压电智能结构的主动控制

15
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电效应—智能材料属性和特性（力电耦合物理场）
16
压电效应是压电材料最基本的效应，它包含两种现象：一是当机械力或压力 (应变)作用于压电元件时，压电材料中便会产生电荷或电压，这种现象称为 正压电效应；二是如果电荷或电压施加于压电材料时，则这种材料便会产生 机械力和应变，这种现象称为逆压电效应。
7
结构控制理论及应用
智能结构概述
智能结构的发展
20世纪50年代，人们提出了智能结构，当时把它称为自适应系统 （Adaptive System）； 20世纪80年代初期和中期，有三项著名研究计划推动了智能结构研究的发 展，取得了实质性进展：一是飞机结构自主状态监测诊断；二是大型柔性太 空结构形状与振动控制；三是潜艇结构声辐射控制； 1988年9月，美国陆军研究办公室组织了首届智能材料、结构和数学的专题 研讨会；
机械能转化为电能
电能转化为机械能 对于线性压电材料，力 学量和电学量的耦合是 通过压电常数（d,d’） 来实现的。
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电效应产生的机理——极化与介电
17
力电耦合问题把力学理论对材料强度的研究从传统的结构材料延伸 至信息材料与智能结构。
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电材料的物性—力学与电学性质
Hale Waihona Puke Baidu
12
结构控制理论及应用
压电材料概述
引语 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。 陶宝祺《智能材料结构》 智能结构最核心的部分是能够对外界环境的变化作出反应的智能材料。 郑哲敏在《力学进展》杂志上回顾力学发展史，展望21世纪力学发展趋势指 出：“力学将融合力一热—电一磁等效应，这些效应的结合孕育着极有前途 的新机会”，以往那种只注意利用材料某一方面特性的时代已经过去，随着 科学技术的发展，现在人们已将注意力转向对材料交叉耦合效应的研究。 黄文虎：被动控制具有容易实现和结构简单等特点，具有高可靠性和鲁棒性， 但缺少灵活性，对突发性环境变化要消耗能源。受到多种因素的影响。基于 以上原因，控制方法的主要发展趋势是利用智能材料进行主动控制以及主被 动控制。
9
结构控制理论及应用
智能结构概述
智能结构的组成 智能结构至少由以下三部分组成：传感器、致动器、控制系统。 传感器：传感器相当于智能结构的“神经细胞”，它担负着感知外界环境和内部 状态变化的作用。振动系统中能把位移、速度或加速度等信号直接转换成电信号 输出。 常用的有：光导纤维、压电元件、电阻应变丝、疲劳寿命丝、碳纤维、半导体等 致动器：致动器是智能结构的“肌肉”，主要起响应和控制作用。致动器能够自 适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼、摩擦力等。 常用的有：形状记忆合金、压电材料、电流变液、磁流变液、形状记忆聚合物 (SMP)、聚合胶体是几种最常用的致动材料。 控制系统：能结构的控制器，是智能结构的“神经中枢”，它集成于结构之中， 由具有控制功能的硬件电路或电脑芯片与软件组成，其控制对象就是结构本身。 常用的振动控制策略：极点配置法、最优控制法、自适应控制、模态控制法、直 接输出反馈控制法。 目前智能结构按材料可分为：压电类智能结构，形状记忆合金智能结构，电流变 液智能结构。
结构控制理论及应用
结构振动控制概述
结构振动控制的分类 依据是否需要外界能源，振动控制可分为： 被动控制(PVC)：大体可概括为隔振、吸振和耗能三类； 主动控制(AVC)：控制的目标函数，控制器的设计和施加控制力的方法等； 半主动控制； 混合控制； 结构振动控制规律的方法 反馈控制法 自适应控制法 PID控制法 变结构控制法 神经网络控制法 模糊控制法 鲁棒控制法 最优控制法
8
结构控制理论及应用
智能结构概述
智能材料与结构的发展有赖于以下三个方面:
层状材料及复合材料的普遍使用。使传感器、驱动器、微处理器能与层状材 斟结台在一起，追切需要解决它的强度诊断和月蟠E变化等问题，使得驱动元 件和传感元件很容易融合进入材料，组成整体，从而具有人们期望的多种用途。 对材料的机械、电子、化学、物理、热等多方面的耦合技术探索取得突破。 对材料来说，完整的本构关系是包括力、光、电、磁和热性质等。但是以往考 虑结构性能时又注意力学特性，研究电学性能时又注意电学特征。然而，当注 意到本构关系中的非对称项对：如机电耦合项，会发现许多有用的内容，正是 这些项才是智能结构产生的物质基础。 电子工程和计算机科学理论的发展。包括微电子学、总线技术、开关电网、 光纤技术，以及信息处理、人工智能、控制理论的飞速发展，解决信息处理， 为材料结构的智能化提供条件。
振动控制的任务：通过一定的手段使受控对象的振动水平满足人们的预定要求。 振动控制的五个环节：1.确定振源特性与振动特性；2.确定振动控制水平；3.确 定振动控制方法，即确定衡量振动水平的量及其指标；4.进行分析与设计，包括 建立受控制对象与控制设置的力学模型、进行振动分析，以及对控制装置与结构 的设计；5.通过一定的控制率实现结构的振动控制。
10
结构控制理论及应用
智能结构概述
智能结构的组成 智能结构至少由以下三部分组成：传感器、致动器、控制系统。
11
结构控制理论及应用
压电材料概述
引语
压电材料的定义和分类 压电材料的发展 压电效应—智能材料的属性 压电材料的物性—力学与电学性质 压电材料的本构—压电方程 压电材料的用于振动控制的优势
结构振动控制 之 基于压电智能材料的结构振动主动控制
钢筋
—— 研究概况与原理
Structural Vibration Control
Piezoelectric Smart Material Based Structural Vibration Active Control
—— Research Summaries and theories
3
结构控制理论及应用
结构振动控制概述
4
结构振动控制的定义 所谓的振动控制就是在设计或安装中采取措施，以控制产品所经受的振动，把产 品及所在系统的振动条件限制在允许范围内，使之能够保证产品的正常使用功能。 崔明月《基于神经网络-遗传算法的压电智能板的振动控制方法研究》 结构振动控制的任务 振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，是振动研究的出发点和归宿。 振动控制的两个方面：一方面是振动的利用，即充分利用有利的振动；另一方面 是振动的抑制，尽量减小有害的振动。常用的传统方法按照抑制振动的手段：消 振、隔振、动力吸振、阻尼减振、结构修改等。
Junjie HU 2011.12.19
结构控制理论及应用
内容提要
结构振动控制概述
智能结构概述 压电材料概述 压电智能结构的振动控制概述 基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理 基于压电智能材料的结构振动主动控制的应用
2
结构控制理论及应用
结构振动控制概述
结构振动控制的定义
结构振动控制的任务 结构振动控制的分类 结构振动控制的方法
5
结构控制理论及应用
智能结构概述
智能结构的定义
智能结构的发展 智能结构的组成
6
结构控制理论及应用
智能结构概述
智能结构的定义
智能结构，就是在基体中嵌入或粘贴智能材料以作为传感器和致动器，从而 能感知外界环境的变化及自身的实际状态，并能通过自身的感知，作出判断， 发出指令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下的自检测、自诊断、自 监控、自修复及自适应等多种功能。
19
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电材料的本构—压电方程
压电方程的简化： 在实际工程应用中，压电材料大多选取压电陶瓷，这种材料在宏观上都呈横 观各向同性，一般选取各向同性面为XOY平面，在Z轴方向上极化。 此时，横观各向同性压电材料三维情况下的弹性常数矩阵、压电常数矩阵和 介电常数矩阵分别表示为： 对于梁等细长结构中，压 电方程进一步简化为：
20
弹性性能
压电效应
介电性能
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电材料的优势 压电材料是一种具有力/热/电耦合性质的智能材料，它能通过材料的正、逆 压电效应实现能量的转换。压电材料同时具有正压电效应和逆压电效应使得它 能够同时承担起传感器和致动器的功能； 响应速度很快，是形状记忆合金的10000倍； 作为驱动器时，与其它智能材料相比，它的激励功率小； 尺寸可以做得很小和很薄，既适合于安装在结构表面，也可以埋入结构中； 组合灵活，既可以大块使用； 压电效应具有较好的线性关系。压电本构方程中的应力、应变、电场强度、 电位移等物理量之间均为线性关系； 压电材料的输入和输出均为电信号，容易测量和观测； 压电材料易于加工和裁剪，可以根据需要加工成任何厚度、任意大小及任意 形状的压电片； 压电材料在柔性结构中的控制中作为传感器时不需要参考点，作控制器时不 需要支撑点。
21
结构控制理论及应用
压电智能结构的振动控制概述
智能材料结构的引语
压电智能结构的概念 压电智能结构振动控制的分类 压电智能结构的研究现状 利用智能结构技术实现结构振动主动控制研究的基本问题
22
结构控制理论及应用
压电智能结构的振动控制概述
智能材料结构的引语
智能材料结构是将驱动元件和传感元件紧密融合在结构中，同时也将控制电 路、逻辑电路、信号处理器、功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、 光、电、磁等进行激励和控制，使智能材料结构不仅具有承受载荷的能力， 还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参 数的检测，包括应变、损伤、温度、压力声音、光波等检测，而且还能够作 动，具有改变使结构的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能、 化学性能及透气性等多种功能，从而结构材料本身具有自诊断、自适应、自 学习、自修复、自增值、自衰减等普通机械结构不具有的功能。
压电材料的力学性能：弹性 虎克定律 压电材料的电学性能：介电性 电感作用
18
极化的方向性
电介质：不导电的物质，在电场作用下会产生极化，以感 应的方式而不是以传导的方式来传递电的作用。
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电材料的本构—压电方程 在压电弹性体内，机械效应与电效应是分不开的，他们互相牵制，紧紧地耦 合在一起。在压电弹性体的胡克定律中必须增加电学量对于力学量的贡献， 同时，在电学量的关系式中必须增加力学量对电学量的贡献。压电方程便是 描述压电弹性体这一特殊规律的物理方程。 压电方程为压电材料的力学性能、电学性能、正压电效应和逆压电效应的耦 合方程。
14
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电材料的发展 在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。 在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和磷酸二氢钾盐，具有压电性。 并将它们的应用扩展到了声纳、超声波、麦克风和传感器等。 20 世纪 40 年代中期，发现了钛酸钡BaTiO3陶瓷压电效应的出现，是压电材料 研究及其应用中的一项重大突破，它不但容易制备，且可以改变其极化方向。是 压电材料发展的一个飞跃。 20 世纪 50 年代中期，美国科学家发现了压电锆钛酸铅PZT体系，PZT具有非常 强和稳定的压电效应，具有重大实际意义的进展。 1969 年日本的 Kawai 发现了压电聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF） ， PVDF 是 一种柔性压电材料，可以制作成非常薄的膜形式，具有重量轻、易成形、耐冲击、 高弹性柔软性和响应频带宽等优点。 1978 年，美国宾州州立大学的 R.E.Newnham 首先提出了压电复合材料的概念， 并成功研制了 1-3 型压电复合材料。压电复合材料的出现克服了压电陶瓷的脆性 和压电聚合物温度稳定性低的缺点。 由于 PZT 的组成元素氧化铅是重金属的有毒物质，随着环境问题的日益严峻， 欧洲联盟(EU)计划将限制此类或其他具有有害物质的重金属的应用，因此目前无 铅压电陶瓷及其复合材料的研究非常热。
13
结构控制理论及应用
压电材料概述
压电材料的定义 压电材料是一种特殊的弹性体，除了具有一般弹性体的弹性性质外，还具有 压电效应，而且压电效应是可逆的。利用压电材料的正、逆压电效应，压电 元件既可作为传感元件，又可作为执行器件。
压电材料的分类 压电晶体：石英 压电陶瓷：锆钛酸铅(PZT)固溶体、钛酸钡(BaTiO3) (无机) 压电聚合物：聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物 (有机) 压电复合材料