（机械制造及其自动化专业论文）基于压电致动器的柔性构件振动主动控制技术研究.pdf

摘要+ 对柔性构件的振动主动控制问题，结合国家自然科学基金项目，针对一类空间柔性杆 系统的扭转振动及一类两连杆柔性构件系统中的柔性梁、柔性杆之间的弯曲一扭转耦合振动 进行系统、深入的理论与实验研究。 第一章概述了课题研究的背景与意义。从柔性构件的系统建模、典型柔性构件的研究、 智能材料的应用、致动器传感器的优化配置、振动控制中的常用控制算法方面，综述了柔 性构件主动控制的研究现状。最后阐述了本文的主要研究内容。 第二章阐述了压电材料的压电方程及压电应用。设计了一种采用轴向极化方式的压电 扭转致动器，导出了此致动器的输出扭矩，分析了其谐振频率，探讨了此类致动器的制作 加工工艺。分析了电阻应变片测量扭转振动的基本原理，推导了其扭转角与电桥输出电压 之间的关系。 第三章简要分析了柔性杆的扭转振动。提出一种由柔性杆、压电扭转致动器、电阻应 变片传感器所组成的空间柔性杆件系统。针对该柔性杆系统中压电致动器，传感器的位置优 化配置问题，推导了系统的动力学方程，建立了系统的状态空问表达式。提出一种基于最 小输入能量、最大能量传递、g r a m m i a n 矩阵最小奇异值最大化的复合优化配置算法，运用 遗传算法对压电扭转致动器，传感器的布局位置进行了优化。最后，进行了数值优化仿真研 究，确定了致动器传感器的最优配置位置，并与其它位置作了比较研究。 第四章基于线性二次型最优控制基本理论，研究了线性二次型最优控制理论中的加权 矩阵q 的选择策略，提出一种基于遗传算法并具有约束条件的加权矩阵选择方法。以第三 章所建立的系统为例进行了优化仿真研究，表明所提出的加权矩阵选择策略是有效的、可 行的。同时也作了致动器4 4 感器在不同位置的控制研究，验证了相关优化理论的正确性。 第五章构建了一种由柔性梁与柔性杆所组成的具有弯扭耦合特性的空间两连杆柔性构 件系统，将两种不同极化方式的压电致动器应用于此柔性构件系统的弯扭耦合振动主动控 制。运用拉格朗日方程和假设模态法推导了此柔性系统的动力学方程。在柔性杆上粘贴压 电扭转致动器抑制柔性杆的扭转振动，在柔性梁上粘贴压电弯曲致动器抑制柔性梁的弯曲 振动。提出了两种控制策略，第一种是基于l y a p u n o v 稳定性的速度反馈控制策略，第二种 是带有饱和环节及低通滤波器的滑模变结构控制策略，对提出的两种控制策略。分别进行 了主动控制数值仿真研究，并作了对比分析。 第六章构建了基于工业p c 机为核心的柔性构件实验系统。对实验系统的软、硬件进 行了阐述，分别进行了柔性杆系统及两连杆柔性构件系统的主动控制实验研究。实验结果 验证了相关位置优化理论及控制理论应用的正确性。 第七章对全文进行了总结，并对未来的工作进行了展望。 本学位论文受国家自然科学基金资助( 编号；5 0 2 7 5 1 3 1 ) i 关键词：振动主动控制；扭转振动；弯扭耦合振动：遗传算法；优化配置；最优控制；滑 模变结构控制 n a b s t r a c t a i m i n ga tt h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o lo fs p a c ef l e x i b l e s t l - u c t l l r c sa n dc o m b n e dw i t ht h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u d a t i o np r o j e c t , t h et o r s i o n a lv i b r a t i o no f as p a c ef l e x i b l eb a ra n dt h e b e n d i n g - t o r s i o n a l - c o u p l e dv i b r a t i o no f at w o - l i n kf l e x i b l es t r u c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l y i nc h a p t e ro n e ，t h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o na n ds i g a n i f l c a n e eo ft h ed i s s e r t a t i o nw e r e p r e s e n t e d a n dt h e nt h eu p - t o - d a l cr e s e a r c hs t a t u so ft h ef l e x i b l es t r u c t u r e sw a sg i v e ni n t h e f o l l o w i n ga s p e c t sw h i c ha l et h es y s t e mm o d e l i n go f t h ef l e x i b l es t r u c t u r e s ，s t u d i e so nt h et y p i c a l l y f l e x i b l es t r u c t u r e s ，a p p l i c a t i o no f s m a r tm a t e r i a l s ，o p t i m i z a t i o np l a c e m e n to f t h ea c t u a t o r s s e n s o r s a n dc o n v e n t i o n a lc o n t r o la l g o r i t h m si na c t i v ev i b r a t i o nc o n t r 0 1 a tl a s t , t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t o f t h i s d i s s e r t a t i o nw a sp r e s e n t e d i nc h a p t e rt w o , t h ep i e z o e l e c t r i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sa n dt h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l sw e r ep r e s e n t e d ap i e z o e l e c t r i ct o r i s o n a la c t u a t o rw a sd e s i g n e du s i n ga x i a lp o l i n g m e t h o d , a n dt h eo u t p u tt o r q u eo f t h ea c t u a t o rw a sd e r i v e d t h et o r i s o n a lr e s o n a n t 仔e q u e n c yo f t h e p i e z o e l e c t r i ct o r s i o n a la c t u a t o rw a sa n a l y z e da n di t sf a b r i c a t i o nm e t h o dw a sd i s c u s s e d t h e f u n d a m e n t a lo f t h es t r a i ng a u g ei nt e s t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o nw a si n v e s t i g a t e da n dt h er e l a t i o n s h i p b c t w e a nt h et o r s i o n a la n g l ea n do u t p u tv o l t a g eo f t h ee l e c t r i cb r i d g ew a sf o u n d e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h et o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h ef l e x i b l eb a rw a sa n a l y z e d as p a c ef l e x i b l e s t r u c t u r ec o n s i t i n go faf l e x i b l eb a r , ap i e z o e l e c t r i ct o r s i o n a la c t u a t o ra n ds t r a i ng a u g e sw a s p r o p o s e d a i m i n ga tt h eo p t i m i z a t i o np l a c e m e n to ft h ea c t u a t o r s e n s o r , t h ed y n a m i cg o v e r n i n g e q u a t i o no ft h es y s t e mw a sd e r i v e d ，a n dt h es t a t e - s p a c ee x p r e s s i o no ft h ed y n a m i cs y s t e mw a s d e v e l o p e d ah y b r i do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hm i n i m u mi n p u te n e r g y ，m a x i m u m e n e r g yt r a n s f e r r i n ga n dm a x i m u mo fm i n m u ms i n g u l a rv a l u eo fc o n t r o l l a b i l i t yg r a m m i a nw a s p r o p o s e d t h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sw a sc a r r i e d o u tu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m a n do p t i m a l p l a c e m e n tp o s i t i o n o ft h ea c t u a t o r s e n s o rw a so b t a i n e d a l s oac o m p a r a b l er e s e a r c hw a s i m p l e m e n t e dc o m p a r e dw i t ho t h e rp o s i t i o n s i nc h a p t e rf o u r , l i n e a rq u a d r a t i co p t i m a lc o n t r o lt h e o r yw a ss u m m a r i z e d c h o o s i n gm e t h o do f t h ew e i g h tm a t r i xw a si n v e s t i g a t e d ，am e t h o db a s e dm lg e n e t i ca l g o r i t h mc o m b i n e dw i t h c o n s t r a i n t sw a sp r o p o s e d s i m u l a t i o n sw e r ei m p l e m e n t e du s i n gt h em o d e lf o u n d e di nc h a p t e rt h r e e t h er e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e dc h o o s i n gm e t h o do f t h ew e i g h t i n gm a t r i xi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e a l s oa na c t i v ec o n t r o lw a si m p l e m e n t e dw h e nt h ea c t u a t o r s e n s o rw a sp l a c e di no t h e rp o s i t i o n r e s u l t sv a l i d a t et h eo p t i m i z a t i o nc o n c l u s i o n sm a d ei nc h a p t e rt h r o e t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t r u a ls c i e n c ef o u n d 缸i o no q o 5 0 2 7 5 1 3 1 ) 1 1 1 浙江大学博士学位论文 1 1 1 i nc h a p t e rf i v e ，at w o - l i n ks p a c ef l e x i b l es t r u c t u r es y s t e mc o n s i s t i n go f af l e x i b l eb e a ma n da f l e x i b l eb a rw a sp r o p o s e d t w op i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r sw i t hd i f f e r e n tp o l i n gm e t h o d sw e r eu s e dt o s u p p r e s st h eb e n d i n g - t o r s i o n a l - c o u p l e dv i b r a t i o no ft h es y s t e m t h ed y n a m i cg o v e r n i n ge q u a t i o n o ft h es y s t e mw a sd e r i v e du s i n gl a g r a n g ee q u a t i o na n da s s u m e dm o d em e t h o d p i e z o e l e c t r i c t o r s i o n a la c t u a t o r sw e r eb o n d e do nt h ef l e x i b l eb a rt os u p p r e s st h et o r s i o n a lv i b r a i t i o no f t h eb a r , a n dp i e z o e l e c t r i cb e n d i n ga c o t a t o r sw e r eb o n d e do nt h ef l e x i b l eb e a mt os u p p r e s st h eb e n d i n g v i b r a t i o no f t h eb e a m t w oc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r ep r o p o s e d ，t h ef i r s tw a sam o d a lv e l o c i t yc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nt h el y a p o n o vm b i l i t y t h es e c o n dw a sav a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o d c o m b i n e dw i t has a t u r a t i o ne l e m e n ta n dal o w - p a s sf i l t e r s i m u l a t i o n sw mc a r r i e do u t a tl a s t , t h e p r o p o s e dt w oc o n t r o lm e t h o d sw e r ec o m p a r e d i n c h a p t e rs i x , e x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h ef l e x i b l es t r u c t u r ew a sf o u n d e d , a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o f tw a r ea n dh a r dw a r eo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r es u m m a r i z e d a c t i v e v i b r a t i o nc o n t r o lr e s e a r c ho ft h ef l e x i b l eb a rs y s t e ma n dt h et w o - l i n kf l e x i b l es t r u c t u r es y s t e m w e r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y i nc h a p t e rs e v e n , s o m ec o n c l u s i o n sw e r em a d e ，a n dt h ef u t u r ew o r kw a s p r o p o s e d k e y w o r d s ：a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ；t o r s i o n a lv i b r a t i o n ；b e n d i n g - t o r s i o n a l - c o u p l e dv i b r a i t o n ； g e n e t i ca l g o r i t h m ；o p t i m i z a t i o np l a c e m e n t ；o p t i m a lc o n t r o l ；v a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o lw i t hs l i d i n gm o d e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：与嘉昧虹签字日期：瑚年，2 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权澎鎏盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：移猫盔 签字日期：狮年，月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩躲傈鲁兹 签字日期：二。刁年j 乙，月，l 日 电话： 邮编： 致谢 深深感谢导师陈子辰教授。从论文的选题、研究方案、实验方法、论文大纲的确定，到 论文的定稿，都得到了导师的悉心指导，凝聚了陈老师的大量心血。陈老师广泛而深厚的理 论基础、敏捷的思维、敏锐的洞察力、博大的胸怀给学生留下了深刻的印象，其崇高的人品， 严谨的治学态度、孜孜不倦的敬业精神，令我深受感动。导师言传身教，谆谆教导，不仅使 研究工作得以顺利进行，更使我养成了认真、踏实、求是的作风。这一切将使我在未来的工 作和生活中受益无穷。 衷心感谢导师魏燕定教授。从论文工作的开始到实验完成。得到了魏老师的悉心指导 和大力帮助；论文中的许多工作都凝聚了魏老师的智慧和心血。魏老师扎实的理论基础、活 跃的思维、诚恳宽厚的风范、正直的为人作风，时时鞭策学生不断努力、求善、进步。 再一次感谢两位导师在我长达五载的学习和生活中所给予的无微不至的关怀! 感谢现代制造工程研究所的傅建中教授、何闻教授，王文副教授、梅德庆副教授对我 论文工作的帮助与指导。 感谢同实验室的师兄李国平博士、陈定中博士，已毕业的陶惠峰硕士、胡国平硕士、 吕猛硕士、黄金勇硕士、董春兵硕士、刘维斌硕士、高平波硕士、陈晋军硕士、谷永亮硕士、 李小吉硕士及还在读的赖小波博士、李磊硕士、李少雄硕士、吕存养硕士、杨德亮硕士，他 们都对本课题的顺利完成作出了贡献，在此深表感谢! 感谢同宿舍的郭锋博士、江伟光博士、张健博士，是他们使我攻博期间紧张而繁重的 学习和研究充满了乐趣，一起度过了愉快而令人难忘的美好时光。 感谢浙江大学给予我再一次求学的机会及对我的培养。浙江大学这所百年名校所凝结 出的求是、创新的精神。对我的一生将产生重要的影响。 在我漫长的求学生涯中，倾注了父母毕生的心血，正是他们的无私奉献与支持才使我得 以逐步成长，感谢父母的养育之恩；感谢岳父、岳母对我学业的支持、鼓励；特别要感谢我 的爱妻向军小姐，正是她在生活中给予我无微不至的关心，在思想上更给予我无限的理解和 支持，才使我顺利完成学业。 感谢所有帮助、关心、理解和支持我的亲人、师长、同学、同事和朋友们。 感谢国家自然科学基金“基于压电智能驱动器的扭振主动控制技术研究”( 项目编号： 5 0 2 7 5 1 3 1 ) 对本文研究工作的资助。 最后深深地感谢将在百忙之中对我的论文进行评审并提出宝贵意见的各位专家、老师。 v 吕永挂 2 0 0 7 年1 0 月于浙江大学求是园 第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】首先概述了课题研究的背景与意义；然后从柔性构件的系统建模、典型柔性构件的研究、智 能材料的应用，致动器，传感器的优化配置、振动控制中的常用控制算法方面综述了柔性构件主动控制的研 究现状；最后阐述了本文的研究丙容。 1 1 课题研究的背景与意义 在航空航天，机械、土木及环境等诸多工程领域内都普遍存在着结构振动的问题，被动 的减振、隔振、消振多年以来一直是工程技术人员的主要使用手段。近年来，对构件振动进 行主动、半主动控制则成为研究和应用的重点，与振动的被动控制相比较而言，主动控制以 现代控制理论为主要工具，具有较大的灵活性，低频振动抑制效果好，对环境的适应能力强 等，因此成了工程领域中的一个研究热点i l “。 在航天领域，随着航天技术的不断发展与进步，对空间构件的性能提出了越来越高的要 求，大型化、低刚度、柔性化是来来发展的趋势嘲。大型结构可以增加空间结构的功能，如 大太阳能电池阵列可以为空间结构提供更加充足的能源，轻型结构则可以增加有效载荷的重 量，提高运载工具的效率。这些大型空间柔性结构( l a r g es p a c ef l e x i b l es t r u c t u r e ，l s f s ) ， 如大型模块化的宇宙空间站、空间机器人柔性操纵臂等，需要在较长的运行时间内保证高的 运行精度。但是它们通常是由轻质材料制成，因而刚度较低，内阻较小，在太空环境下又无 外阻作用，在太空运行时，一黾受到某种外激励力的作用，若不采取措施对其进行振动控制， 其大幅度的振动会衰减缓慢。这不仅会直接影响航天构件的运行精度，还将使构件产生过早 的疲劳破坏而使构件失效，从而影响构件本体的使用寿命，并导致构件上所放置仪器的损坏。 现代工业的发展和工程应用技术的进步促使振动控制的研究从航空航天领域扩展到其 它工程领域。在机械工程领域，机器人柔性臂的主动控制，有效地解决了从刚性向柔性发展 所带来的振动问题【6 】 电磁轴承及可控油膜轴承的出现，为实现主动抑制挠性转轴通过l 临界 转速的振动创造了有利条件”j 。 在土木工程领域，随着超高层建筑与大跨度桥梁的相继出现，研究防风及防地震的抑振 减振对策显得尤为必要p ，j 。 在交通运输领域，为改善驾驶平稳性和乘坐舒适性，对车辆需进行主动隔振、半主动隔 振。车辆悬架振动控制系统的研究和开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题【l q 。 在环境工程领域，应用智能材料( 如压电陶瓷和压电薄膜) 的构件振动主动控制技术能 有效抑制构件的声辐射，因而具有广阔的应用前景1 1 1 。 由此可见，振动主动控制的研究已渗透到现代工业生活的各个角落，已成为现代工程技 术的重大课题之一。 在复杂激励力作用下，许多构件不仅产生轴向伸缩振动，弯曲振动，甚至扭转振动。由 浙江大学博十学位论文 于扭转振动表现不太直观，往往不易引起人们的注意。但是随着各类设备输出功率的增加， 导致设备主要构件体积的增大，刚度大幅下降。尤其在航天领域中，航天构件的大型化、低 刚度和柔性化设计使得这些构件上扭转振动产生的影响已越来越明显，有些场合甚至已经产 生较严重的危害性 1 3 - 1 6 】。例如，在空间站上，展开的太阳能帆板( 长可达几十米，宽几米) 、 口径达十几米的抛物面天线、射电望远镜、空问机器人操纵臂等，支撑架的一阶扭转振动频 率往往在几赫兹以内，如太阳能帆板甚至小于o 1h z ，因此，外界的一点点扰动，就极易引 起扭振的共振。在太阳能帆板进出太阳阴影时受热载荷作用诱发扭转振动就是一个例证【1 ”。 在机械工程领域中，大型汽轮机、内燃机等曲轴的一阶扭振共振频率已降至1 0l - l z ，使彳导扭 振引起的应力破坏轴的机率大幅提高l l ”，由于扭振导致曲轴断裂引起的严重事故在国内外 就已有多起 1 3 , 1 7 , 1 8 】。为此，对构件的扭转振动进行系统而深入的研究具有重要的意义。 近二十年来，随着材料科学、控制理论、电子科学及计算机技术的飞速发展，特别是新 型传感器和致动器的研究取得长足性进展，将以智能材料制成的质量轻、体积小的传感器、 致动器和根据构件特性设计的、以微处理器实现的控制器集成于构件中，使构件在不较大改 变本身的质量、形状、体积以及些特性的前提下，能根据外界环境的变化和控制要求自动 改变构件的某些状态而成为具有智能的构件是结构应用和发展的主要目标。新型智能材料的 出现和发展使得构件的主动控制在技术实现上得到了极大的物质支持”。由于压电致动器 与传感器体积小、质量轻、易于制作、易于分布式处理，因而比较适合构件的主动控制，研 究这类用压电智能材料制作成的致动器、传感器和根据构件振动特性设计的控制器对构件振 动进行主动控制已成为当前极为重要而又相当具有挑战性的前沿性研究课题口o l 。 鉴于振动主动控制在各个领域中有着广阔的应用前景及巨大的经济效益，本学位论文在 国家自然科学基金“基于压电智能驱动器的扭振主动控制技术研究”( 项目编号：5 0 2 7 5 1 3 1 ) 的资助下，以空间柔性构件的主动控制为应用背景，将一类柔性杆系统的扭转振动及一类由 柔性梁、柔性杆所构成的两连杆柔性构件系统的弯曲扭转耦合振动问题作为研究对象，采 用压电陶瓷制作成压电扭转致动器、压电弯曲致动器，对柔性构件的振动进行主动控制研究， 本文的研究对于探索空间柔性构件的抑振机理，进一步改善柔性构件振动主动控制的效果， 促进其在工业现场及航空航天领域中的应用，有着重要的理论和现实意义。 1 2 柔性构件振动主动控制国内外研究现状 本文将从柔性构件的系统建模、典型智能柔性构件的研究、智能材料的应用、致动器 传感器的优化配置、振动控制中的常用控制算法一一加以阐述。 1 2 1 柔性构件系统建模与模型简化 由于柔性构件的复杂性和特殊性，其动力学特性与一般的刚体相比有很大差别，表现出 强烈的柔性形变运动的特性，不能简单地采用刚体运动的数学模型来描述。因此，需要针对 柔性构件提出新的可行的建模方法。柔性构件变形的描述主要有分布参数法、集中质量法、 有限元方法等【2 l l 。其数学模型建立的方法一般有二种方法。l 、理论建模。从上个世纪7 0 2 第一章绪论 年代至今，人们已经提出了多种柔性构件动力学建模方法，如n e w t o n e u l e r 方法、l a r g r a n g e 方法和k e 方法等。2 、实验建模。即通过实验手段，借助于数据拟合、优化或统计处理 等方法来建立相应的模型。在主动控制应用方面，有三类模型描述形式【2 2 】：状态空间描述、 传递函数描述及权函数描述。 状态空间描述：这种方法首先需要建立系统的二阶常微分方程，再将其转化为状态方程 从而获得数学模型。对于柔性构件来讲，它是一个分布参数系统，需要采用偏微分方程建立 其较为精确的数学模型，这就使得计算量大为增加，在实际建模中一般先将系统进行离散处 理，进而得到系统近似的常微分方程模型。 传递函数描述：这种方法是建立在频域描述基础之上的，直接从系统的输入一输出关系 出发获得其数学描述形式。传递函数描述利用动态测试与信号处理技术，来获得系统输入- 输出之间的外部关系，不给出系统的内部结构。与时域法相比，传递函数描述很容易建立。 传递函数描述可分为单输入单输出，单输入多输出和多输入多输出三类。 权函数描述：对于一个零初始条件的连续系统，当受到一个6 函数( d i r a c 函数) 的作 用后，其响应就称为系统的权函数。权函数描述建立在时域描述的基础之上，与传递函数描 述类似，不同之处是它直接从系统的输入输出来获得其数学描述形式。 由于柔性构件从本质上讲是连续介质，因而具有无穷多个自由度，是无限维系统，因此 将其当作分布参数系统建模，获得的偏微分方程是最准确的模型。但是这种模型不便于控制 系统的设计，所以一般常采用集中质量法和有限元方法等空间离散化方法，用有限维模型对 无限维系统进行近似，得到一组有限维的常微分方程组。但这种建模方法引入了模态截断， 对残留模态处理不当将会产生控制溢出和观测溢出等问题。尽管理论上己经提出了许多模态 截断准则，如模态频率准则、耦合系数准则、惯性完整性准则、等效质量准则、适定阻尼准 则和能控性能观性准则等，但是这些准则通常都是针对某一特定问题提出的，带有一定的主 观性和局限性。目前尚未出现一种既方便全面、工程上又切实可行的模态截断准则。 1 2 2 典型柔性构件的研究 近年来，随着新型传感器和致动器的研究取得突破性进展，促进了柔性构件振动控制设 计新技术的发展，逐步形成了传感器、致动器与本体结构集成的一体化结构形式，即所谓的 智能构件。它与传统的振动控制系统的区别在于p j ： f 1 ) 智能构件把具有感知和致动属性的材料进行功能符合设计，实现了材料元件化，直 接作为传感元件和致动元件。因此加工工艺及结构简单、使用方便。而传统的振动控制装置 一般较为复杂。 ( 2 ) 由于智能材料元件具有良好的可埋入性、重量轻，把传感元件和致动元件及控制器 集成在结构之中，不会较大改变结构的固有性能，提高整体的生存能力和可靠性。传统振动 控制装置一般都置于控制对象外，需要大量的辅助设备。 ( 3 ) 智能结构的一个重要特征是具有分布传感器、分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比拟的优点，可以实现全局最优控制、实时控制和真正意义上的智 3 能控制，而传统振动控制，传感器和致动器是分散的。测量的是一些离散点振动，如果传感 器位于模态节点或连线上，一些自振模态信息可能丢失或达不到振动控制的目的。 ( 4 ) 智能材料性能的稳定性好、频带宽，可应用于振动频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的场合。传统的控制装置由于控制位置的参数是固定的，所以当 系统内部特性变化或外部扰动的变化幅度较大时，系统的性能会大幅度下降，甚至不稳定。 ( 5 ) 与传统的振动控制相比，因受到智能材料控制力的限制，难以提供大功率振动控制， 目前主要用于航天结构、微型机械、大挠度柔性壳结构振动控制，而对大型机械、建筑振动 耳前主要采用传统控制装置。 智能结构一经提出就受到工业发达国家的高度重视：美国航空航天局( n a s a ) 制定 c o n t r 0 1 s t r u c t u r e i n t e r a c a t i o n ( c s l ) 计毙j t “】和p r e c i s i o ns e g m e n t e dr e f l e c t o rp r o g r a m ( p s r p ) ”“都涉及智能结构方面的研究。国际上一些著名的研究机构如美国的j p l 实验室、n a s a l a n g l e y 研究中心、日本宇航研究院( i s a s ) 、法国国家航空航天研究院( o n e r a ) 、德国 航空航天研究院( d l r ) 、德国航空航天公司，以及美国麻省理工学院( m i t ) 、加州理工学 院、弗吉尼亚州立大学为代表的一大批高等院校，投入了大量人力、物力开展该类课题的研 究。 l f o r w a r d l 2 6 1 首先采用压电陶瓷片制作成振动控制中的传感器和致动器，在研究中把 压电传感器和致动器粘贴在圆柱天线的表面，通过采用适当的反馈控制电路，可使天线的前 两阶正交空间密集模态的振动响应降低3 0 d b 。 t b a i l e y 口7 j 首次提出了“压电主动阻尼器”的概念，在研究中将单面粘贴均匀分布的压 电高聚物薄膜( p v d f ) 层的柔性悬臂梁做为研究对象，通过对梁的自由端响应信号进行处 理。产生控制电压，然后把此控制电压施加到p v d f 层上，通过p v d f 的变形对梁施加控 制力。采用了三种控制策略( l y a p u n o v 方法，常增益负反馈，常幅值负反馈) ，并使用后两 种控制方法进行了主动控制实验，实验表明，采用这种阻尼器可使梁的第一阶模态阻尼比得 到较大提高。j p l u m p 等1 2 s l 将分布压电致动器作为主动阻尼器，采用速度反馈控制，成功地 对一长为1 2 2m 的铝梁进行了主动振动控制。s e b u r k e 等【2 9 1 对不同边界条件下，单边均 匀粘贴p v d f 层柔性梁系统进行了研究。研究结果表明：在某些边界条件下，采用均匀分布 形式的p v d f 阻尼器不能控制结构的振动。为了解决这一问题，s e b u r k e 等【3 0 1 提出了通过 改变p v d f 致动器空间形状实现振动控制的策略，给出了非均匀分布p v d f 致动器的分布 设计准则。 d j s p e a t r i t t 等p lj 在一镍制薄壁圆管上沿轴向按螺旋状粘贴内外两层的p v d f 压电薄 膜，用来抑制悬轴的扭转振动，实验取得了一阶扭振模态控制与未控制衰减时间缩短了l o 倍以上的效果。i y s h e n 等1 3 2 1 利用压电应变常数吐，在悬轴上沿4 5 0 轴向方向，按螺旋线 状粘贴一压电层，形成了一个主动抑制阻尼层( 如图1 1 所示) ，实验取得了一阶共振峰值 控制与未控制减小5 0 的效果，但采用这种结构，主动抑制阻尼层加工工艺较为复杂，伸 缩产生的剪切力矩较小。 4 第章绪论 囤1 1 采用主动抑制阻尼层抑镧悬轴的扭转振动 圈1 2 采用主动抑制阻尼层抑制板的振动 i y s h e n 9 w 还在复合板上粘贴一层机敏约束层( 如图1 2 所示) 来抑制板的振动，采用 常规的p d 反馈控制，数值仿真实验表明在控制增益a = 1 0 的情况下，复合板自由端的弯 曲、扭转振动响应急剧下降。 ls t z o u 3 4 对薄壳上下表面对称粘贴压电薄膜的系统进行了研究，提出了“智能壳” 的概念。vb a l a r n u r u g a n 等【3 5 】采用分布式压电传感器、致动器对一半圆不锈钢智能壳进行了 主动控制( 如图1 3 所示) ，数值仿真表明：当压电致动器覆盖壳表面积的6 0 时，能获得 最佳抑振效果。 图1 3 半圆不锈钢智能壳 s e t h 【3 6 】将压电弯曲致动器运用到一长达3 3m 的聚合纤维工字悬臂梁( 如图1 4 所示) 抑振中，在研究中，结构本体与致动器的重量比达到1 8 6 ，这远远地超过了一些也采用压电 片抑振的轻型柔性结构，实验表明：当采用极点配置控制方法时，最大阻尼增加了1 0 0 0 。 田1 4 智能集实验田 s o n gg 等p 7 1 实验研究了压电堆致动器在航天桁架结构中的应用( 如图1 5 所示) ，采 用积分及双积分力控制算法，实验表明：将压电堆致动器嵌入到桁架中，能有效抑制桁架的 各阶模态振动，功率谱下降1 4 8d b ( 如图1 6 所示) 。 5 门吲吲鬈川吲醐 | _ 、鉴 浙江大学博士学位论文 研s k 晌日y c 锄舳h u w l c r n l l t m l i 潞蜮融 ：! e 二趔龌! ! 雕 圈t 5 智能桁榘结构图1 6 桁架的实验功率谱 相比之下，国内对柔性构件主动控制研究则起步较晚，从上个世纪九十年代才开始相关 研究。唐永杰等”q 首先对智能梁进行了研究，将压电陶瓷元件粘贴在粱表面作为传感器与 致动器，推导了传感方程和致动方程，在实验中采用了一3 6 5 m m x 2 0 m r l l 2 m m 铝悬臂梁， 取得了很好的抑振效果，并且加大反馈控制增益抑振效果更佳。胡选利、唐永杰等【3 9 i 还 从机电耦合弹性体的理论出发运用h a m i l t o n 原理建立了般压电耦合系统的动力学分析模 型，并给出了模态分析和有限元分析的耦合系统方程、致动方程及检测方程。李岳锋、朱德 懋研究了表面贴有多个用作致动器和传感器的压电陶瓷片的“压电粱”结构，提出了压 电梁对缓变周期扰动振动环境的多输人多输出振动抑制方法。并进行了两输入两输出压电梁 的多谐波振动的抑振控制试验。马治国、闻邦椿等【4 l 】利用力平衡原理，建立了单面粘贴有 压电致动器的粱结构的拉伸弯曲耦合模型。 孙东昌等1 4 “提出了用于振动控制的分布压电单元法( 如图1 7 所示) ，并对智能板进行 了模态控制实验。邓年春、邹振祝h 3 】对于采用不同压电材料分别作致动器和传感器的压电 板，推导出了运动方程。并采用基于二次线性控制的独立模态空间控制法进行了板结构的主 动控制。仿真结果表明该方法能有效控制板结构的振动。 田1 7 智能板示意圈 聂润兔、邹振祝【“1 将压电陶瓷堆致动，检测元件视为多层叠合体，从机电耦合弹性理论 出发，利用h a m i l t o n 原理建立了智能桁架机构机电耦合有限元动力分析模型，可用于机械， 电载荷共同作用下的结构静，动力分析和振动控制系统设计。同时给出了元件的致动，检测方 程，并以压电致动元件输入电压作为控制量，利用结构状态空间方程进行振动系统最优反馈 控制律设计。 6 第一章绪论 岳林、刘福强等h 5 】研究了一空间柔性智能桁架结构，并进行了主动控制方法时仿真实 验。实验结果表明该控制使被控模态阻尼比增加，频响函数的幅值衰减较大，有较明显的控 制效果。赵国忠，顾元宪i 舶1 提出了压电智能桁架的振动控制和结构的一体化优化设计方法， 在研究的长达4m 的优化模型中( 如图1 8 所示) 既考虑结构设计指标，又能考虑振动控制 指标，并且能同时进行控制参数和结构设计参数的联合优化设计。 色l 气l ，i 岫、i ，l 岫i 岫、 昱 d i，n，i i ， r 气r l o 掀【 立 l3 ，9 ，弓 圈1 82 0 杆压电桁架示意圈 总体而言，从公开发表的文献来看，国内对柔性构件振动主动控制的研究主要还局限于 数值模拟，而实验研究起步较晚。且实验条件也有一定限制。实验对象则主要为一维的柔性 梁及少量的柔性板，主要考察板、粱的弯曲振动，缺乏对扭转振动的研究，对柔性杆的扭转 振动主动控制的研究尚未涉及。 1 2 3 智能材料在振动主动控制中的应用 随着材料科学的快速发展，超磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电材料( p z t ，p v d f ) 和电，磁流变液、光纤材料等智能材料大量应用于振动主动控制系统。相比于传统传感器和 致动器，基于智能材料的传感器和致动器更适用于分布参数系统，有着很大的优越性和广阔 的市场应用前景。 1 1 ) 光导纤维的应用 光导纤维是利用两种介质上光的全反射原理制成的光导元件。通过分析光的传输特性 ( 光强、相位等) 可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度，磁场、成分和x 射线 等参数的变化，因而广泛用传感或智能材料中的“神经元”，具有反应灵敏，抗干扰能力强 和耗能低等特点。早在1 9 7 6 年，c l a u s 就曾在复合材料中嵌入光纤，用于测量低温下的应变。 从那时起，光纤被广泛用作复合材料固化状态的评估、工程结构的在线监测、材料的非破坏 性评定、内部损伤的探测和对折射信号的处理，确定二维动态应变，其电吸附效应还可用于 感知磁场的变化。光的干涉效应可用于测量变形和振动，光纤和光传感器还用于极端恶劣条 件下的推进系统。 近十年来，光纤智能结构和蒙皮的发展十分迅速。它使光纤传感技术融于材料工程，并 以材料科学、化学、光电子和微电子学、力学和生物学、计算机软件科学为基础发展成为一 门崭新的技术领域。当前这一领域还处于应用研究阶段，在完成实用化进程中，还有很多问 题尚待研究。 1 2 l 超磁致伸缩材料的应用 超磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m ) 在磁场作用下具有较强的磁 7 浙江大学博十学位论文 滞伸缩效应，即它们在磁场作用下，尺寸或体积可以改变。由超磁致伸缩材料制作成的超磁 致伸缩致动器( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r , g m a )