智能结构振动控制

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
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
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
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
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
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
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 ]
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
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 。
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MEEM No . 5 1999
从智能结构振动控制的进展来看 ,目前主要集中在以下 几方面的研究 :开发应变大 、作用力大 、频带宽 、刚性强 、效率 高的致动器材料 。美国海军水面舰艇武器中心 clark 发明一 种磁致伸缩材料 Terfenol —D ,这种材料具有超磁致伸缩特 性 ,有望用于振动控制中的致动器 。在压电材料方面目前研 究较多 ,但由于压电材料存在着应变小 、驱动电压高等缺点 , 因此双压电型驱动器使用受到限制 ,为了解决压电材料这一 缺点 ,日本高桥先生采用与陶瓷电容器相同的制造方法来生 产的积层压电元件 ,其特点 :能量变换率高 (约 50 %) 、驱动电 压低 150V、最大变位可达 16μm、动作力达 3400N/ cm、响应快 、 稳定性好 ;Cudney 运用运用深梁理论提出了一个分布多层制 动器 ,Tzou 把其推广到板和壳体的控制问题上 。此外自感执 行元件也是当前研究的热点之一 ,它是同一个元件同时具有 传感器和制动器的功能 ,其材料机/ 电或其它类耦合关系必 需可逆的 ,压电和相变材料 (形状记忆合金) 满足上述要求 , 由于传感器和制动器集为一体 ,这不仅简化通讯网络的布线 程序 ,提高智能结构整体生存能力和可靠性 ,而且可以实现 同位控制 ,避免观测溢出 。还许多学者通过理论和实验的方 法对各种智能材料本构关系进行广泛研究 ,从不同的模型出 发 ,采用不同的原理和方法 ,建立智能元件与母体结构之间 的力 —热 —电 —磁等耦合系统动力学方程 ,得出一些有价值 的结论 ,如 Lee 和 Saravanous 用有限元模拟了压电层合梁的 热变形 ,Rao ,Tzou ,Bao 还建立了考虑热应力的有限元模型 , 孙东昌等则对压电材料的机电耦合模型 进 行 研 究 。另外 Dimitriadis 等还对压电铺层优化问题进行讨论 。这些理论研 究为智能结构振动控制方法进一步深入研究奠定了理论基 础。
光谱编码 、高强度及传感器复用等优点 ,倍受注目 ,但光纤传 理器 、中央处理器之间的界面与功能分配问题 。
感器需要一套辅助设备 、结构复杂 ,应用受到一定限制 。4 类
结构集成是智能结构又一关键问题 。结构集成传感器 、
传感元件的比较 ,如表 1 所示[3 ,5] 。
致动器和控制器后 ,产生了许多新的数学力学问题 ,如结构
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
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 ,
表 1 四类应变传感元件性能比较
埋入和粘贴传感器 、致动器和控制器后与结构本体材料之间
电阻应 半导体 光纤应
特 性
压电薄膜 压电陶瓷
变 片 应 变 变 仪
灵敏度 30V/ε 1000V/ε 106 V /ε 104V/ε 2 ×104V/ε
频带宽 0～104Hz 0～104Hz 0～104Hz 0. 1～GHz 0. 1～GHz
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 。
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
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
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
(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
(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 ;
关键词 :智能结构 ;机敏材料 ;振动控制 ;结构振动
制装置适应环境变化的能力较差 ;
(6) 与传统的振动控制相比 ,因受到机敏材料最大应变
1 引 言
冲程的限制 ,难于提供大功率振动控制 ;目前主要用于航天
利用机敏材料作为传感元件和致动元件对结构振动进 结构 、微型机械 、大挠度梁和壳结构振动控制 ,而对大型机
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
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
应用 ,由于它需要高的电压激励 ,不能储存任何形式的能量 , NiTi 形状记忆金属丝埋入复合材料 ,生成具有主动振动控制
应用受到限制 。聚合物形状记忆材料是目前振动控制中研 功能复合材料梁 。另外 ,日本富泽元一等利用电致 ( ER) 流变
究的热点之一 ,其主要是利用 SMA 丝受热后引入的残余应 体材料 ,对刀具系统振动进行控制 ,获得很好的效果 。我国
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;
来自百度文库
(分布微处理器进行预处理) ,并将信息通过通信网络传给中
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
(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
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处理机就向致动系统发出变形和作用力指令 ,调节系统则产 量 ,但它的频带宽度很窄 ,只适用于低频振动控制 。真正适