智能结构振动控制
智能结构振动同位配置控制中的局部应变研究
ｓｄ ｓｏ ｈ ｎ ｐ ａｅ ｒｂ ａ ．Ｉ ｈ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｔｉ ｏ ｎ ｈ ｉ ｚ ｅｅ ｔｉ ｅ ｓ ｒ ｒ ｆｅ ｔｄ ｂ ｈ ｏ ａ ｔａｎ ｆ ｉ ｅ ｆｔ ｉ ｌｔ ｓｏ ｅ ｍｓ ｎ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ，ｉ ｓｆ ｕ ｄ ｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｌ ｃｒｃ ｓ ｎ ｏ ｓ ａ ｅ ａｆｃ ｅ ｙ ｔ ｅ ｌｃ ｌ ｓｒ ｉ ｓ ｏ ｉ ｐ ｔｈ ｓ Ｓ ｈａ ｈｅ ｃ ｎ ｒ ｌｐｅｆ ｒ ｎ ｅ ｄ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｉ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｅ ｔ ｄ ｈ ｏ ａ ｔａｎ ｅｆ ｃ ，ｔ ｅ ｈ ｒ ｎｉ ｅ ｐ ｎ ｅ ａ ｃ ｅ Ｏ ｔ ｔｔ ｏ ｔｏ ｒｏ ｍａ ｃ ｅ ｒ ａ ｅ ． ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｕｒｈ ｒ ｓｕ ｙ ｔ ｅ ｌｃ ｌｓｒｉ ｆｅ ｔ ｈ ａ ｍｏ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ｈｎ ｌｔ ｓ ｎ ｌｚ ｄ ｙ ｓｎｇ ＡＮＳ ． Ｔｈ ａ ｌｔ ｄ ｓ ｎ ｐ ａ ｅ ｏ ｈ ｏ ｔ ｔ ｏｔ ｇ ｓ ｆ ｓ ｎｓｎ ｐ ｔ ｈ ｓ ｆａ ｔ ｉ ｐ ａｅ ｗａ ａ ａｙ ｅ ｂ ｕ ｉ ＹＳ ｅ ｍｐ ｉｕ ｅ ａ ｄ ｈ ｓ ｓ ｆ ｔ ｅ ｕｐｕ ｖ ｌａ ｅ ｏ ｅ ｉ ｇ ａｃ ｅ ｉ ｓａｌ ｄ ａ ｙ ｎ ｔｌｅ ｔｓ ｍｍｅｒｃ ｌｐ ｓｔｏ ｓ ｗｅ ｅ ｃ ｍｐａｅ ｏ ｔ ｏ ｅｉ ａｌ ｅ ｆ ｈ ｏ ａ ｔａｎ ｅ ｉｔ ｎ ｅ．Ｓ ｕａ ｅ ｗａ ｅ ｅ ｃｔｔｏ ｔｉａ ｏ ｉｉｎ ｒ ｏ ｒ ｄ ｔ ｈｅ ｒ ｔｃ ｌｙ ｖ ｒ ｙ ｔ ｅ ｌｃ ｌｓｒ ｉ ｘ ｓｅ ｃ ｉ ｑ ｒ ｖ ｘ ｉａｉ ｎ
伺服系统中的振动控制技术
伺服系统中的振动控制技术伺服系统的振动问题严重影响系统的精度和可靠性。
因此，振动控制技术在伺服系统的设计和应用中日益受到关注。
本文将介绍伺服系统中的振动问题和振动控制技术。
一、伺服系统的振动问题伺服系统的振动问题是由于机械结构和电气控制系统的复杂性导致的。
机械结构的振动问题主要包括机械刚度、不平衡质量、摩擦和运动惯量等因素引起的振动。
而电气控制系统的振动问题主要与转矩控制、电流控制和速度控制等因素有关。
在伺服系统中，振动问题的表现主要包括质量、速度和位置误差的波动，并会导致机械声响、能耗增加和寿命缩短等负面影响。
因此，必须采取振动控制技术来解决这些问题。
二、1. 模型预测控制模型预测控制是一种基于预测模型的控制方法，它通过预测未来状态来确定控制策略，以实现对系统的控制。
在伺服系统中，模型预测控制方法可以减少振动和噪声，提高系统响应速度和精度。
2. 自适应滤波自适应滤波是一种基于信号处理的振动控制方法，它可以通过对振动信号的滤波处理来减少振动干扰。
在伺服系统中，自适应滤波方法可以有效减少系统中的振动，提高系统的控制精度。
3. 模态分解模态分解是一种将振动信号分解为几个互相独立的模态信号的方法，以便更好地理解和控制振动。
在伺服系统中，模态分解可以降低系统振动、提高控制精度和可靠性。
4. 非线性控制非线性控制是一种基于非线性系统动力学过程的控制方法，它可以实现对伺服系统振动和误差的有效控制。
在伺服系统中，非线性控制方法可以提高系统的响应速度和精度，减少振动和噪声。
5. 智能控制智能控制是一种基于人工智能算法的控制方法，它可以通过学习系统动力学和环境信息来实现自适应控制。
在伺服系统中，智能控制方法可以提高系统的控制精度和可靠性。
三、总结伺服系统中的振动问题是一个复杂的问题，需要综合应用机械结构、电气控制和信号处理等多种技术来解决。
各种控制方法在不同的应用场景和控制对象都有各自的优点和局限性，需要充分考虑实际情况选择合适的方法。
基于鲁棒模型参考控制器的智能结构振动主动控制研究
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２ 鲁棒参考模型控制律确定
鲁棒参考模型控制 的原理如图 １ 所示 ， 控制器 由
随机、智能结构随机振动分析与主动控制研究
随机、智能结构随机振动分析与主动控制研究随机、智能结构随机振动分析与主动控制研究一、引言随机振动是工程结构在实际运行过程中普遍存在的现象之一，其对于结构的稳定性和安全性具有重要影响。
传统的结构振动分析方法主要基于确定性的力学模型，无法有效预测和控制结构在不确定环境下的随机振动行为。
因此，随机振动分析与主动控制成为了当今结构工程领域的热点研究方向。
二、随机振动分析方法随机振动分析方法主要包括统计分析和模拟方法。
统计分析方法通过统计学的概率方法研究结构在不确定环境下的振动特性。
常用的统计分析方法有功率谱分析、概率密度函数分析和相关函数分析等。
模拟方法则通过利用数值计算和仿真技术，模拟结构在不确定环境下的振动响应。
三、智能结构与振动控制智能结构是指具有感知、计算和执行能力的结构系统，能够根据结构的实际工况自主调整结构的性能。
智能结构的出现为结构振动的主动控制提供了新的途径。
智能材料和智能控制技术是实现智能结构的关键。
智能材料能够根据环境变化自主调整其力学性能，从而实现结构的自适应。
智能控制技术采用传感器和执行器对结构振动进行实时监测和调控，以抑制结构的振动响应。
四、随机振动与主动控制的结合随机振动与主动控制相结合，可以有效地降低结构振动对结构安全性和舒适性的影响。
通过智能结构技术和振动控制策略，可以在结构受到随机激励时主动调整结构的刚度、阻尼和质量等特性，从而减小结构振动响应。
具体而言，主动控制技术包含自适应振动控制和半主动振动控制两种方法。
自适应振动控制方法通过实时监测振动信号，根据反馈控制原理调整结构的控制参数，实现结构的振动抑制。
半主动振动控制方法则采用可调阻尼器或扭转梁等装置，通过控制这些装置的特性来主动消耗结构的振动能量。
五、研究现状与进展目前，随机振动分析与主动控制研究方向取得了许多重要的进展。
在振动分析方面，研究者通过建立随机结构模型，运用统计学和概率方法对随机振动进行了深入研究。
在振动控制方面，智能材料和智能控制技术的发展为实现结构的主动控制提供了新的思路和方法。
土木工程结构减震控制方法
土木工程结构减震控制方法摘要：近几年来，结构振动控制的理论和技术日益引人注目，特别是在土木工程的结构设计中，一种以减震为手段的设计已在国内外一些地震多发地区得到了应用，本文分析了土木工程结构减震的控制方法。
关键词：土木结构；减震；控制方法 一、结构减震控制的概念及分类应用结构控制系统是解决结构工程安全性问题的一个可替代的方法，从而为结构控制理论在土木工程中的应用指出了光明的前景。
结构控制的概念可以简单表述为：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使其在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。
结构减震控制根据是否需要外部能源输入可分为被动控制、主动控制和混合控制。
被动控制是指不需要能源输入提供控制力，控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息的控制方法。
文中所讨论的基础隔震、耗能减震等均为被动控制。
 二、土木工程结构减震的控制方法1、被动控制结构被动控制是指控制装置不需要外部能源输入的控制方式。
其特点是采用隔震、耗能减震和吸能减振等技术消耗振动能量,以达到减小结构振动反应的目的。
被动控制的优点是构造简单、造价低、易于维护,并且不需要外部能源支持等。
目前,被广泛采用的被动控制装置有:1.1基础隔震体系。
基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置,以减小地震能量向上部的传输,从而达到减小上部结构振动的目的。
基础隔振能显著降低结构的自振频率,适用于短周期的中低层建筑和刚性结构。
由于隔振仅对高频地震波有效,因此对高层建筑不太适用。
1.2耗能减振体系。
常用的耗能元件有耗能支撑和耗能剪力墙等;常用的阻尼器有金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、黏性液体阻尼器等。
1.3调谐减振系统。
常用的调谐减振系统有:调谐质量阻尼器(TMD )、调谐液体阻尼器(TLD)、液压质量振动控制系统(HMS)等。
调谐质量阻尼器是一个小的振动系统,由质量块、弹簧和阻尼器组成。
浅谈建筑结构振动控制
浅谈建筑结构振动控制摘要:文章从不同角度对结构振动控制进行了分类，介绍了其发展与现状，并对近年来控制理论在结构控制方而的新进展给以综述，最后对有待进一步研究的问题进行了探讨，以促进结构振动控制的研究。
关键词:结构振动控制;自主控制;上木工程结构abstract: this article from a different perspective on the structural vibration control classification, its development and status, and give summarized in the the structure controlling party and the new advances in control theory in recent years, last discussed the issue needs further study .to promote the study of the structural vibration control.key words: structural vibration control; self-control; engineering structures on wood中图分类号：c935 文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）结构振动控制是一个应用领域广泛的工程问题。
所谓结构振动控制(以下称为结构控制)是指采用某种措施使结构在动力载荷作用下的响应不超过某一限量，以满足工程要求。
结构控制问题是一种多学科交叉的理论与工程问题，其结构类型繁多、控制目标不同、实现手段多样。
目前，国内外控制界对这类问题的研究十分重视，有大量的学术论文发表，其中不少新结果得到了实际工程应用。
本文旨在对当前结构控制的一此新进展加以综述，并对此有待进一步研究的问题给以归纳。
一、结构控制的特点、发展与现状（一）按控制对能量需求来划分从控制对外部能量需求的角度，结构控制可分为:被动结构控制、主动结构控制、混合结构控制、半主动结构控制。
智能材料在结构振动控制中的应用研究
智能材料在结构振动控制中的应用研究近年来，随着科学技术的不断发展，智能材料在结构振动控制领域中的应用越来越受到重视。
智能材料具有感知、响应和控制等特性，通过其独特的性质，可以有效地控制结构的振动，提高结构的稳定性和安全性。
本文将重点探讨智能材料在结构振动控制中的应用研究。
一、智能材料概述智能材料是一类具有自主感知、主动响应能力的材料。
其特点是能够根据外界的刺激进行改变和调节，以实现对结构振动的控制。
常见的智能材料包括形状记忆合金、压电材料、磁流变材料等。
这些材料在结构振动控制领域中具有广泛的应用前景。
二、智能材料在结构振动控制中的应用1. 形状记忆合金在结构振动控制中的应用形状记忆合金是一种能够改变其形状和尺寸的特殊合金材料。
在结构振动控制中，通过在结构上安装形状记忆合金片或丝，可以实现对结构的形状和刚度的调节，从而减少结构的振动。
形状记忆合金具有反应速度快、控制精度高等优点，在航空、建筑等领域中得到广泛应用。
2. 压电材料在结构振动控制中的应用压电材料是一种在电场作用下会产生应变的材料。
当压电材料受到外界振动刺激时，会产生电荷变化，通过外加电场调节，可以实现对结构振动的控制。
压电材料具有响应速度快、能量转换效率高等优点，在汽车、飞机等领域中广泛用于振动控制。
3. 磁流变材料在结构振动控制中的应用磁流变材料是一种能够在外加磁场作用下改变其流变特性的材料。
在结构振动控制中，通过在结构上安装磁流变材料，可以实现对结构的刚度和阻尼特性的调节，从而减少结构的振动。
磁流变材料具有调节范围广、快速响应等优点，在桥梁、建筑等领域中被广泛运用于振动控制。
三、智能材料在结构振动控制中的研究进展目前，智能材料在结构振动控制领域中的应用研究已取得了许多进展。
研究者们通过理论分析和实验验证，不断改进智能材料的性能和控制方法，以提高结构的振动控制效果。
同时，他们还针对不同领域和不同类型的结构，进行了多方面的应用研究，推动了智能材料在结构振动控制中的发展。
压电智能材料在悬臂梁结构振动控制中的应用
关键 词 ： 电智能材 料 ； 压 结构 振动 控制 ； 悬臂 梁 ； 地震 响 应 中图分类 号 ：Ｕ ２ ． ；Ｐ １ ． Ｔ ３３３Ｔ ２２６ 文献 标识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：００ １８ （０ ７ ０ － ６ ５ ０ １０ —９０ ２ ０ ）６ ０ ９ — ４
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３ 卷 ５
『 仃
Ｃｋ—ｅ Ｅ ＃ ｔ ｋｋ ￣
【 ＝ Ｐ 肼 ＋ Ａ Ｄ
式 中 ： — 应力 张量 ；肼 —应 变 张 量 ； — — 电场 强 度 ； 仃— ｓ— Ｄ—— 电位 移 ； — — 弹性 常 数 张量 ； — ｃ Ｐ— 压 电应 力常数 张量 ； Ａ —— 介 电常数 张量 ．
等等．
１２ 压 电材料 的本 构方 程 ．
压 电材 料力 电耦 合 的本构 方程 反 映 了压 电材料 将 电能 与 机械 能 进 行互 相 转换 时数 学 上 量 的关 系 ． 结 在 构 振动 控制 中得 到运 用 的智能 型压 电传 感 器 、 电驱动 器 和压 电耗能 阻 尼 器 的机 理 即是运 用 了压 电材 料 的 压 力 电耦 合特性 ， 本构 关 系的 表 重威 胁 土木工 程结 构 的安 全 ． 随着 结 构控 制 科 学 、 息技 术 和 材 料科 学 的发 展 ， 信 科
学家 和工 程师 们从 对 自然界 和生 物进化 的学 习与思 考 中得 到启 示 ， 出了力 图从 根本 上 提 高 工 程结 构 整个 提
寿命 期 间安全性 及 减小 灾害影 响 的一条 崭 新 的思路 ， 即引入 了智 能结 构 系统 的概念 ． 电材 料是 众 多智能 材 压 料 中运用得 较 为广泛 的一 种 ， 用 压 电智能 材料 的正 、 压 电效 应 ， 利 逆 即压 电材 料 在外 加 电场 作 用 下 引起 变形
建筑结构的隔震、减振和振动控制
建筑结构的隔震、减振和振动控制一、本文概述随着社会的快速发展和科技的进步，建筑结构的隔震、减振和振动控制成为了土木工程领域的重要研究方向。
地震、风振、机械振动等外部因素都可能对建筑结构产生破坏，严重时甚至威胁到人们的生命安全。
因此，如何有效地隔绝、减少和控制这些振动带来的影响，成为了建筑设计和施工中不可忽视的问题。
本文旨在全面介绍建筑结构的隔震、减振和振动控制的基本原理、技术方法和实际应用。
我们将首先概述隔震、减振和振动控制的基本概念和重要性，然后详细分析各类振动控制技术的原理、特点和应用范围。
在此基础上，我们将深入探讨建筑结构隔震、减振和振动控制的设计方法、施工技术和评价标准。
通过具体案例分析，展示这些技术在实际工程中的应用效果和经济效益。
通过阅读本文，读者可以深入了解建筑结构隔震、减振和振动控制的基本理论和实践方法，为未来的建筑设计和施工提供有益的参考和借鉴。
我们也期望通过本文的探讨，能够推动建筑结构振动控制技术的进一步发展，为社会的繁荣和进步贡献力量。
二、隔震技术建筑物与基础之间设置隔震层，以隔离地震波对建筑物的直接作用，从而减小建筑物的地震响应。
隔震技术的基本原理是利用隔震层的柔性和阻尼特性，延长建筑物的自振周期，避开地震能量集中的频段，同时消耗地震能量，达到减小地震对建筑物破坏的目的。
隔震层通常由橡胶隔震支座、阻尼器、滑移隔震支座等构成。
其中，橡胶隔震支座以其良好的弹性和耐久性，在隔震技术中得到了广泛应用。
阻尼器则通过吸收和消耗地震能量，进一步减小建筑物的振动幅度。
滑移隔震支座则利用滑移面的摩擦力来消耗地震能量，实现建筑物的隔震。
隔震技术的应用范围广泛，包括住宅、学校、医院等各类建筑。
在实际工程中，需要根据建筑的结构特点、地震烈度、场地条件等因素，选择合适的隔震技术和隔震层设计方案。
同时，隔震技术的实施需要严格遵守相关规范和标准，确保隔震层的质量和性能。
隔震技术的优点在于其能够有效地减小建筑物的地震响应，保护建筑物免受地震破坏。
振动控制-主动、半主动
振动控制-主动、半主动⽬录0．前⾔ (1)0．1 结构振动控制研究与应⽤概况 (1)1．结构振动主动控制、半主动控制 (2)2．结构振动控制分类 (3)3．各类控制系统构造及性能 (4)3．1 结构振动主动控制概述 (4)3．1．1 主动控制控制原理 (5)3．1．2 加⼒⽅式及加⼒位置 (7)3．1．3 控制装置 (8)3．2 结构振动半主动控制概述 (8)4．结构振动主动控制、半主动控制算法 (11)4．1 主动控制算法 (12)4．1．2 ⼏种算法的简单介绍 (13)4．2 半主动控制算法 (21)4．3 智能控制算法 (22)5．结构主动、半主动控制系统分析⽅法及设计⽅法 (24)5．1 主动控制系统的最优控制⼒设计与分析 (25)5．1．1 主动控制系统的最优控制⼒设计 (25)5．1．2 主动最优控制⼒和受控反应特征分析 (26)5．2 结构主动变阻尼和智能阻尼控制系统的最优控制⼒设计与分析 (30) 5．2．1半主动最优控制⼒设计 (31)5．2．2系统反应分析 (36)5．3 结构主动变刚度控制系统的最优控制⼒设计与分析 (37)5．3．1主动变刚度最优控制⼒设计 (37)5．3．2系统反应分析 (40)6．结构振动主动控制、半主动控制系统的⼯程应⽤ (41)6．1 AMD控制系统的⼯程应⽤ (41)6．2 结构主动变刚度控制系统的⼯程应⽤ (41)6．3 结构主动变阻尼控制系统的⼯程应⽤ (42)6．4 其他结构振动控制系统的⼯程应⽤ (42)7．研究展望 (43)7．1 结构振动主动控制、半主动控制的研究与发展⽅向 (43)7．2 结构振动控制的有待研究的问题 (43)8．结语 (43)参考⽂献 (44)主动控制、半主动控制综述0．前⾔0．1 结构振动控制研究与应⽤概况结构振动控制技术与传统的依靠结构⾃⾝强度、刚度和延性来抵抗地震作⽤的做法不同，通过在结构中安装各种控制装置，从⽽达到减⼩结构地震反应、保障结构地震安全的⽬的。
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。
基于GA的智能桁架结构振动的模糊控制
基于GA的智能桁架结构振动的模糊控制摘要：智能桁架结构在激励荷载的作用下，结构会发生自由振动，在自身阻尼的作用下，结构的振动会逐渐衰减，如果结构的振动位移过大，衰减速度太慢，结构容易发生破坏。
为了减小这种破坏作用，本文结合模糊控制理论和遗传算法的特点提出一种基于遗传算法优化模糊控制器的方法，并将其应用到智能桁架中，实现其对智能桁架结构的主动振动控制。
关键词：智能桁架；振动控制；模糊控制器；模糊规则；遗传算法中图分类号：tu323.4文献标识码： a 文章编号：引言：近年来，大型智能桁架结构在航空航天领域得到越来越多的应用。
其模型具有不确定性，模型结构和参数在很大范围内变化，基于精确模型的传统控制理论和现代控制理论都有局限性[1]。
模糊控制不依赖于被控系统的精确数学模型，而是通过对系统动态特征的定性认识、直接推理、在线确定或变换控制策略，以达到对复杂的、非线性的、不确定性的被控系统的控制，这种方法容易实现，也更加易于保证其实时性。
2005年，赵国伟等[2]将pid和lqg成功的应用于大型空间复杂智能桁架结构的振动主动控制上，2009年，张京军等[3]将模糊控制应用于智能悬臂梁的控制当中。
本文基于对智能桁架结构模型的认识与分析，设计出相应的模糊控制器，并采用遗传算法对其控制规则进行优化，然后通过一实例仿真验证该方法的有效性。
1智能桁架结构有限元模型设智能桁架结构中共有个压电主动杆，考虑压电主动杆的机电耦合特性，基于有限元法，建立智能桁架结构的运动方程: （1）式中，、、分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵、、分别为加速度矢量、速度矢量和位移矢量；是由主动杆的方向余弦组成的向量矩阵；为外部节点力矢量；是维主动杆产生的控制力向量。
为简化结构的仿真模型，对智能桁架结构的动力学模型做模态截断处理,则其独立模态空间的动力学方程及观测方程为：（2）（3）式中，、、，，为第阶振动的固有频率，为第阶的模态阻尼比，为外界干扰力，为维模态控制力，其中为模态向量矩阵，为对角阵，为第个作动器单位压电作用下产生的控制力，为对角阵，为第个主动杆等效刚度，为模态坐标，为作动电压。
结构振动控制技术的研究进展
结构振动控制技术的研究进展在现代工程领域，结构振动控制技术的发展具有至关重要的意义。
无论是高层建筑在风荷载作用下的晃动，还是桥梁在车辆通行时的振动，又或是机械设备运行时产生的振动影响，都对结构的安全性、稳定性和舒适性提出了挑战。
因此，结构振动控制技术应运而生，并在不断的研究和实践中取得了显著的进展。
结构振动控制技术的分类可以大致分为被动控制、主动控制和半主动控制三类。
被动控制技术是结构振动控制中应用较早且较为成熟的一类方法。
常见的被动控制装置包括调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）和基础隔震装置等。
调谐质量阻尼器通过调整其质量和频率，使其与结构的振动频率相匹配，从而吸收振动能量，减小结构的振动响应。
调谐液体阻尼器则是利用液体的晃动来消耗能量。
基础隔震装置则是通过在基础和上部结构之间设置柔性隔震层，如橡胶支座等，来隔离地震能量的传递。
被动控制技术的优点是构造简单、成本低、可靠性高，但其控制效果相对有限，且对频率的适应性较窄。
主动控制技术则是一种更为先进和高效的控制方法。
它通过传感器实时监测结构的振动状态，然后由控制器计算出所需的控制力，并通过作动器施加到结构上，以达到减小振动的目的。
主动控制技术的控制效果显著，但由于需要外部能源供应和复杂的控制系统，其成本较高，且可靠性相对较低。
常见的主动控制作动器有液压作动器和电动作动器等。
主动控制技术在一些对振动控制要求极高的场合，如航空航天领域和高精度仪器设备中，得到了广泛的应用。
半主动控制技术结合了被动控制和主动控制的优点。
它通过改变控制装置的参数，来实现对结构振动的控制。
与主动控制相比，半主动控制所需的外部能源较少，系统的复杂性和成本也相对较低，同时又能取得较好的控制效果。
例如，磁流变阻尼器和电流变阻尼器就是常见的半主动控制装置，它们的阻尼特性可以通过外部电场或磁场的变化来实时调整。
近年来，随着科技的不断进步，结构振动控制技术在以下几个方面取得了新的突破。
振动控制技术现状与进展
进展
近年来，随着科学技术的不断进步和创新，振动控制技术在理论研究和实际 应用方面都取得了一些重要进展。
在理论方面，研究人员利用数值模拟和实验方法对复杂结构的振动特性进行 了深入研究，建立了更加精确的数学模型和算法，为振动控制技术的进一步发展 提供了重要的理论支撑。
在实际应用方面，一些新兴的振动控制技术和产品不断涌现。例如，智能材 料和结构在振动控制领域的应用逐渐受到广泛。智能材料具有自感知、自适应和 自修复等特性，能够根据外部激励进行实时调整，从而有效地减小结构的振动响 应。此外，基于机器学习和人工智能技术的振动控制方法也得到了快速发展，为 更加精细和智能的振动控制提供了新的可能。
3、车辆工程：在车辆工程中，振动控制技术可以有效地提高车辆的舒适性 和安全性。例如，通过在车辆底盘上应用振动控制技术，可以有效地减小车辆的 振动响应，从而提高车辆的舒适性和安全性。
4、机械制造：在机械制造中，振动控制技术可以有效地减小机械设备的振 动响应，从而提高机械设备的精度和使用寿命。
具体案例
航天器在发射、执行任务和返回过程中，面临着多种形式的振动和冲击，如 火箭发动机的振动、大气抖动、着陆时的冲击等。这些振动和冲击可能对航天器 的结构、仪器设备、通信系统等造成不良影响，严重时甚至可能导致任务失败。 因此，航天器振动控制技术的意义在于，通过采取有效的控制措施，降低振动对 航天器的有害影响，从而提高航天器的性能和可靠性。
振动控制技术现状与进展
01 引言
03 具体案例 05 未来展望
目录
02 现状 04 进展 06 参考内容
引言
振动控制技术是用于减少、消除或利用振动现象的一种工程技术。在现代化 的社会中，振动控制技术已经广泛应用于各个领域，如航空航天、土木工程、车 辆工程、机械制造等。随着科学技术的不断发展，振动控制技术也日新月异，本 次演示将介绍振动控制技术的现状、具体应用案例以及近年来的一些进展，并对 未来的发展趋势和前景进行展望。
智能材料在土木工程结构振动控制中的应用
智能材料在土木工程结构振动控制中的应用摘要:随着材料技术的发展,土木工程结构振动控制用传感和驱动装置也随之智能起来,其中包括:电磁流变材料、磁致伸缩材料、记忆合金材料、压电材料等,智能材料的广泛使用,帮助工程结构抵抗振动的影响。
本文从振动控制的形式开始,进而介绍了主流智能材料在工程结构振动控制中的应用。
关键词:振动控制智能材料1 土木工程中的振动控制1.1 对结构振动的主动控制这种控制方式主要从分析外部的能量在振动中的作用入手,找到控制的要点,然后对土木结构施加一个主动的控制力,从而实现减轻振动的目的。
主动控制面对的核心问题是,对控制力的计算和控制装置的设计,广泛的采用的计算方法是通过二次型线性优化和模态优化、极值的配合或者优化、预测模式优化等等,这些控制方式都是基于对结构受力的分析和数学模拟的实现,然后对其数据所形成的线性规律进行调整,并实现优化,以此完成对振动的控制。
在主动控制中,通常采用的控制方式有:质量阻尼控制形式、主动拉索控制形式、主动支撑结构形式、空气动力学设施形式、气动脉冲发生器控制等。
1.2 不完全主动控制这样的控制形式,主要是适应性的在土木工程结构上产生抗力,来减轻振动对其的影响。
和主动控制不同的是,该控制方式对结构施加的外部能量较小,在设计和维护中成本较低,而且结构简单,容易实现。
在实际的应中,不完全主动控制的效果和主动控制也不相上下,所以不完全主动控制成为了研究的热点。
普遍应用的不完全主动控制的形式有:质量阻尼主动参数协调系统、刚度可变结构、阻尼可变结构、刚度和阻尼综合控制系统。
1.3 智能化振动控制智能化结构振动控制系统是土木工程振动控制的前沿技术,智能控制的主要思路就是利用智能化的优化计算配合材料的使用,实现对结构振动的智能化、应激化控制,以此让土木工程的震动控制更加的合理和有效。
智能化控制的主要研究方向是智能模拟算法的线性调整和参数优化和通过智能材料制成可调节的阻尼装置和智能驱动器。
基于LQR与LQG结构振动控制对比分析
基于LQR与LQG结构振动控制对比分析摘要：在土建专业范围内，结构振动的控制一直是重要的问题，目前常用的分析算法有LQR与LQG两种。
本文阐述了LQR和LQG算法的振动控制分析理论，并通过Matlab仿真分析，以一个三层的剪切型框架结构为例，进行结构振动控制比较分析，运用的是LQR与LQG算法。
关键词：LQR；LQG；振动控制引言在土建专业范围内，结构振动的控制一直是重要的问题。
在地震波扰动下，产生的建筑结构振动响应与安全话题，随着建筑结构向高层化、复杂化方向发展而备受关注。
结构振动控制是以抑制受控结构响应为目的，由设置在结构特定位置，比如隔震层、层间或者指定部位的隔震装置、消能构件等，通过控制系统输出控制力，来达到目的。
结构振动控制技术可以分为四类：一类是被动控制、一类是主动控制、一类是半主动控制，最后一类是混合控制技术。
目前常用的有LQR与LQG两种算法，本文基于LQR与LQG进行结构振动控制对比分析。
1、LQR最优控制算法线性二次型(LQR)最优控制算法自20世纪50年代由贝尔曼(Bellman)、格利克斯伯格(Glicksberg)和格罗斯(Gross)等学者提出后得到了长足的发展。
Levine提出用输出反馈解决LQR问题[1]，HuangE[2]研究了LQR最优解存在的充分必要条件，Kwan[3]利用线性矩阵不等式(LMI)方法求解输出反馈最优解问题。
目前，国内学者进行了大量的研究，在主动控制的算法和控制装置方面取得了丰硕的成果。
在基于LQR控制算法的建筑结构最优主动控制[4]、基于LQR算法的巨-子型有控制结构的主动控制研究[5]，智能结构振动主动控制（基于LQR-IMCS算法）[6]等一些使用LQR最优控制算法进行结构控制研究的文献中，在研究过程中需要测量或者说需要考虑结构的速度、位移等所有状态量的情况，且有些文献在推导Riccati方程时，为了简化计算忽略了外部激励HF(t)。
2、LQR最优控制算法的振动控制分析理论结构主动控制的原理是：首先要对结构的反应或环境干扰时刻进行测量，然后通过采用现代控制理论的控制算法，计算出最佳的控制即最优的控制力，再用作动器输入到结构中，从而使结构得到最小的反应。
(高层结构设计)第十章 建筑结构消能减震技术与振动控制技术
吸能器
结构振动控制技术使用范围
消能减震建筑结构的基本要求
一般要求:消能器布置、选择、抗震性能化 设计
场地、地基和基础：对抗震有利地段、地 基应稳定、可靠。
消能器选择：应具备良好的变形能力和消 耗地震能量的能力、耐久性和环境适应性、 强度、刚度及稳定性及滞回性能要求。
结构分析：多遇地震作用下的内力和变形 分析可采用线性静力方法或线性动力方法。 对主体结构进入弹塑性阶段的情况，应根
消能器 energy dissipation device,设置在消 能减震结构中用于消耗输入结构能量的装
消能器 energy dissipation device
位移型消能器 displacement-dependent energy dissipation device,消能器的耗能能力 与消能器两端的相对位移有关，包括金属 消能器、摩擦消能器和防屈曲支撑型消能 器。
(高层结构设计)第十章 建筑结构消能减震技术与振动控制技术
减震\振控制方法
建筑结构消能减震技术
在工程结构中布置消能减震器以耗散地震 输入结构的能量，是减轻工程结构在地震 中的反应，减轻建筑地震破坏的一种新技 术和新方法。
消能减震结构 energy dissipation structure, 在建筑结构中设置消能减震器而形成的结 构体系。消能减震结构包括主体结构、消 能部件和基础。
速度相关型阻尼器及连接
由粘弹性材料和 约束层组成的速 度相关型阻尼器。
速度相关型阻尼器及连接
速度相关型阻尼器
平板式粘弹 性阻尼器由 粘弹性材料 和约束板组 成，约束板 和粘弹性材 料层均为平 板状。
圆筒式粘弹 性阻尼器由
速度相关型阻尼器
速度相关型阻尼器
智能结构振动主动控制实验研究
控 制 系统 驱 动 部 分 所 采用 的 ＤＡ模 块 是 Ｄ Ｃ ７４ 如下 ＡＩ ０ Ｏ 通道 Ａ； Ａ ＝ １： ／ Ａ ７２ 。 Ａ ＝ ０： Ａ１ ０ ０ 通道 Ｂ； Ａ － Ｏ： Ａ１ Ｏ－ Ｉ
其为 ４通道。ｌ 位分辨率 １Ｖ信号量程 ，建 立时间 １ ｓ ２ ０ ０ ， 通道 Ｃ； Ａ ＝ ｌ： 道 Ｄ。Ｃ Ａ１ Ｏ ｌ 通 Ｓ是片选信号，Ｌ Ｃ是加 ＤＡ
３２系统的软件设计 ．
控制系统 的软 件程序 流程图如图 ４ 所示 。 首先程 序
先进 行初 始化 工作 ，关 中断 ，配置 中断矢 量表 ，初 始化
与 Ｄ Ｃ ７４的 １ 根 数 据 线 直 接 相 连 ， 根 地 址 线 Ａ 、 Ａ ７２ ２ ２ ０
Ａｌ Ｄ Ｃ７２ 与 Ａ ７４的 Ａ 、Ａ１ ０ ，低地 址 线 Ａ 、Ａ１ 码来 选 Ｏ 编 择 Ｄ Ｃ ７４的 ４个 输 出通 道。根 据 Ｔ ３ ０ ２ １ Ａ ７２ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２的存 储 器 映 像 ，ＸＺ Ｘ ＡＮ （ 电平 有 效 ）对 应 着外 部 存 Ｃ Ｏ Ｄ１ 低
中智能结构是利 用传感器对 结构的振动进行 监测 ，驱动器在微 电子系统 的控制下 准确 动作 ，以改变结构的振
动状态 。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。本设 计以智 能梁 结构作为实验研究模型 ，研究 了智能结构振动控 制系统组成 、实 现原理 ；硬件 电路设 计包括Ａ Ｄ ／ 采样 、Ｃ Ｌ ￣扩Ｄ／ ＰＤ ｂ Ａ、信号调理 电路等 ， 并通 过Ｔ ３０２ １的Ｃ Ｎ 块 ＭＳ２Ｆ ８２ Ａ 模
(沈阳建筑大学学报(自然科学版))智能振动控制装置布局优化设计
收稿日期:2005-10-30基金项目:国家自然科学基金(50508008);辽宁省教育厅高等学校科研项目(2005343)作者简介:张延年(1976-),男,副教授,博士,主要从事防震减灾及优化研究.文章编号:1671-2021(2006)02-0217-04智能振动控制装置布局优化设计张延年1,李 艺2,董锦坤3,朱朝艳3,范 鹤2(11沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168; 21东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004;31辽宁工学院土木建筑系,辽宁锦州121001)摘 要:目的为了提高智能振动控制结构的减振效果,以最少的控制装置数目、最佳的位置实现控制.方法建立MRD 结构的动力分析模型,推导出结构运动微分方程;对标准遗传算法经常出现未成熟收敛、振荡、随机性太大和迭代过程缓慢等缺点进行改善,提出了改进混合遗传算法;建立智能控制装置布局优化设计模型,使用改进混合遗传算法对8层MRD 结构的控制装置的布局进行优化设计.结果优化后,MRD 结构的相对加速度、速度、位移、层间剪力均有很大程度的降低.结论改进混合遗传算法对智能控制装置布局优化的结果比较理想,智能控制结构的各项地震反应均得到了更好地控制.关键词:半主动控制;MRD ;优化设计;遗传算法中图分类号:TU31113 文献标识码:A 0 引 言近年来,结构振动控制的研究取得了很大进展[1],其中半主动控制所需外部能源少,并能够获得很好的控制效果,尤其是智能材料的出现使其成为国际上近年来研究的一个热点[2].磁流变阻尼器(MRD )是当今最新的半主动控制装置,除性能安全可靠,制造成本较低外[3-4],还具有体积小、功耗少、耐久性好、机构简单、可靠性强、适用面大、响应速度快、动态范围广、频率响应高、阻尼力大且连续可调等特点,特别是它能根据系统的振动特性产生最佳阻尼力,因而在智能结构领域具有广阔的应用前景[5-8].智能结构的一个重要问题就是确定智能控制装置的数目和位置,虽然较多的控制装置可以达到更好的控制效果,但是过多的控制装置必然会带来弊端.因此,在控制中布置过多的控制装置既不经济也没有必要.因此,笔者采用自行开发的改进混合遗传算法程序对智能控制装置的布局进行了优化设计.1 动力分析模型建立假定同一层各构件的上下移动量基本相同,采用层间剪切型分析模型,墙体的质量分别集中于各层,整个结构建立在刚性地基上,不考虑基础的提离,不考虑土与结构的相互作用.以n 层MRD 结构为例,MRD 恢复力模型采用平行板模型[9],建立动力分析模型(见图1).m 1-m n 分别为上部结构各层质量;k h ,1-k h ,n 分别为上部结构各层水平刚度;c h ,1-c h ,n 分别为上部结构各层水平阻尼;c mc ,1-c mc ,n ,e mv ,1-c mv ,n 分别为各层MRD 提供的库仑阻尼和黏滞阻尼.2 水平运动微分方程的建立MRD 结构水平运动微分方程为M x ¨+C h x ・+K h x =C m +F x ¨g(1)式中:x ,x ・,x ¨分别为MRD 结构各层水平相对位移、速度和加速度列向量;C h ,K h 为MRD 结构的水平阻尼矩阵和水平刚度矩阵;x ¨g 为地震加速度2006年03月第22卷第2期 沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science ) Mar. 2006Vol 122,No 12输入;C m 为MRD 的总阻尼向量.如果MRD 结构每一层都安装MRD ,得到阻尼系数矩阵就比较容易,但是某些情况下是在MRD 结构上选择安装MRD ,并不是在每一层间都安装MRD.假设安装r 个MRD ,则需要引入一个n ×r 控制装置位置矩阵E ,这时的C m 为r 维MRD 的总阻尼向量,可得运动方程为图1 MRD 结构的动力分析模型 M x ¨+C h x ・+K h x =EC m +F x ¨g(2)将MRD 所产生的总阻尼力向量C m 分解C m =C v +U(3)C v ,U 分别为MRD 的黏滞阻尼力和库仑阻尼力向量.一般情况下,MRD 都采用同一型号,因此,黏滞阻尼系数均为c v ,则C v =c v V(4)其中,V 为各自MRD 活塞与缸体间的相对速度向量,它与各楼层的运动速度向量x ・的关系为V =-E T x ・(5)则运动方程为M x ¨+(C h +c n EE T )x ・+K h x =EU +F x ¨g(6)3 改进混合遗传算法遗传算法(G A )正引起人们研究及应用的热潮,但在迭代过程中经常出现未成熟收敛、振荡、随机性太大及迭代过程缓慢等缺点[10-11].311 标准遗传算法标准遗传算法(SG A )见文献[12].312 遗传算法的改进包含转基因算子[13]的改进遗传算法计算步骤:(1)初始化群体,种群个体数为M ;(2)由适应值函数计算每个个体适应值;(3)实施选择操作;(4)以交叉概率P c 实施操作;(5)以变异概率P m 实施操作;(6)以概率P t 实施转基因操作;(7)满足程序终止条件,结束搜索.313 遗传算法与单向搜索算法的混合SG A 的缺点基本上都可以得到很好的改善,但SG A 有局部搜索能力差、迭代过程缓慢的缺点无法得到很好的改善.因此,将IG A 与单向搜索算法[14]相混合,成功地解决SG A 在迭代过程中经常出现的各种问题.这种算法可被称为改进混合遗传算法(IHG A ),流程图见图2.图2 IHG A 的流程图4 优化模型的建立使目标函数———上部结构水平相对加速度峰值最小:min (max|x¨(t )|)(7)优化设计变量:E =[e 1,e 2,…,e n -1,e n ](8)约束条件:e i ≤[e s ] i ∈[1,2,…,n -1,n ](9)∑ni =1e i ≤[e t ](10)max|x i (t )|≤[Δ1],max|S i (t )|≤[S ](11)其中,E 为MRD 结构中MRD 的空间位置向量;e i 为MRD 结构的第i 层的MRD 数量;[e s ]为218 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第22卷MRD 结构单层容许安装MRD 最大数量;[e t ]为MRD 结构容许安装MRD 的最大总数量;[Δl ]为上部结构水平位移容许值,S i (t )为结构各层的层间剪力;[S ]为结构层间剪力容许值.5 算例与分析以8层MRD 结构为例,参数见表1,MRD 布局为E =[1,1,1,1,1,1,1,1];1-8层层高316m ;1-7层层间质量240t ;8层层间质量180t ;1-8层层间水平刚度和层间竖向刚度分别为0152×GN/m 和34×GN/m.地震波选用El -Centro (1940-05-18),水平加速度峰值为220cm/s 2.使用IHG A 对MRD 的布局进行优化设计.约束条件为:[e s ]=4,[e t ]=8,[S ]=3000kN ,[Δl ]=10cm.优化结果为:E =[3,2,2,1,0,0,0,0].优化后,结构在各种工况下各项地震反应均得到更好地控制(见表2).图3～6分别为MRD 结构优化后相对加速度、速度、位移、层间剪力时程曲线.使用IHG A 对智能控制装置布局进行优化设计,MRD 结构的相对加速度、速度、位移、层间剪力分别减小了8187%～11120%.表明IHG A 对智能控制装置布局优化结果理想,智能控制结构各项地震反应均得到更好地控制.6 结 论IHG A 对智能控制装置布局优化后,MRD 结构的相对加速度、速度、位移、层间剪力均有很大程度的降低,表明IHG A 对智能控制装置布局优化结果比较理想,结构的各项地震反应均得到了更好地控制.表1 20t 足尺MRD 主要性能参数冲程/cm 最大阻尼力/kN最大最小力比大耗电功率/W线圈缸体直径/cm磁流变液动黏系数/(Pa ・s )流体最大屈服应力/kPa两极间隙/mm有效流体体积/cm 3±82001011223×10502013201650290表2 MRD 结构优化前后的地震反应比较相对加速度峰值/(cm ・s -2)与优化前比较相对速度峰值/(cm ・s )与优化前比较相对位移峰值/cm与优化前比较层间剪力峰值/kN与优化前比较优化前350104-38148-7186-2350122-优化后318198减小8187%34156减小10119%6198减小11120%2114128减小10104%第22卷张延年等:智能振动控制装置布局优化设计219 参考文献:[1] 张延年,刘剑平,李艺.双向耦合地震作用下的混合控制结构研究[J ].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2006,22(1):1-5.[2] Symans M D ,Constantinau M C.Semi 2active controlsystems for seismic protection of structures :a state of the art review[J ].Journal of Engineering Structures ,1999,21(6):469-487.[3] Takesue N ,Furusho J ,K iyota Y.Fast res ponse MR 2fluid actuator 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张延年,刘剑平,刘斌,等.改进单向搜索遗传算法的工程结构优化设计[J ].力学季刊,2005,26(2):293-298.[11] 张延年,刘斌,朱朝艳.工程结构优化设计的改进混合遗传算法[J ].吉林大学学报:工学版,2005,35(1):65-69.[12] 张延年,刘斌,郭鹏飞,混合遗传算法在工程结构优化设计中的应用[J ].工业建筑,2005,35(3):23-26.[13] 张延年,刘斌,董锦坤.改进遗传算法在建筑结构优化设计中的应用[J ].东北大学学报:自然科学版,2004,25(7):692-694.[14] 张延年,刘斌,郭鹏飞..基于混合遗传算法的建筑结构优化设计[J ].东北大学学报:自然科学版,2003,24(10):990-993.Layout Optimization of Intelligent Control EquipmentZHA N G Y an 2nian 1,L I Yi 2,DON G Ji n 2Kun 3,ZHU Chao 2yan 3,FA N He2(11School of Civil Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang 110168,China ; 21School of Resource &Civil Engi 2neering ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ; 31Department of Civil Engineering ,Liaoning Institute of Tech 2nology ,Jinzhou 121001,China )Abstract :In order to improve the effect of shock absorption of intelligent vibration control structure ,control objective was realized with the least control equipment and optimal layout.The dynamic analysis model for structure with MRD was set up ,and kinetic differential function was presented accordingly.In view of the fact that the standard genetic algorithm (SG A )had such frequent shortcomings as premature convergence ,oscillation and over 2randomization in iterative process ,a new genetic operator named transgenic operator had been developed for the purpose of improving SG A.Moreover ,a unidirectional searching algorithm for struc 2tural optimization with discrete variables was proposed ,and some problems were solved by means of unidi 2rectional searching algorithm combined with G A.Thus ,improved hybrid genetic algorithm (IHG A )was proposed.The optimal model for structure with MRD was set up.The layout of intelligent control equip 2ment was optimized with IHG A.The relative acceleration ,velocity ,displacement and inter 2story shear of structure with MRD were reduced greatly by optimization.It showed that IHG A was an effective method for layout optimization of intelligent control equipment.The various earthquake responses of structure with MRD got better control after it was optimized with IHG A.K ey Words :semi 2active control ;MRD ;optimum design ;genetic algorithm220 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第22卷。
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智能结构振动控制的一般原理[4] ,如图 1 所示 。当外界
的 ,测量的是一些离散点振动 ,如果传感器位于模态节点或 环境如受到外冲击 、周期激励 ,结构会发生一定的变形和振
连线上 ,一些自振模态信息可能丢失或达不到振动控制的目 动 ,这时结构中的传感器系统回收到结构变形和振动的信息
的;
(分布微处理器进行预处理) ,并将信息通过通信网络传给中
制的压电材料主要有两种 :一种是压电陶瓷片如 PZT 和压电 高分子聚合物如 PVDF。此外 ,硅微机械传感器 ,光纤传感器
处理 ,然后再由中央处理器协调控制 。由于分布式微处理器 一般集成到结构之中 ,其控制对象就是结构本身 ,这样就将
也是主要传感器类 。特别是近年来利用半导体加工技术发 控制对象的研究转移到控制器本身的研究上 ,通过提高控制
性能稳定性 中
中
优
低
中
辅助设备 —
—
复杂
—
—
的相互作用与耦合机理及其微观力学性 、运动 、变形等响应 与集成元件性能 、涂层 、位置 、方向和界面之间的关系 ,因为 要接收 、处理 、控制振动 ,所以还涉及到结构的疲劳 、稳定 、寿 命和失效问题及埋入与粘贴技术 。
4 智能结构振动控制的最新进展[1～9 ]
性 。传统振动控制装置一般都置于控制对象外 ,需要大量的 标 :增大结构阻尼和/ 或吸收能量并减小残留位移和应变 ;全
辅助设备 ;如果利用附加质量减少主振动 ,不仅占用空间大 , 局算法控制目标是 :镇定结构 ,控制形状和抑制扰动 。前两
而且会因附加质量的振动引起噪声 ;
种控制问题是目前技术水平可以实现的 ,智能控制是未来应
智能结构振动控制
浙江大学生产工程研究所 (杭州 310027) 沈润杰 杜设亮 梅德庆 傅建中 陈子辰
【摘要】介绍了近年新发展起来利用机敏材料作为传感 的场合 。传统的控制装置由于控制器的参数是固定的 ,所以
元件和致动元件的智能结构振动控制与传统振动控制系统 当系统内部特性变化或外部扰动的变化幅度较大时 ,系统的
生一定的反力或提供阻尼 ,使结构变形恢复原状或减少结构 用于智能结构应用的致动器 ,特别是应变大 、作用力大 、频带
的振动 ,从而使结构在外界干扰作用下能继续正常工作 。
宽 、刚性强 、效率高的致动器尚有待遇开发 。
表 2 四类致动元件性能比较
图 1 智能结构振动主动控制原理
3 智能结构振动控制的关键技术
种 :逆压电效应 、电致伸缩 、磁致伸缩和形状记忆效应 ,表 2 与 Hubbard 成功采用压电薄膜 PVDF 对梁的振动进行控制 ,
是目前市售致动器材料性能比较[3 ,5] 。其中压电材料应用较 Tzou 把其推广到板和壳体的控制问题上 。Chen 等研究了上
成熟 。此外 ,电致 ( ER) 流变体材料 ,在结构减振方面有诸多 下表面粘贴有 SMA 薄层的梁振动控制 ,Roger ,梅胜敏等还将
内嵌有机敏材料 (如 :压电 、光纤 、半导体 、电致伸缩 、磁致伸 度分布 、对结构的力学影响小 ,易于粘贴或埋入对象的表面
缩 、ER 流变体和形状记忆等材料) 制作的分布传感器和分布 或内部 ,并能对振动信息作出迅速 、精确反映 。
致动器的结构或复合结构 ,这些分布传感器和分布致动器通
(1) 控制器 。一般包括中央处理机和分布式微处理器 。
1000
700
1000
1000
高
高
高
中
20000 低
9
0. 3
17
7
—
350
10
500
580
8500
好
中
好
好
好
Amax 最大冲程量 ε, max 致动 控制器一般由分布式微处理器和中央处理器组成 ,它是
智能结构振动控制系统的神经中枢 。由于智能结构本身是
灵敏度 、易于集成 、高度分布 、对结构的力学影响小 。在多数 情况下应能抵抗强磁场的干扰或高温环境下工作 。在这方
变能 ,改变材料的力学性质 ,使结构避开外部的共振激扰 ,或 从 90 年代初开始智能结构振动控制的研究 ,孙东昌 、董聪 、
利用 SMA 超弹性 (伪弹性) 性质 ,消耗吸收结构振动部分能 胡选利 、任勇生等对此都有深入的研究 ,取得了一定的进展 。
·126 ·
MEEM No . 5 1999
传感器 、致动器 、控制器及其结构集成是智能结构振动 控制的 4 个关键技术[3 ,5] 。传感器 ,要求频带宽 、对结构状态
特 性
Amax (μ) 频带宽 ε,106psi εmax ,με 稳定性
PZTG—5 PVDF
PMN Terfenol D2 Nitinol
压电陶瓷 压电薄膜 电致材料 磁致材料 形状记忆合金
行控制 ,是当今结构振动控制研究和应用非常活跃的领域 。 械 、建筑振动目前主要采用传统控制装置 。
特别在空间柔性体结构中 ,由于其柔度大 、内阻小 ,太空环境 2 智能结构振动控制系统的组成 、特性
又几乎没有外阻[1] ,要使具有高的稳定性和高定位精度 ,用
智能结 构 振 动 控 制 系 统 的 组 成 一 般 包 括 下 述 四 个 要
(1) 智能结构把具有感知和致动属性的材料进行功能符 它必须具有足够的应变冲程 ,较小的滞后效应和高的抗疲劳
合设计 ,实现了材料元件化 ,直接作为传感元件和致动元件 , 性 。
因此加工工艺及结构简单 、使用方便 。而传统的振动控制装
(3) 通信网络 。它担负着传感元件 、致动元件 、控制器之
置一般较复杂 ;
智能结构振动控制系统中 ,控制效果的优劣很大程度决
自智能结构思想提出以来 ,以美 、日 、德为代表的发达国
定于致动器的性能 ,它应对结构的振动施加足够影响 ,且高 家迅速投入大量的人力物力和财力用于该领域的研究和探
度分布 ,易于集成 。致动器能直接将控制器输出的电信号转 索 。80 年代初 Swigert 采用压电陶瓷元件研究了柱状天线模
(3) 智能结构的一个重要特征是具有分布的传感器 、分 重点研究的领域 ,它通常应具备以下功能 :系统辨识 、故障诊
布致动器和分布微处理器 ,因而具有普通振动控制系统无法 断和定位 、故障元件的自隔离 、修复和功能重构 ,在线自适应
比拟的优点 ,可以实现全局最优控制 、实时控制和真正意义 学习 。
上的智能控制 。而传统振动控制 ,传感器和制动器是分散
的区别 ,阐述了智能结构振动控制基本组成 、特性及控制形 性能会大幅度下降 ,甚至不稳定 ;
式和机理 ,对其中若干关键技术进行了分析和论述 ,分析了
(5) 智能结构具有良好的鲁棒性 ,并赋予结构自诊断 、环
近年来发展状况和最新的进展 ,提出了若干发展思路 。
境自适应和损伤自修复性 ,增加了结构的安全 ;传统振动控
分布式强耦合的非线性系统 ,且所处的环境具有不却定性与 时变性 ,因此 ,要求控制系统能自己形成控制规律 ,能快速完
面压电传感器是最佳的选择 ,它是利用压电材料的正压电效 应 ,即受力产生应变 ,在其表面出现与外力成比例的电荷 ,因 为输出信号是电信号 ,不需要辅助设备 。其中实用于振动控
成优化过程 ,具有实时性和在线性 ,加之信息处理和互联网 数据传输合成速度的限制 ,单靠传统单一中央处理器控制方 式很难实现 ,因此一般需要分布式微处理器对局部信息进行
过控制系统 ,对结构所受的激励作出反应并能协调动作 ,来 主要用于处理传感器收集的信息 ,发布控制命令 ,它具有较
补偿或抵消无益的效应增强有益的效应 。它与传统的振动 高的运算速度和精度 ,能对收集的信息进行迅速实时处理 。
控制系统的区别在于 :
(2) 致动元件 。对控制器传来的信息作出适当的反映 ,
间信息传输任务 ,它必须具有较高的可靠性及较高的生存能
(2) 结构集成 。由于智能材料元件具有良好的可埋入 力 。
性 、重量轻 ,把传感元件和致动元件及控制器集成在结构之
目前研究智能结构振动控制策略和算法一般有 3 个层
中 ,不会改变结构的固有性能 ,提高整体的生存能力和可靠 次[5] :局部控制 、全局算法控制和智能控制 。局部控制的目
展起来的硅微机隔合式传感器 ,是智能结构颇有潜力的传感 器的职能水平 ,减少控制系统对受控对象数学模型的依赖 ,
器类 。光纤传感器各方面性能非常优越 ,尤其是近年出现的 使控制系统在受控对象性质发生变化 、漂移 、环境不确知和
芯内布拉格光栅光纤传感器由于具有绝对测量 、线性响应 、 不确定的情况下 ,仍然取得满意的效果 。但要求解决各微处
变为结构的应变或位移 ,具有改变智能材料系统形状 、刚度 、 型控制 ,开创智能结构进行结构振动控制先河 ,随后智能结
位置 、自然频率 、阻尼 、摩擦及其它机械性能 ,从而达到控制 构在结构振动控制研究和应用活跃起来 。之后许多学者研
结构振动或消耗结构振动的能量 。致动器的致动方式有 4 究了各种机敏材料制成的柔韧结构振动控制问题 。如 Bailey
传统的振动控制方法难以满足要求 ,机敏材料的出现及智能 素[3 ,4] :传感元件 、控制器 、致动元件 、通信网络四个部分 。
结构的开发 ,为这一问题的解决提供了一种崭新的方法 。在
传感元件 :用于传感和收集结构的振动信息 ,它必须具
振动控制领域中 ,所谓智能结构[2] ,最简单的形式是外贴或 有足够的可靠性 、频带宽 、对结构状态灵敏度 、易于集成 、高
(4) 智能材料性能的稳定性好 、频带宽 ,可应用于振动频 央处理机进行处理和解释 。如果解释的结果是结果的变形
率变化很大或某些特殊场合如高温和难以安装动力吸振器 或振动超过 ,对结构产生不利的影响 ,需消除此振动时 ,中央
机电工程 1999 年 第 5 期