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埋入压电材料的智能复合材料结构振动主动控制理论和实验研究

吴克恭  
【摘要】: 近20年来,智能材料结构随着材料科学、计算机技术、信息理论、控制理论等学科的发展已成为国内外最活跃的研究课题之一。智能材料结构是集智能传感元件、智能作动元件,微型计算机控制芯片等于一体的复合型结构,在航空、航天、国防、汽车、石油钻探、采矿、铁路运输、工业机器人、以及机床等各行各业中,都有着广泛的应用前景。继美国军方提出和展开大规模的研究之后,日本、英国、德国、澳大利亚、韩国等相继投入人力、财力开展智能材料结构的研究工作,我国自90年代以来,也有一批专家学者从事这方面的研究,某些成果已达到了国际先进水平。 智能材料结构振动主动控制技术就是借助于其中智能材料的作动和传感特性来对结构的振动进行控制。压电材料由于其自身的压电效应和逆压电效应而被制作成压电传感器和压电驱动器来对结构的振动进行控制。早期的研究主要集中在表面粘贴压电片的结构,表面粘贴压电片具有一些无法克服的缺点。本文着重进行利用埋入复合材料结构的压电传感器和压电驱动器对其振动进行主动控制的相关理论和实验研究,并介绍其相应结果。埋入型压电材料的优点主要是能保护压电传感器和作动器及其连线、增强压电材料和基体材料的耦合、优化埋入压电陶瓷的深度和厚度可增强压电传感器的测量信号并提高信噪比等。另外本文利用埋入复合材料结构中的压电传感器和驱动器对其进行模型识别而得出结构的动力学模型,再将该模型用于控制器的设计,这样做的好处是如果结构本身或者约束、环境等发生变化后,可以很方便地对结构的模型重新进行在线识别,及时更新控制参数,避免控制失效,而且不需要事先知道结构的其它属性。应用最优控制理论的全维状态观测器技术,结合所选取的压电传感器和作动器识别的结构动力学模型,可以设计出其最优控制器。实验表明,传感器信号的频谱峰值最大可以被有效的降低20分贝左右。 本文的工作主要集中在下面几个方面: (1).从压电材料的压电方程出发,针对埋入式压电片,分析埋入式压电片在和结构一起发生变形时基体结构材料和压电材料的应力应变的分布规律和关系。对其作动能力和传感能力进行了详细的推导,得到了埋入复合材料梁和板结构中压电片的压电作动弯矩方程和压电传感方程。 (2).分析了压电复合材料结构的有限单元建模方法和基于结构模态分析技术的实验模型识别方法。通过对埋有压电作动器和压电传感器的智能复合材料结构进行有限单元分析,建立起了结构振动的有限单元模型,并介绍了对有限 摘要 单元模型进行模型降阶的方法,使其适合于对结构的振动进行控制。同时利 用模态分析技术对结构的模态参数进行识别,用识别的模态参数建立了结构 振动的状态空间模型,为控制器的设计做好了准备。 (3).对压电复合智能材料结构设计了线性二次型最优控制器。同时分析了加权矩 阵在最优控制器设计中的作用,提出了一种简单有效、意义明确、计算量小、 不需要叠代计算的加权矩阵选取和计算方法。利用全维状态观测器技术对于 状态反馈所需的状态值进行估值,并将状态观测器的极点配置在反馈控制系 统极点的左侧,以使得状态观测器的响应速度比状态反馈控制系统的响应速 度快。 (4).通过对埋入梁结构中压电片的压电作动力矩方程进行分析,推导出了压电材 料埋入梁结构时其最优埋入深度和压电材料最优厚度的显式表达式,以及能 够取得这些最优值的条件。根据压电弯矩表达式,绘制出了在给定的基体材 料和压电材料弹性模量比之下,压电材料的驱动力矩随埋入深度和压电材料 厚度变化的三维曲面和等高线图,直观地表示出了埋入型压电智能复合材料 结构获得最佳驱动力矩的配置方案。试图给压电型智能材料结构的设计和制 造者提供一些有用的建议和指导。同时也分析了基体结构和压电材料两者的 弹性模量之比对压电作动力矩的影响。并将其结果也推广到了压电复合板结 构,指出了对于压电复合板结构还需考虑基体材料和压电材料泊松比的影 响。 (5).制作了埋有若干压电片的碳纤维复合材料梁结构,对于该复合材料梁结构进 行了实验模型识别、控制器设计和振动控制实验研究。实验模型识别结果表 明,利用埋入复合材料结构中的压电片,可以在较宽的频带内很好地识别结 构的动力学模型,并且当结构的动力学特性发生变化的时候,可以很方便地 对结构模型进行再识别,对模型参数进行及时更新,使得结构的识别模型能 够正确地描述实际结构。振动控制实验表明,利用实验识别模型和木文介绍 的控制器设计方法,可以很好地控制结构在被识别模态处的振动。同时实验 验证了本文提出的控制器设计时加权矩阵选择方法的有效性。


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