采用压电材料的振动主动控制
ANSYS在压电智能板振动主动控制中的应用
Ｊ ｎ． ｏｏ ｕ ２ ６
文 章 编 号 ：０ ７—６ ４ （ ０ ６ ０ １０ ７ ３ ２ ０ ） ２—０ １ ０ ４—０ ３
Ａ Ｓ Ｓ在压 电智 能板 振 动 主 动控 制 中的 应 用 ＮＹ
郑 骥 ， 东 东 ， 京 军 赵 张
（ 北工程大学 土木学院 ， 北 邯郸 河 河 ０６３ ） ５０８
中图分 类号 ： Ｈ １ ． Ｔ １３ １ 文 献 标 识 码 ： Ａ 现振 动 主动控 制 。
１． ２应 变 提 取 方 法
振 动主 动控制 是 当前 振 动工 程 领域 内 的高 新 技术 ， 动力 学 、 制 、 算 机 与 材 料 科 学 等诸 多 是 控 计 学科 的综 合 。近年 来 ， 着航 空航 天 、 器 人 技术 随 机 的发展 ， 性 结 构 的 振 动 控 制 已经 成 为 人 们 研 究 柔 的热点 和迫 切需 要 解决 的 问题 之 一 。用 于振 动 控 制 的智 能结 构 中 ， 用 压 电材 料 作 为 传 感 器 和 驱 多 动 器 ， 其贴 在粱 、 等结 构 元 件 的表 面或 嵌 入结 将 板 构内部 。与 传 统 的 振 动 主 动 控 制 方 法 相 比， 能 智 结构 可 以在不 明显 改 变受 控 结构 的质 量 和体 积 的 条件下 ， 到 自适应 调节 减振 的 目的 。 达 目前 对采 用 压 电材 料进 行 主动 控 制研 究 的结 论通 常采用数 值仿真 Ｊ １ 分析 和实验 模型进行验证 ２ Ｊ 其有效 性 。 由于数 值 仿真 需 要 建立 系 统 的状 态 空
摘 要 ： 用 Ａ Ｓ Ｓ软件 对 粘贴有 压 电材料 的智 能板 结构建 立有 限 元模 型 ， 利 ＮＹ 通过 瞬 态动 力 学分析
基于压电元件的振动控制技术研究
基于压电元件的振动控制技术研究摘要：振动控制一直都是机械、精密仪器、航空等领域研究的课题，在各种新型的减振技术被提出的同时，具有良好的机电耦合特性的压电材料也被广泛的应用在减振领域。
本文利用带压电分支电路的压电悬臂梁模型，研究了利用压电元件的压电效应特性对振动结构体振动被动控制的方法，运用Matlab对该模型进行了频率响应分析，利用Ansys对其进行了模态分析，实验分析了压电元件对机械系统振动特性的影响，验证了理论的结果。
关键词：机电耦合；振动控制；压电效应；分支电路0引言随着人们对减振技术的研究，压电元件对振动控制的研究受到了广泛的关注。
振动存在于人们的生活、工作等各个领域，往往带来的是一些消极的影响。
例如，振动以弹性波的形式传播，会产生噪声污染。
振动还影响着人们的日常生活和工业生产。
比如，工厂中各种机器设备的振动幅度若超出一定的范围，将会对操作人员的健康产生极大的危害；航空发动机叶片、叶轮的振动会减少发动机的寿命，使机械零件产生疲劳，重则还会危害飞行人员的安全等。
如此可见，振动带来的危害是不可小觑的，如何降低振动对周围环境设备和人体带来的危害就变得尤为重要。
1项目介绍有些机械由于结构的复杂，在研究和加工过程中，每个环节上出现误差，都很可能造成整机产生振动。
本课题主要利用压电元件良好的机电耦合特性，将压电片表面电极与控制电路相连，压电元件作为机械部分与电路部分的媒介，以被动控制的方式来达到减振的目的。
通过给振动结构体附加压电元件并外接一个电路，改变结构的动态特性，使系统振动产生的能量转化为电能并通过其他形式消耗掉，以此来改变固有频率、振动位移的幅值和振动的衰减率等，从而起到减振的效果。
当压电片等效的电容和连入电路中的电感元件组成谐振电路的谐振频率与系统的固有的共振频率相近时，则会起到吸震作用。
电阻分支电路电阻电感分支电路图1 压电分支电路2压电材料及压电效应压电材料具有正压电效应和逆压电效应的性质，不仅能作为制动器，也能作为传感设备。
压电复合梁高阶有限元模型与主动振动控制研究
Ｖｏ ． ． １５ Ｎｏ ２
Ｊｎ ０ ７ ｕ ．２ ０
压 电复 合 梁 高 阶有 限元 模 型 与 主 动 振 动 控 制研 究
蒋建平 李 东旭
４０７ ） １０ ３ （ 国防科技大学航 天与材料工程学院 ， 长沙
摘要
大型柔性空 间结构 的振 动控制 问题 引起 了广泛 的关 注． 电材 料 以其低 质量 、 压 宽频 带和适 应性 强等
模 型 ． 在 模 型 中考 虑 了压 电材 料 的热 电耦 合 效 并 应 ． 简单 负反 馈控 制 方法 、 增 益 速 度 负 反 馈 控 对 常 制 方 法 、ｙｐ ｎｖ反 馈 控 制 方 法 和 Ｌ Ｒ 方 法 在 智 Ｌａｕ ｏ Ｑ 能层 梁 结构 振 动控 制 中的应 用进 行 了对 比研 究 ． 认 为 Ｌ Ｒ方法 更 为 有 效 ， 且 产 生 的 作 动 器 电压 峰 Ｑ 并
理论 和一 阶剪 切 变形 理论 ， 出了包含 压 电材 料 质 提
量 和 刚度 影 响的 梁 、 单 元 ， 采 用 Ｌ Ｒ等控 制 方 板 并 Ｑ 法 实 现 了结构 的振 动控 制 ．
本文针对上下表 面粘贴 分布式压 电传 感器和
作 动器 的层 梁 结 构 ， 用 高 阶位 移 场 假 设 ， 出 了 采 提
一
种 包含 压 电材 料 质 量 和 刚 度 影 响 的 高 阶 有 限 元
构振动 控制 问题 的一 种 有效 的方 法 ｊ压 电材 料具 ． 有 正逆 压 电效 应 ， 可 作 为 传 感 器 也 可 作 为 作 动 既 器 ， 且 具有 低质 量 、 并 宽频 带 ， 高灵 敏度 和容 易 安装 等特 点 ， 常适 合 于 大 型柔 性 空 间 结 构 的振 动 控 非
浅谈压电材料在振动主动控制中的应用
浅谈压电材料在振动主动控制中的应用近些年来，随着科学技术的发展，人们对机械制造的要求越来越高，希望能够采用更加精确的加工实现更高的安全性、舒适度等要求。
振动在大多数情况下都是不利于机械使用的，比如对于车辆工程，在路况不好或发动机振动幅度大时，对乘客的舒适性就有一定影响；对于机械工程来说，机械系统振动幅度大会降低机械对元件制造精度的控制。
因此必须进行振动控制。
振动控制属于振动工程领域，分为主动控制和被动控制两类。
被动控制属于反馈控制，结构简单、易于实现，但是对于控制的效果和适应性较差；而主动控制不同，具有控制效果好、环境适应能力强等特点，弥补了被动控制的不足。
对此，文章将对压电材料在振动主动控制中的应用进行探讨与研究。
标签：压电材料；振动主动控制；应用研究1 压电材料的分类与特点压电材料指的是具有压电效应的材料。
根据材料种类进行分类可分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料三种，无机压电材料还可细分为压电晶体和压电陶瓷。
压电晶体一般指的是压电单晶体，即按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体，由于结构无对称中心而具有压电性。
比如石英、镓酸锂、锗酸锂等，都是压电单晶体。
目前投入使用的压电单晶体主要为非铁电性压电晶体石英，石英晶体具有机械品质因数高、频率温度系数小的特点；其次即为铁电性压电晶体铌酸锂和钽酸锂，它们的机电耦合系数大，且可在高温环境下使用。
压电陶瓷指的是用几种必须原料混合、高温炼制而成，由粉粒间的固相反应和烧结过程得到的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。
在上世纪50年代发明的锆钛酸铅（化学式，可简称为PZT）是至今使用最为广泛的压电陶瓷材料。
和压电单晶体对比不难发现，压电陶瓷的压电性强、介电常数高，加工成的形状也比较多样化。
但同时也具有机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差等不足之处，以内更适用于大功率换能器和宽带滤波器等应用。
有机压电材料又称为压电聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）为典型代表。
采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制
（ ｒ＋ （ ｛ ＿ ｛ ） ＿ 】 ＝０ 】 ）
（） １
１ ）国家 自然科学 基 金重点项 目 （０ ３ ０ ０ 和 中国博 士后基 金项 目资助、 ６ ０４ １ ）
维普资讯
篁 期
陈伟民 采 布 等： 用分 式压电 动器 面的 驱 升力 颤振主 抑制 动
颤 振 速度 在 升 力 面 后 缘 粘 贴 了配 重 （ 积 ３ ． 面 ）
如 图 ２所 示 ，压 电 单 元 为 ４节 点 弯 板 单 元 （ 节 点 ３个 自由度 ， Ｗ 为 Ｚ方 向位 移 ， 每
场 是 均 匀 分 布 的 ． 由压 电单 元 的 连 续 条 件 【 可 得 压 电层 合 板 ｔ ｉ ｔ ｅ ｏｅ ｅｃ ｒ ｃ ａｃ ｕａｔ ｏｒ
［ 二］
ａｌ ｕｍ ｉ ｎｕｍ ａ ｅ ｐｌ ｔ
ｎ ｔｓ ）１ ｐｅ ｏ ｌ ｔｉ ａ ｔａｏｓ ２ ａｕ ｎ ｍ ｏｅ：１ － ｉｚｅｅ ｒ ｃｕ ｔｒ， － ｌｍｉｕ ｃ ｃ
ｐｌ ｔ ，３－ ｂａｌ ｃ ｅ ｇｈ ，４— ｓ ｎｓ ｎｇ ｐｏｉ ． ａｅ － ａｎ ｅ ｗ ｉ ｔ ｅ ｉ ｎｔ
图 ２ 压 电单 元 示 意 图
Ｆｉ ２ Ｐｉ ｚ ｌ ｔ ｉ ｌ ｍ ｅ ｇ． ｅ ｏｅ ｅｃ ｒ ｃ ｅ ｅ ｎｔ
２、 ｕ ｔ ｍ ｍ ． ｎｉ——
图 １ 模 型 示 意 图
Ｆｉ １ Ｓｋ ｔ ｈ ｏｄｅ ｇ． ｅ ｃ ｏｆ ｍ ｌ
其 中 ｛ ）＝ ［ ｒ Ｗ
构成， ［ 为压 电常数矩 阵． ｅ ］ 消 去第 一 个 方 程 的 电压 项
ａＥ 京大学力学与工程科 学系，北 京 １０ ７ ） ０ ８ １ ”（ 北京航空航天大学 飞行 器设计 与应 用力学系，北京 １ ０ ８ ） ０ ０ ３ ｔ中国科学 院力学研究所，北京 １ ０ ８ ） （ ０ ０ ０
机器人末端执行器减振的方法(一)
机器人末端执行器减振的方法1. 惯性减振法惯性减振法是通过增加惯性来减小振动幅度。
这种方法通常通过增加质量或者改变系统的惯性矩来实现。
例如，可以在末端执行器上增加重物来增加其惯性，从而减小振动幅度。
另外，还可以通过改变系统的结构设计来改变惯性矩，以达到减小振动的效果。
2. 主动控制减振法主动控制减振法是通过在系统中引入主动控制装置来减小振动幅度。
这种方法通常通过传感器实时检测振动信号，并通过控制装置对系统进行实时调节来实现。
例如，可以通过在末端执行器上安装加速度传感器来实时监测振动信号，然后通过控制装置对系统进行实时反馈控制，以减小振动的幅度。
3. 被动减振法被动减振法是通过在系统中引入被动减振装置来减小振动幅度。
这种方法通常通过在末端执行器上安装减振器或者减振材料来实现。
例如，可以在末端执行器上安装弹簧减振器或者阻尼材料来减小振动的幅度，从而达到减振的效果。
4. 结构优化减振法结构优化减振法是通过对系统的结构进行优化设计来减小振动幅度。
这种方法通常通过有限元分析和优化设计来实现。
例如，可以通过对末端执行器的结构进行有限元分析，找出振动的主要模态，并针对性地对系统的结构进行优化设计，以减小振动的幅度。
5. 智能材料减振法智能材料减振法是通过在系统中引入智能材料来减小振动幅度。
这种方法通常通过在末端执行器上使用智能材料来实现。
例如，可以在末端执行器上使用压电材料或者形状记忆合金材料来实现振动的主动控制，从而减小振动的幅度。
通过以上方法的应用，可以有效地减小机器人末端执行器的振动幅度，提高系统的稳定性和精度，从而更好地满足各种工业自动化应用的需求。
基于压电材料的主被动振动控制及参数优化的开题报告
基于压电材料的主被动振动控制及参数优化的开题报告一、选题背景振动是普遍存在于各种工程结构中的重要问题，因为振动会导致结构的疲劳和损坏，甚至危及人员和设备的安全。
因此，探索振动控制技术是一个受到广泛关注的研究领域。
其中的主动振动控制技术基于能够产生力和/或挠曲矩的执行器，实现对结构振动的直接控制。
而被动振动控制技术则利用可以吸收振动的材料构建阻尼器，实现对结构振动的间接控制。
压电材料是一种被广泛研究的智能材料，其具有高机电耦合系数、宽频响应、快速相应、一致性好等特点，非常适合应用于主被动振动控制中。
二、研究目的和内容本研究的目的是通过使用压电材料来实现主被动振动控制，并对其参数进行优化。
具体内容包括以下几个方面：1.压电材料的特性研究。
通过实验和仿真分析压电材料的力学和电学性质，确定其在振动控制领域中的应用范围。
2.主动振动控制技术的研究。
使用压电材料构建主动振动控制系统，研究其控制效果和参数优化策略。
3.被动振动控制技术的研究。
使用压电材料构建被动振动控制系统，研究其吸振效果和参数优化策略。
4.主被动振动控制的比较研究。
对主动和被动振动控制系统进行定量比较，分析其特点和适用场景，为实际应用提供参考。
三、研究方法和技术路线本研究采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，具体的技术路线如下：1.压电材料的特性研究。
首先需要进行实验和仿真分析，得到压电材料的机电特性和变形效应，并确定最佳的工作条件。
2.主动振动控制技术的研究。
使用压电材料制作振动控制执行器，并根据理论分析和数值模拟进行参数优化。
3.被动振动控制技术的研究。
使用压电材料制作阻尼器，并根据理论分析和数值模拟进行参数优化。
4.主被动振动控制的比较研究。
使用实验和数值模拟进行比较，获取不同控制方案的控制效果和优缺点。
四、研究意义和预期结果本研究的意义在于探索新型压电材料在主被动振动控制中的应用，为振动控制技术的发展提供新的思路和方法。
预期取得的结果有以下几点：1.确定压电材料在振动控制领域中的应用范围和性能。
基于压电智能结构的镗削振动主动控制的仿真与实验研究
模型 ， 于该模 型 给 出了镗 削 系 统对 振 动 控 制 的仿 真 基
与实验 结果 。
１ 镗 削振 动 主 动控 制 系统模 型
１ １ 压 电传感及 致动方 程 ］ ．
考虑对 位配 置 的方 式 ， 压 电传 感 器 和执 行 器 分 将 别粘贴 于 镗 杆 的 上 下 表 面 ， 感 器 的 输 出 电 压 可 表 传
摘 要 ：在镗削加工中， 由于镗杆长颈比较大， 因此， 普遍存在镗削振动问题， 这种振动限制了切削效率， 影响了工
件表面质量。提 出以压 电振动干扰抑制镗削振动的设想 ， 建立 了含有压 电控制单元 的镗 削振动系统动力学模型 ； 于该 基 模型设计 了实验装置 。理论仿真和实验分析结 果表明 ， 装置能够有 效抑制镗 削过 程 中镗杆 的振 动 ， 该 且结构 简单 ， 易于
其 中 ：ｏｔ为控 制 电压 ，， Ｖ （） ｄ 为静 电压系 数 ，。 ｈ 为压 电执
行器 的厚 度 ， ：为镗 杆 的厚 度 ， 为 压 电 陶瓷 的 弹性 ｈ 模量 ， Ｅ为镗杆 弹性横 量 。方 程 （ ） ３ 即为 压 电执 行 器 的 致动 方程 。 １ ２ 镗 削振 动 系统 动力学有 限元模 型的建 立 ．
削过程 中 ， 得了一定 的控 制效 果 ； 取 日本 三 菱公 司 推 出
一
） ， ） （
一
） ＝
（） ３
种“ 阻尼镗 杆 ” 这 种 阻尼 镗杆 的结构 特 点 是 采用 由 ，
。
（） ｔ
计算 机模拟分 析设计 出 的高 刚性镗 杆 加上 轻 型刀 头 的
浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用
研究探讨 Research300 浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用邓尚久（湖北建艺风工程设计有限公司， 湖北 荆州 434000）中图分类号：G322 文献标识码：A 文章编号1007-6344（2020）04-0300-01摘要：近年来随着我国建筑行业的飞速发展，各种建筑结构逐渐向大型化、低刚度的柔性结构发展，而柔性结构在外界荷载作用下会产生较大幅度的振动，严重影响结构的正常使用功能。
为此，本文介绍了各种压电材料分类特点、基本工作原理、压电方程以及压电材料在结构减振控制中的减振方法，并回顾了目前压电智能材料在减振控制中的应用现状。
关键词：压电材料；压电方程；减振控制方法0 引言压电材料是一种新型的智能材料，它具有正、逆压电效应，即在受到外界荷载激励时会在材料表面会形成正负相反的电荷，电荷量的大小与外界施加激励成正比，当外界激励消失时，材料又处于不带电状态。
基于压电材料独特的正逆压电效应，将其作为传感器与作动器，直接布置在结构表面进行振动控制，缩减了振动控制时的中间环节，从而大幅提高控制效率。
1 压电材料的分类及特点从压电材料被发现以来，其种类也得到了极大地丰富。
目前主要包括压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、压电纤维复合材料等。
其中压电陶瓷与压电纤维复合材料作为两种重要的智能控制材料在振动控制中得到了越来越多的应用。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，1954年B·Jaffe 等人发现了具有良好的压电性能锆钛酸铅固溶体（PZT），由于其加工方便、价格低廉、灵敏度高、响应速度快等优点的被广泛的应用于大功率换能器、宽带滤波器和各类压电传感器[1]。
目前国内外利用压电陶瓷（PZT）进行减振控制方面的研究也已取得较为丰富的成果[2-3.]。
压电纤维复合材料是1996年由美国国家航空在基于复合材料的原理制作而成，因其压电性能好，柔韧性高被广泛地应用于结构振动控制、结构健康监测等领域。
Fiore 和Daniel 等将压电纤维复合材料用于单层和双层复合材料板的振动主动控制模拟实验上，结果表明压电纤维复合材料对结构振动有较明显的减振效果；Agrawal 和Brij 等利用压电纤维复合材料的压电效应，对船体的弯曲振动进行了主动控制，结果表明，压电复合材料能较好的减小船体的弯曲振动。
压电作动器
对压电作动器用于振动噪声控制的原理和控制方法进行分析讨论，并举例说明。
原理：压电材料是种具有力一电耦合性质的智能材料，能靠材料的正、逆压电效应实现能量转换。
压电材料的正压电效应是指，当对压电材料施加力使之产生变形时，它会产生电荷；压电材料的逆压电效应是指，当给压电材料施加电场时，材料会产生应变。
压电材料的这种特性使得它能很好地同时承担起感应器和作动器的功能。
压电主动控制的基本原理是以压电材料作为受控结构的传感器和作动器，由传感器感受因振动产生的结构应变，将其转变为响应的电信号，并通过一定控制规律产生控制信号，经放大后施加于作动器，由作动器将电能转换为机械能，从而实现智能结构的振动控制。
控制方法：控制方法即设计控制律所采用的控制理论及控制器分析和综合方法, 是振动主动控制的核心环节, 其最终任务是在满足各种实际约束的条件下, 使结构目标位置的振动水平达到最小。
（1）特征结构配置法。
特征结构包括特征值和特征向量, 闭环系统的特征值决定了系统的动态特性, 特征向量则影响着扰动输入对结构的激励能力以及结构上目标点或目标区域的响应水平。
通过同时配置系统的特征值和特征向量,可以增加结构阻尼,在一定范围内改变结构频率以避开扰动的主频段, 以及改善系统性能, 并降低控制能量消耗。
该方法可采用状态反馈或直接输出反馈, 首先将控制目标直接或间接地以理想的特征结构来表征, 构造适当的优化问题来求解最优反馈矩阵,控制器设计就体现在优化目标函数的构造方法上。
（2）线性二次最优控制。
它以控制输入和性能输出的加权二次型为优化指标, 兼顾了控制能量和控制性能, 理论形式简单, 物理意义清晰, 可以比较容易地求得解析形式的控制律, 因此在振动控制中被广泛应用。
王宗利等提出了一种状态相关方法, 针对模态坐标下的方程, 在控制过程中每隔一定时间根据各模态的响应动态调整优化指标中状态加权矩阵, 并在线重新求解反馈矩阵, 以加强对主要模态的控制能力。
ANSYS在压电智能板振动主动控制中的应用
收稿日期:2006-02-27作者简介:郑骥(1979-),男,安徽滁州人,硕士研究生,从事结构主动控制研究。
文章编号:1007-6743(2006)02-0014-03ANSY S 在压电智能板振动主动控制中的应用郑 骥,赵东东,张京军(河北工程大学土木学院,河北邯郸 056038)摘要:利用ANSY S 软件对粘贴有压电材料的智能板结构建立有限元模型,通过瞬态动力学分析(时间历程分析)并编写APD L (ansys parameter design language )程序实现了对智能板的振动控制仿真。
首先定义程序所需要的荷载步,并利用每一荷载步下的节点应变作为反馈信号传给压电片,考虑到板是二维结构,其节点应变可用节点挠度的二阶差分来代替。
仿真结果表明了该方法的合理性,为进一步研究智能结构振动主动控制奠定了良好的基础。
关键词:ANSY S ;智能结构;主动控制中图分类号:TH113.1 文献标识码:A 振动主动控制是当前振动工程领域内的高新技术,是动力学、控制、计算机与材料科学等诸多学科的综合。
近年来,随着航空航天、机器人技术的发展,柔性结构的振动控制已经成为人们研究的热点和迫切需要解决的问题之一。
用于振动控制的智能结构中,多用压电材料作为传感器和驱动器,将其贴在梁、板等结构元件的表面或嵌入结构内部。
与传统的振动主动控制方法相比,智能结构可以在不明显改变受控结构的质量和体积的条件下,达到自适应调节减振的目的。
目前对采用压电材料进行主动控制研究的结论通常采用数值仿真[1]分析和实验[2]模型进行验证其有效性。
由于数值仿真需要建立系统的状态空间方程,对于复杂结构很难实现且过程繁琐,而实验模型则需要高昂仪器设备和实验费用。
K arag ülle 等[3]对两自由度弹簧系统振动分别用数值方法计算和ANSY S 软件仿真,得到的结果是一致的,并利用ANSY S 软件对智能结构建模完成了智能梁振动主动控制的仿真过程。
压电材料与智能结构在振动控制中的研究与前景展望
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10472039);兰州理工大学学术梯队特色研究方向重点资助计划基金项目(T 200207)收稿日期:2006-11-28 收修改稿日期:2007-03-11压电材料与智能结构在振动控制中的研究与前景展望田海民1,缑新科1,2(1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州 730050;2.兰州大学力学系,甘肃兰州 730000) 摘要:智能结构具有自诊断、自适应特性,越来越多地应用于航天结构、机器人、高精度光学系统等方面。
压电材料具有正、逆压电效应,既可以作为作动器又可做传感器,因而常被应用于智能结构。
基于压电材料的特点介绍了振动控制方法,对目前智能结构在振动控制领域的应用现状进行了回顾,最后指出了今后需要解决的主要问题。
关键词:压电材料;智能结构;振动控制中图分类号:T B381 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2007)08-0007-03Application and Development Trend of Vibration ControlB ased on Piezoelectric Materials and I ntelligent StructuresTI AN Hai 2min 1,G OU X in 2ke 1,2(1.College of E lectrical E ngineering and I nform ation E ngineering ,Lanzhou U niversity of T echnology ,Lanzhou 730050,China ;2.Dep artment of Mech anics ,Lanzhou U niversity ,Lanzhou 730000,China)Abstract :Intelligent structure has the characters of self 2diagnosis ,self 2adaptation.S o it is widely used in the fields of large 2scale aerospace structure ,robot ,the high 2accuracy optical system and other areas.Sens or and actuator based on the intrinsic direct and converse piezoelectric effects of piezoelectric materials have been widely used in intelligent structures.The methods of vibration control based on the characters of piezoelectric materials were introduced.Application of piezoelectric materials in vibration control now have been reviewed and the main problems still need to s olve were raised.K ey w ords :piezoelectric material ;intelligent structure ;vibration control 0 引言随着航空航天、机器人、微电子机械等高新技术的发展,对系统振动的抑制成为各种系统设计的一个重要问题。
压电柔性结构的建模、参数辨识与振动主动控制
压电柔性结构的建模、参数辨识与振动主动控制压电柔性结构的建模、参数辨识与振动主动控制压电柔性结构是一种由压电材料构成的柔性结构体，其在工程领域中具有广泛的应用前景，特别是在振动控制方面。
为了实现对压电柔性结构的振动控制，首先需要进行其建模和参数辨识，以获取系统的相关动态特性。
本文将从压电柔性结构的建模、参数辨识以及振动主动控制的角度进行论述。
一、压电柔性结构的建模压电柔性结构的建模是进行振动控制的基础，其目的是描述系统的动态特性和控制方案。
建模的过程可以分为以下几个步骤：1. 确定控制系统的目标：包括振动控制的频率范围、振幅要求等。
2. 建立结构的刚度模型：将结构划分为若干个单元，在每个单元内利用有限元方法建立刚度矩阵。
3. 引入压电材料的特性：考虑到压电效应的存在，需对压电材料建立电弹性行为模型，并与刚度模型相耦合。
4. 确定系统的边界条件：结构的边界条件对于模型的准确性和可靠性起着重要作用，需综合考虑结构的支撑方式和外部载荷等因素。
5. 构建振动方程：将步骤2和3中的刚度矩阵与外荷载耦合，进而得到结构的振动方程。
二、压电柔性结构的参数辨识参数辨识是为了获取系统的有效参数，从而实现振动控制的前提。
参数辨识的过程主要分为以下几个步骤：1. 设计辨识实验：通过施加不同的激励信号，获取结构在不同振动状态下的响应数据。
2. 数据采集与处理：采集辨识实验中的响应数据，并进行滤波、降噪等处理，以提高信号的质量。
3. 参数辨识方法选择：根据实际情况选择适合的参数辨识方法，如最小二乘法、模态参数法等。
4. 辨识结果评估：通过比较辨识结果与实验数据的拟合程度，评估参数辨识的准确性和可靠性。
三、压电柔性结构的振动主动控制对于压电柔性结构的振动控制，常采用主动控制策略，通过调节压电材料的电势，实现对结构的振动抑制。
振动主动控制的过程可以分为以下几个步骤：1. 设计控制器：根据系统的动态特性和控制目标，设计合适的控制方案，如比例积分控制、滑模控制等。
采用压电开关分流电路技术的半主动振动控制
采用压电开关分流电路技术的半主动振动控制ΞSEMI 2ACTIVE VIBRATION CONTROL BY STATE 2SWITCHEDPIEZOE L ECTRIC SHUNT CIRCUIT杨智春ΞΞ 李凯翔 孙 浩 武 丹 王 巍(西北工业大学航空学院,西安710072)Y AN G ZhiChun LI K aiX iang SUN Hao WU Dan WAN G Wei (School o f Aeronautics ,Northwestern Polytechnical Univer sity ,Xi ′an 710072,China )摘要 利用压电材料的正压电效应,设计出一种新型的状态开关型压电分流电路。
由压电换能器将结构振动变形的应变能转化为电介能,当压电换能器极化表面的电荷积聚达到最大值时,闭合分流电路中的状态开关,分流电路短路,压电换能器上下表面的正负电荷中和抵消,以焦耳热的形式耗散掉电介能,达到抑制结构振动的目的。
将这种振动控制技术应用于柔性悬臂梁的振动抑制,研究状态开关闭合持续时间对抑振效果的影响。
实验结果表明,开关的闭合持续时间约为结构振动周期的1Π10时,抑振效果最佳,悬臂梁第一阶稳态响应幅值降低量约为55%。
关键词 压电分流 开关电路 半主动振动控制中图分类号 TH113.1Abstract The piezoelectric state 2s witched shunt circuit technique is an emerged semi 2active vibration control approach.In this ap 2proach ,the tw o poles of the bonded piezoelectric transducer are s witched from the open state to short state ,which leads to tw o kinds of vibration suppression effects :variable equivalent stiffness and energy dissipation.A novel piezoelectric state 2s witched shunt circuit is proposed based on the piezoelectric effects.The state 2s witch is closed when the induced electric charge on the piezoelectric transducer reaches its maximum ,and then the positive and negative charge are neutralized.In this process ,the dissipated mechanical energy is com posed of tw o parts.One part is the dam ping of higher m ode vibration of the structure which is induced by variable stiffness effect ,and this part is neglectable for the am ount of the stiffness variation is very small.The other is the electric energy which is dissipated as joule heat in the circuit s o as to suppress the structure vibration.The AC ΠDC (alternating current Πdirect current )rectifier and the M OS 2FET (metal oxide semiconductor field effect transistor )are used in the shunt circuit to control the alternating current.The maximum Πmin 2imum v oltage detector is designed based on S imulink ΠdSPACE system which can generate the pulse signal to open the s witch at the right time adaptively.The experiment is carried out to suppress the harm onic response of a cantilever beam.The vibration am plitude is re 2duced by a rate of 55%after the control on.These vibration control results show the feasibility and the effectiveness of the state s witched shunt circuit technique.M oreover ,the effect of the pulse width is als o studied in the experiments.I t shows that the optimal pulse width is ten percent of the vibration period of the structure.K ey w ords State 2switched shunt circuit ;Piezoelectric shunt ;Semi 2active vibration control Corresponding author :Y ANG ZhiChun ,E 2mail :yangzc @nwpu .edu .cn ,Tel ΠFax :+86229288460461The project supported by the National Natural Science F oundation of China (N o.50375122),111project (B07050)and the Project of New Century Excellent T alents G ranted by the M inistry of Education of the People ’s Republic of China (N o.NCET 20420965).Manuscript received 20070808,in revised form 20070930.1 引言近年来,结构振动控制成为结构动力学中的一个研究热点。
压电陶瓷用于柔性悬臂梁振动控制的试验研究
（ 兀 （ １３） ） √ ，， ２… ＇
（ ７ ）
（ ８ ）
悬臂梁的振型函数表达式
贴位置 ， 采用独立模 态控制方法对柔性悬臂 梁进行振动主动控制试验研究． 为提 高信噪比并保证后 继控制 的可靠性和有效性， 对传感信号进行 了滤波处理 ． 试验 结果表 明， 将压 电陶瓷片布置在 悬臂
粱的合理位置上并采用主动控制方法， 可以有效地抑制 悬臂 梁的振动， 使悬臂 梁前 ３ 阶模态的加速
度及 响应谱峰 值 均 减 小 ４ ％左 右 ． ｏ
关键词 ： 电陶瓷 ； 压 柔性悬臂 梁； 压电驱动器 ； 振动控制 中图分类号： ３８ ０ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ０ 一 ８ （ｏ７Ｏ ０５ ０ １ ０ ｌ Ｏ２０ ）卜０５ －４ ０ ９ 近年来 ， 利用电／ 磁流变液体 、 压电材料 、 磁致伸缩材料和形状记忆材料 等制成 的智能传感器和驱动 电／ 器来实现对结构振动进行控制的研究已取得不少成果［ ． 其中多数属于理论公式推导和数值模拟计算方面 的成果 ， 而在实际柔性结构上成功地实现振动主动控制 的研究成果还不 多见 ． 为此 ， 笔者首先依 据悬臂梁 的 振动控制方程确定了压电陶瓷片的粘贴位置 ， 然后采用独立模态控制方法对柔性悬臂梁进行了简谐激励下 的前 ３ 阶振动控制试验研究 ．
４ ｙ ０
ａ ４ ａ
＝
一一 Ｏ２ Ｅ ｔ Ｉ
一
幽
（） 【Ｊ ６
求解式 （） ６可得梁的横向 自由振动的解 Ｙ ，）＝ （ ｓ Ｘ （ ｔ Ａ ｉ ｘ＋Ｂ ｏＸ ｎ ｃｓｘ＋ Ｃ ｉｈｘ＋ＤｃｓＸ ）Ａ ＣＳ ｎ ＋Ｂｌｎ￣ ） ｓ ２ ｎ ｏｈｘ （ ｌＯＯ ｔ ￣ ｓ ｏｔ ｉ ｎ 代人柔性悬臂梁的边界条件 ， 即固定端的位移和转角为 ０ 自由端的弯矩和剪力为 Ｏ可得横 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
压电材料在振动主动控制中的应用
●露
图 １ 压 电传 感器 、压 电作 动器
Ｆｉ ． Ｐ ｅ ｏ ｌｃ ｒ ｃ ｓ ｎ ｏ ｓａ ｄ ｐ ｅ ｏ ｌ ｃ ｒｃ ａ ｔ ａ ｏ ｓ ｇ １ ｉ ｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｅ ｓ ｒ ｎ ｉｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｃ ｕ ｔ ｒ
维普资讯
第２ Ｏ卷 第 ５期 ２０ ０ ７年 ９月
Ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ＆ Ｉ ｎ ｖ ｔ ｎ ｏ ａ ｈ ｎ ｒ ＆ Ｅ ｅ ｔｉａ Ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ ｏ ａｉ ｆ ｏ Ｍ ｃ ｉｅｙ ｌｃｒ ｌ ｒｄ ｃ ｓ ｃ
机 电 产 品 开 崖 与 刨 崭
ｂ 小 、重 量 轻 、频带 宽 、灵 敏 度高 等 优 点 的传感 器 。利 用 １ 可 以满 足精 密 隔振 的要 求 。 由图 ２ （ ）动态 特性 曲线 可 以看 出作 动器 位移幅 值随输 入信 号频率 变化 时 的稳 定度 。
收 稿 日期 ：２ ０ － ６ １ ０ ７ ０－ ９ ｊ
１１ 压 电材料 本构 关 系 ．
压 电材 料 既是 弹 性体 ．又是 介 电体 ，除 了具 有 一般 弹性 体 的 弹性 性 质外 ．还具 有 正 、逆压 电效应 。压 电材 料 中 力 学 量 （ 力 叮、应 变 ８ 应 ）和 电学 量 （ 场 强 度 、 电
具 有控 制效 果 好 ，适应 性 较 强等 优 点 ，具 有 较 强 的环 境
ｅ ｓ（ Ｔ ＝ Ｅ ＋ｄＥ ｒ Ｄ： 叮＋ ｄ ￡Ｅ
１ 压 电材 料 基 本 原 理
压 电材料 的品 种很 多 ，性 能各 异 。主 要 包括 压 电单
式 中 ：ｓ 电场 强 度 为零 （ 常 数 ）时 的 弹性 柔 顺 Ｌ 或 常 数 ；ｄ 压 电 应 变 常 数 ；￡ 应 力 叮为 零 （ 常 数 ） 一 一 或 时 的介 电常数 。
机械振动控制技术的新进展与应用
机械振动控制技术的新进展与应用随着科技的不断发展，机械振动控制技术在各个领域都取得了新的进展与应用。
本文将介绍一些最近的研究成果和应用案例，以展示机械振动控制技术的前沿发展和实际应用情况。
一、主动振动控制技术主动振动控制技术是目前机械振动控制领域的热点之一。
通过激励和反馈控制，主动振动控制技术能够实现对机械系统振动的减小或消除。
例如，近年来研究人员提出了一种基于自适应控制算法的主动振动控制方案，该方案能够根据实时振动响应对控制策略进行自适应调整，从而显著提高振动控制的效果。
二、被动振动控制技术除了主动振动控制技术外，被动振动控制技术也有着广泛的应用。
被动振动控制技术通过设计和优化机械系统的结构和材料，以及添加吸振材料等方式，来减小和消除机械系统的振动。
例如，研究人员利用压电材料设计了一种新型的被动振动控制装置，通过改变压电材料的电场来调节其机械特性，从而实现对机械系统振动的有针对性控制。
三、应用案例机械振动控制技术在实际应用中取得了许多成功案例。
以航空航天领域为例，振动控制技术被广泛应用于飞机、卫星等系统中，能够有效减小和消除机械系统由于工作负载、外部环境等因素引起的振动，提高系统的稳定性和可靠性。
此外，机械振动控制技术还被应用于汽车、高铁等交通工具中，能够显著提升行驶的舒适性和安全性。
总结：机械振动控制技术在新进展与应用方面取得了许多令人振奋的成果。
不论是主动振动控制技术还是被动振动控制技术，都能够在减小和消除机械系统的振动方面发挥重要作用。
应用案例的成功实践更是证明了机械振动控制技术的巨大潜力。
相信随着科技的不断进步，机械振动控制技术将在更多领域发挥重要的作用，为人类创造更加稳定、舒适和安全的生活环境。
材料压电性能的研究与应用
材料压电性能的研究与应用压电材料是一种能够将机械能转化为电能或者反过来将电能转化为机械能的材料。
这种材料在电子设备、声学传感器、振动控制以及能量收集等领域具有广泛的应用。
本文将从材料压电效应的原理入手，探讨压电材料的研究进展及其应用。
一、压电效应的原理压电效应是指在某些晶体和陶瓷材料中，当施加力学应力或变形时，会在材料内部产生电荷分布的现象。
压电效应是由于晶体的非中心对称结构导致的，晶体结构的非对称性使其可以在外加力或变形作用下引起电偶极矩的改变，进而产生电荷。
二、压电材料的分类压电材料主要可以分为无机压电材料和有机压电材料两大类。
无机压电材料包括铁电单晶、铁电陶瓷以及纳米压电材料等，具有较高的压电性能和稳定性；有机压电材料则主要包括聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物、压电聚合物等，其优点在于柔性、可塑性较好。
三、压电材料的研究进展1. 无机压电材料研究进展无机压电材料具有较高的压电系数和较好的稳定性，因此在压电领域有着广泛的应用。
研究者通过改变材料的晶体结构和微观结构来提高其压电性能，例如采用掺杂、制备纳米材料等方法。
此外，利用复合材料的设计和制备也能够增强压电效应，如纳米颗粒填充、层状压电材料的堆叠等。
2. 有机压电材料研究进展有机压电材料由于其柔性和可塑性优势，被广泛地应用于柔性电子设备和能量收集器件中。
研究者不断优化有机压电材料的制备工艺和分子结构设计，以提高其压电性能。
特别是聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物，由于其较好的可加工性和压电性能，成为有机压电材料研究的重点。
四、压电材料的应用1. 传感器领域压电材料的压电效应使其在传感器领域具有广泛的应用。
例如，在声学传感器中，利用压电效应可以将声音信号转化为电信号，实现声音的采集和分析。
此外，压电传感器还可用于测量压力、应变等物理量。
2. 振动控制压电材料的压电效应也可应用于振动控制领域。
例如，将压电材料应用于振动吸收器件中，可以通过压电效应对振动进行主动控制和抑制。
基于压电陶瓷的轿车车身振动主动控制研究
（ 重庆 大学 机械 传动 国家重 点实验 室 ， 重庆 ４ ０ ４ ）。 ０ ０ ４ （ 重庆理 工大学 重 庆汽车 学院 ， 庆 ４ ０ ５ ） 重 ０ ０ ０
Ｓｔ ｄ ｎ ｔ ｅ ａ ｔ ｅ ｖｂｒ ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｆ ｈ ａｒ ｂ ｄ ｙ ｐｅ ｏ ｌｃ ｒ ｅ ａｍｉｓ ｕ ｙ ｏ ｈ ｃ ｉ ｉ ａ ｉ ｏ ｔｏ ｅ ｃ － ｏ ｙ ｂ ｉ ｚ ｅｅ ｔｉ ｃ ｒ ｖ ｏ ｏ ｔ ｃ ｃ
理方程。 以应变 Ｓ和 电位移 Ｄ作为 函数 ， 若 应力 和电场 Ｅ为 自
变 量 可 以得 到 用 张量 形 式 表示 的压 电方 程 ：
＋
／ Ｄ 一 ＋ｄ
１１ 电陶 瓷 的压 电效 应 ．压
压 电 陶瓷 除 了具 有 一 般 介 质 材料 所 具 有 的介 电性 能 和弹 性
ＤＥ ＮＧ ｏ ｈ ｎ ， ＮＧ ｅ ｇ ， Ｊｎ ， ＨＡＮ Ｇｕ ｎ — ｕ Ｇｕ — ｏ ｇ． ＸＩ 一 Ｆ ｎ ＯＵ Ｊａ ２Ｚ Ｇ ａ ｇ ｈ ｉ
（Ｃ ｏ ｇ ｉｇＵ ｉ ｒ ｔ，ｈ ｔ ｅＫ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｒｎｍ ｓｉ ， ｈｎ ｑｎ ０ ０ ４ Ｃ ｉａ ｈ ｎ ｑｎ ｎｖ ｓ ｙ Ｔ ｅ ａ ｅ ａ ｏａ ｙ ｏ ｈ ｎｃ ａ ｓ ｉ ｏ Ｃ ｏ ｇｉｇ４ ０ ４ ， ｈｎ ） ｅｉ Ｓ ｔ ｏ Ｍｅ ａＴ ｓｎ （Ｃ ｏ ｇ ｉｇＵ ｉｅｓ ｙ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ ｎ ｑｎ ｕｏ ｏ ｉ ｏｌ ｅ Ｃ ｏ ｇ ｉｇ４ ０ ５ ， ｈｎ ） 。 ｈ ｎ ｑｎ ｎｖｒｉ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｃ ｏ ｇ ｉｇＡ ｔｍ ｂｌ Ｃ ｌ ｇ ， ｈ ｎ ｑｎ ０ ０ ０ Ｃ ｉａ ｔｏ Ｔ ｏ ｅ ｅ
基于压电材料的智能主动控制6
P=Kp+ΔKp I=Ki+ΔKi D=Kd+ΔKd，
其中，
Kp、Ki、Kd为PID控制器初始设定参数； ΔKp、ΔKi、ΔKd为模糊控制器的输出增量 （其值可正可负）。
PID控制
模糊自适应PID控制 放大
隶属度函数曲线的选择 模糊规则进一步细化 比例因子大小的选取
ΔKp、ΔKi、ΔKd所占控制参数的比例大小等
未加控制
PID控制参数： Kp=50; Ki=0.001; Kd=0.04
PID控制
1.以e和ec 为输入变量,在线不断调整Kp、Ki、 Kd。
2.当误差较大时，应取较大的Kp与较小的Kd，同 时为避免系统响应出现较大的超调，取Ki=0。
3.当误差中等大小时，Kp应取小些。在这种情况 下，Kd的取值对系统响应的影响较大，Ki的取值 要适当。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
为单位长度梁上惯性力的 z 向分量 ; m ( x , t ) 为单
位长度梁上的压电作动力矩 ,此作动力矩为[8 ]
m ( x , t)
=
5 5x
{
[
f
(
x)
Wb
Ea d31 ( ta
+
t b)
Ka u ]/ 2}
(6)
式中 Ea 和 d31分别为压电片的弹性模量和压电应 变常数 ; ta 、t b 和 W b 分别为压电片的厚度 、梁的厚 度和梁的宽度 ; Ka 为电压放大器增益 ; u 为 D/ A 输 出电压; f ( x ) 为压电作动力矩在梁上的分布形函
图 1 振动控制实验系统
图 2 四连杆机构
根据压电材料的特性 ,在压电片上下极板上施 加电压 ,会在平行于极板的方向上产生作动力. 一个 不利的问题是 ,这个电压需要高达数百伏. 为此 ,专 门设计了驱动压电作动器的电压放大器. 考虑到驱 动电流很小 ,所以采用了图 3 所示电路.
如图 4 所示 , 被控对象的传函数为 G ( s ) = N ( s) / D ( s) , 内 模 控 制 器 传 递 函 数 为 C ( s ) = N c ( s) / Dc ( s) , r ( t) 、e ( t) 、w ( t) 、u ( t) 、y ( t) 分 别 为参考输入 、误差 、扰动输入 、控制输入 、输出等信
62
西 安 交 通 大 学 学 报 第 33 卷
图 1 所示. 四连杆机构如图 2 所示 ,其中曲柄和摇杆 均为刚性 ,连杆为柔性. 机构运动过程中 ,由于惯性 力的存在 ,在柔性连杆中会激发振动 ,连杆横截面厚
度与宽度相比很小 ,所以振动只限于垂直平面内. 实 验的目的就是抑制由此产生的振动. 在连杆的上下 表面分别粘贴压电材料作为传感器和作动器.
(西安交通大学 ,710049 ,西安)
摘要 : 利用压电材料作为传感器和作动器 ,建立了柔性四连杆机构振动主动控制实验系统 ;通过理 论分析和实验研究建立了控制系统的模型 ;根据控制系统的特点 ,采用了内模控制策略 ,并在具体 实施中 ,增加了参数辨识环节 ,使得控制器对于机构转速变化具有鲁棒性. 将控制方案实施到柔性 四连杆机构振动主动控制实验之中 ,取得了满意的控制效果. 关键词 : 振动主动控制 ;内模控制 ;连杆机构 ;压电元件 中国图书资料分类法分类号 : TB535
稳定. 如果扰动信号是包含一系列频谱分量 ω1 ,ω2 ,
…,ωn 的任意周期信号 ,根据内模控制原理 , 控制器 形式为
∑ C ( s)
=
N c ( s) Dc ( s)
=
n
KN c ( s)
i =1
s2
1 + ω2i
(4)
式中 : K 是控制器增益 ,这里为了方便 , 将 D0 ( s) 取
为 1.
假设多项式 Dw ( s) 已知 , 而且 W ( s) 是真分式 , 设 φ( s) 为包含 W ( s) 不稳定极点的多项式 , 根据内模 原理的要求 ,需要将 φ( s) 置入到控制器的传递函数 之中 ,令 Dc ( s) = D0 ( s) φ( s) ,可以得到输出信号的 拉普拉斯变换
Y ( s)
式中 Kf 为低通滤波器的增益 ,令
∫l
w ( t) = p ( x , t) Φj ( x ) d x
(12)
0
由于高阶模态响应很小 , 故取 nc = 1. 综合以上各 式 ,可以得到振动控制系统的伟2
K0
+ 2ζ1ω1 s
+ ω21 [
W ( s)
+
K1 U ( s) ]
l
l
∫ ∫ p ( x , t) Φj ( x) d x +
5 5x
m
(
x
,
t)
Φj
(
x)
d
x
0
0
(8)
nc
∑ z ( x , t) = Φj ( x )ηj ( t)
(9)
j =1
式中 ηj 为模态坐标 ;ωj 和ζj 分别为第 j 阶固有频
率和阻尼系数 ;Φj ( x ) 为第 j 阶正则振型.
除稳定性之外 , 系统的动态性能是控制器的一
个很重要的指标. 可以根据根轨迹方法或其他优化
方法 ,适当选择控制器零点和增益 ,使得闭环系统的
极点配置在合适的位置上 , 从而得到希望的动态性
能.
3 系统建模
内模控制的一个优点是对被控对象参数不敏
感 ,系统建模不需要非常精确. 将连杆假设为一简支 梁 ,梁上分布着周期性惯性扰动力. 梁的横向振动方 程描述为
对于压电传感器 , 其经过电荷放大器后的输出
电压 us 正比于粘贴传感器处 x = x s = ( x 1 + x 2) / 2 的弯矩
52 z ( x , t)
us = Ks 5 x2
x = xs
(10)
式中 Ks 为包括电荷放大器在内的电压Ο弯矩比例 系数. 低通滤波器输出信号 y 为
nc
∑ y = Kf us = Kf Ks Φ″j ( x s)ηj ( t) (11) j =1
C( z)
=
0. 000 1 ( z - 1) / T z 2 - 2 zcos (ωΤ) + 1
(16)
64
西 安 交 通 大 学 学 报 第 33 卷
1 实验系统及硬件设计
柔性四连杆机构振动主动控制实验系统原理如
收稿日期 : 1998Ο09Ο10. 作者简介 : 袁树清 :男 ,1967 年 12 月生 ,博士生 ;许庆余 (联系人) ,男 ,建筑与力学学院工程力学 系 ,教授 ,博士生导师.
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (59875068) .
本文作者采用压电材料作为作动器 ,对柔性四 连杆机构振动主动控制进行了实验研究. 依据系统 的特点 ,本文采用了一种新的控制方法 ———内模控
制方法 ,从而避免了最优控制要求精确知道系统模 型这一缺点 ,并且在具体实验中 ,增加了部分状态量 的辨识过程 ,使得控制系统对机构转速变化具有适 应性. 实验结果证明了方案的可行性.
52 5 x2
EI
52
z(x,
5 x2
t)
+ ρA
52 z ( x , 5 t2
t)
=
p ( x , t)
+
5
m
(
5
x x
,
t)
(5)
式中 E 、I 、ρ、A 分别为连杆的弹性模量 、截面对
中性轴的惯性矩 、密度和横截面积 ; z ( x , t ) 是图 2
中距原点 x 处的截面在 t 时刻的 z 向位移 ; p ( x , t)
第 33 卷 第 8 期 西 安 交 通 大 学 学 报
Vol
.
33
№8
1999 年 8 月
J OU RNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSIT Y
Aug. 1999
采用压电材料的振动主动控制
袁树清 , 赵玉成 , 许庆余 ,张 陵
com ponent
随着材料科学和机械科学的发展 ,利用智能材 料作为作动器对机构实施振动主动控制日益成为振 动控制领域的一个热点. Crawley 和 De L uis[1 ] 最早 提出将压电材料嵌入到层合梁中 ,作为传感器和作 动器 , 对 梁 的 振 动 进 行 控 制. Sung[2 ] 、Shen[3 ] 以 及 Baz[4 ]分别对此进行了进一步的研究.
=
D0 ( s) N ( s) N w ( s)
D ( s) D0 ( s) φ( s) + N ( s) N c ( s)
φ( x )
Dw ( s)
(2) 如果被控对象 G ( s) 的零点不包含 φ( s) = 0 的 根 ,即多项式 N ( s) 和 D ( s) φ( s) 是互质的 , 那么可 以证明系统是可控可观的 ,从而 ,必定存在一个控制 器 C ( s) ,使得单位反馈系统是渐近稳定的 , 或者说 多项式
数.
f ( x) =
0 x < x 1 或 x 2 < x < l
1
x1 ≤ x ≤ x2
(7)
式中 : x 1 和 x 2 分别为粘贴在连杆上的压电片左端 和右端坐标 ; l 为连杆的长度. 利用截断振型迭加
法 ,将 (5) 式转化为模态坐标
η¨j + 2ζωj ηj j + ω2ηj j =
(13)
式中
K0 = Kf KsΦ″1 ( x s)
(14)
K1 = [Φ′j ( x 2) - Φ′j ( x 1) ] W b Ea d31 ( ta + t b) Ka/ 2
(15) 扰动信号的基频就是四连杆机构的转动频率.
4 实验结果
柔性四连杆机构振动主动控制实验系统各参数 如表 1 所示. 通过对振动信号进行频谱分析 ,可以得 出结论 ,周期性扰动信号的基频 ,也即连杆机构的转 动频率 ,在信号中所占比例最大 ,如能将基频振动抑 制掉 ,振动幅度会大大下降. 因此 , 离散形式的控制 器选择为
Df = D0 ( s) φ( s) D ( s) + N ( s) N c ( s) (3) 所有零点都具有负实部. 由于 W ( s) 的不稳定极点 均已被 φ( s) 抵消 , 所以 ( 2) 式中 Y ( s) 的所有极点 都具有负实部 ,因此 , 只要扰动信号的结构已知 , 内 模控制器的引入可以消除不稳定的极点 , 这样当 t →∞时 , y ( t) = - e ( t ) →0. 可以看出 , 内模控制器
Abstract : An in2sit u vibration cont rol system is const ructed using piezoelect ric sensors and act uators for flexible four bar linkage. Theoretical analysis and experimental st udy are made to reduce periodic dist urbance caused by rotational variation inherent in t he system. Improvement s are validated by comparing t he dynamic behavior of t he system before and after installation of t he vibration cont roller. Keywords : acti ve vibration cont rol ; i nternal m odel cont rol ; li nkage mechanis m ; piezoelect ric