD）作为一种半主动振动控制技术，因其结构紧凑、工作带宽广且功耗低而适用于该应用场景。然而，现有SSD系统强烈依赖辅助仪器，增加了系统复杂性并限制了其实际部署。本研究提出了一种在统一架构内实现的智能SSD系统。通过集成峰值检测模块、开关模块以及自适应偏置翻转SSD接口，所提出的系统能够自主识别振动状态、确定开关时机并自适应调节其阻尼行为。实验结果表明，在11.98 Hz、0.05 g激励下，该系统相对于无控制情况将振动幅值降低了75.5%，并相对于电感SSD（SSDI）技术进一步实现了20.7%的衰减。此外，所提出的系统在中度偏置电压下实现了与电压源SSD（SSDV）技术相当的振动抑制效果，同时保持了其高自适应能力。上述结果证实了所提出的系统作为一种实用化、集成化的解决方案，可在变化的动态条件下实现智能结构中的自主、自适应压电振动控制。

**论文解读：集成自感知与自主运行的智能压电系统用于自适应振动控制**

### 1. 研究背景与问题

智能结构在复杂多变的动态环境中运行时，机械扰动和结构振动会显著影响其运行稳定性、可靠性与使用寿命。自适应振动控制因此成为下一代智能结构的关键能力，尤其在激励条件不确定或时变的情况下。压电材料因其兼具传感、作动与能量转换功能，为构建紧凑型集成振动控制系统提供了理想基础。在压电振动控制系统中，电气接口对压电电压的处理以及将振动诱导的电响应转化为有效阻尼至关重要。同步切换阻尼（SSD）技术作为一种半主动方法，兼具无源方法的简单低功耗特性和良好的阻尼性能，受到广泛关注。

然而，现有SSD系统存在明显局限。基于电感的SSD（SSDI）技术虽通过LC谐振电路实现电压翻转，但其电压翻转因子受LC网络寄生能量损耗的固有限制，阻尼效果不足。基于电压源的SSD（SSDV）技术虽引入恒压源补偿寄生损耗，但需要外部电压源且需精细调节偏置条件，在弱激励下注入能量甚至可能激励而非抑制结构振动，引发不稳定性。为进一步提升自适应能力，研究者提出了基于可调电压源的多种自适应SSDV策略，但这些策略严重依赖外部传感、计算和电源，增加系统复杂度并限制实际部署。同时，自供电SSD系统虽降低了实现复杂度，但难以在紧凑架构中实现实时外部注入能量的调节，因而无法真正实现自适应振动控制。综上，在无需任何辅助仪器条件下，利用紧凑型压电系统实现高效、自主且自适应的振动控制仍是重大挑战。

### 2. 研究目标与系统设计

针对上述问题，研究人员提出了一种集自感知、自主运行与自适应阻尼控制于一体的智能压电振动控制系统，其核心是一种自适应偏置翻转SSD接口。该系统将峰值检测模块、开关控制模块、电源模块与偏置翻转SSD接口集成于单一紧凑的印刷电路板（PCB）上，建立了嵌入式的“感知—决策—控制”闭环，消除了对外部传感和控制仪器的依赖。所有电子模块由纽扣电池供电，而同步切换过程无需外部能量注入。

该系统的工作机制基于多步偏置翻转原理。接口电路包含电感、偏置电容（C_b）及四对MOSFET，可在正负半周期内依次实现三次电压翻转，分别通过不同的LC振荡路径完成。在稳态运行下，偏置电容经历充电、稳定与放电三个阶段。由于C_b远大于压电电容（C_p），其近似充当准直流电压源。偏置电压V_b可在振动条件变化时自主调节：当振动增强时，首次偏置翻转注入的能量大于第三次释放的能量，导致V_b逐渐上升，直至建立新的能量平衡；振动减弱时则相反。通过该机制，系统无需外部偏置电压源即可获得增强的等效电压翻转因子γ_eq，并具备固有的自适应阻尼能力。

### 3. 关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法实现系统功能：(1) **多步偏置翻转SSD拓扑**：利用四对MOSFET与单个电感、偏置电容构成三个独立的LC振荡路径，在同步切换瞬间依次执行三次电压翻转，提升等效电压翻转因子。(2) **自感知峰值检测**：通过电阻分压、差分放大器、比较器与RC延迟网络构成峰值检测模块，直接从压电电压波形中识别位移极值，触发切换动作。(3) **无源自举栅极驱动**：采用RC耦合自举网络实现MOSFET栅极电压电平移位，使高侧PMOS与NMOS获得足够的栅极驱动电压。(4) **双轨电源架构**：采用单颗3.6 V纽扣电池供电，通过电荷泵电压反相器产生负电源轨，确保压电双极性波形处理完整。(5) **嵌入式微控制器（MCU）**：基于STM32F103C8T6接收峰值检测中断并输出开关序列。实验采用弹性钢梁（120 mm×22 mm×0.4 mm）与PZT-5H压电片（40 mm×20 mm×0.2 mm）组成的压电悬臂梁，由振动台（Econ EDS）施加简谐基础激励，通过激光多普勒测振仪（Soptop LVS01）和示波器（Tektronix MDO34）进行观测，无任何辅助控制。

### 4. 研究结果

**4.1 运行分析结果**：在12 Hz、0.06 g激励下，实验波形显示所提接口实现了约0.65的电压翻转因子，明显高于SSDI的约0.51。在不同寄生电阻条件下，所提接口的等效翻转因子始终显著高于SSDI，且两者差距随寄生电阻增大而愈发明显；即使在γ_SSDI降至0.3以下时，所提接口仍保持超过0.5的等效翻转因子。偏置电容实验表明，较小的C_b可实现更快的自适应响应，但较大的C_b可存储更多偏置能量；稳定后的V_b在宽C_b范围内基本恒定，验证了其准直流源特性。

**4.2 位移演化结果**：在接近共振（11.9 Hz）条件下，位移从开路（OC）状态的12.49 mm降至SSDI控制下的3.89 mm，再进一步降至所提接口控制下的3.12 mm（V_b稳定为8.26 V）。在离共振（12.3 Hz）条件下，位移从OC的5.43 mm降至SSDI的3.78 mm再降至2.94 mm（V_b约8.47 V），表明所提接口在共振与离共振条件下均优于SSDI。

**4.3 频率响应与自适应特性**：在不同激励水平（0.03–0.05 g）下，所提接口在全部频率范围内均实现比SSDI更强的振动抑制，共振附近改善最显著。例如在11.98 Hz、0.05 g时，峰-峰位移x_pp从OC的11.87 mm降至SSDI的3.67 mm，再降至所提接口的2.91 mm。同时，稳定偏置电压V_b随激励强度和频率接近共振而自动增大（如11.98 Hz下V_b从0.03 g的4.46 V升至0.05 g的6.62 V），在离共振和弱激励下则减小，验证了系统的内在自适应特性。

**4.4 与SSDV的对比**：在0.05 g激励下，V_dc=2的SSDV性能优于所提接口；但当加速度升至0.1 g时，该固定偏置电压不足，所提接口反而超过此SSDV配置。相比之下，所提接口无需任何外部调整即可在变化条件下保持稳定且具有竞争力的抑制性能。在固定激励（12.3 Hz、0.02 g）下，SSDV的抑制能力随V_dc增大先提升至约-20 dB后迅速恶化，出现自激振荡引起的稳定性转折点；而所提接口始终保持稳定抑制，表明其规避了SSDV因过度外部能量注入而失稳的风险。

### 5. 讨论与结论

讨论部分指出，所提系统通过偏置电容内的自主充放电平衡实现频率与加速度变化下的自适应振动抑制。与SSDV相比，在中度恒定偏置电压下其性能相当，但避免了过度外部能量注入引发的不稳定性。研究结论部分总结如下：本研究设计、实现并实验验证了一种集成自感知、自主运行与自适应阻尼的智能压电振动控制系统。通过将自适应偏置翻转SSD拓扑、开关控制模块、双电源模块和峰值检测模块集成于紧凑PCB，该系统建立了嵌入式“感知—决策—控制”闭环，消除了辅助传感和外部控制仪器的依赖。压电元件同时作为作动器和传感元件，多步偏置翻转机制增强了阻尼效果，并在无外部能量注入条件下自主适应变化的激励条件。实验结果表明，所提自适应偏置翻转SSD接口始终比传统SSDI实现更强的振动抑制，并展现出固有自适应能力。与SSDV的对比进一步表明，它在中度恒定偏置电压下可提供相当的振动控制性能，同时避免了过度外部能量注入引发的不稳定性。总体而言，所提出的智能压电系统为智能结构中的自主自适应振动控制提供了一种紧凑、实用的系统级解决方案，其高度集成架构减少了对辅助仪器的依赖，同时保持了强阻尼与自适应能力。未来工作可聚焦于进一步小型化、低功耗优化及向多模态和大规模结构振动控制的扩展。该研究发表在《Advanced Intelligent Systems》。