Page 246 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 38 卷第 11 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 38 No. 11
2025 年 11 月 Journal of Vibration Engineering Nov. 2025

面 向 大 型 结 构 振 动 抑 制 的 小 型 轻 质 低 功 耗

压 电 半 主 动 实 时 控 制 系 统

何军峰， 袁 权， 吴义鹏， 季宏丽， 裘进浩

（南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，江苏 南京 210016）

摘要：基于压电纤维复合材料（macro fiber composite，MFC）的大型挠性结构半主动控制系统一般存在压电材料集成度低、振
动收敛慢、功耗大等问题，难以满足结构振动抑制的实际需求。为此，本文提出一种基于能量注入同步开关阻尼的自适应注
能算法及实时控制系统。该系统通过 STM32 微控制器实时感知传感 MFC 电压变化，在开关信号翻转前自动调节注能时间，
并将能量非线性高效注入到驱动 MFC 中，具备轻质、低功耗、小型化等特征，最终提升了控制能效。该系统已在大展弦比无
人机平台上进行了试验验证：在自由衰减对比试验中，该实时控制系统实现了机翼振动在 10 s 内的完全抑制，收敛时间提升
了 200%；在襟翼分别用 10°和 15°摆动角度起振的情况下，对单侧机翼施加控制，振幅衰减率分别达到 59.0% 和 30.6%。
关键词： 振动抑制；同步开关阻尼；大型挠性结构；压电纤维复合材料；STM32 微控制器
中图分类号：TB535 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202508048

Compact and low-power piezoelectric semi-active real-time control system

for vibration suppression in large-scale structures

HE Junfeng，YUAN Quan，WU Yipeng，JI Hongli，QIU Jinhao
（State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，
Nanjing 210016，China）

Abstract：Semi-active control systems for large flexible structures based on macro fiber composite (MFC) generally suffer from low integration
of piezoelectric materials，slow vibration convergence，and high power consumption，which limit their applicability in practical structural
vibration suppression. To address these limitations，this paper proposes an adaptive energy injection algorithm based on synchronized switch
damping (SSD)，together with its real-time control system. The system employs an STM32 microcontroller to sense the voltage variation of the
sensing MFC in real time， automatically adjust the energy injection timing before the switching signal reverses， and nonlinearly and
efficiently inject energy into the driving MFC. With features of lightweight construction，low power consumption，and compact design，the
proposed system significantly improves control efficiency. Experimental validation was carried out on a high-aspect-ratio UAV platform. In the
free decay comparison test， the real-time control system completely suppressed wing vibration within 10 seconds， achieving a 200%
improvement in convergence rate. Moreover，when the flap was excited at deflection angles of 10° and 15°，single-wing control achieved
amplitude attenuation rates of 59.0% and 30.6%，respectively.
Keywords：vibration suppression；synchronized switch damping；large flexible structure；macro fiber composite；STM32 microcontroller

随着中国航空航天事业的快速发展，设备大型 构振动的影响更是不容忽视 [3-5] 。因此，如何实现有
化与轻质化已成为重要的发展趋势，针对大型轻质 效的振动抑振，成为当前学术界和工程界关注的研究
挠性结构的振动抑制也已成为制约大型空间结构性 重点。
能提升的关键技术之一 [1-2] 。在复杂载荷耦合作用 压电材料依托其正、逆压电效应，能够实现机械
下，当结构振动幅度超过一定阈值时，容易引发关键 能与电能之间的双向转换 ，其结构集成性强、工作
[6]
部件的疲劳损伤。在高分辨率遥感探测、卫星精密 频带宽等优势，使其在振动抑制与能量采集等领域
载荷运行、电力电网系统等高精度应用场景中，结 具有广阔的应用前景 [7-8] ，例如，LI 等 [9] 设计了线性二

收稿日期：2025-08-14；修订日期：2025-09-01
基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (U2436204， 52241103， 52572410)； 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 项 目
(NE2024002，NP2024112)