智能结构与主动控制概论PPT课件.ppt

智能结构与主动控制 赵寿根航空科学与工程学院固体力学研究所 1引言 材料技术是人类进步的里程碑 是各个历史时期技术革命的重要支柱 甚至成为时代的标志 历史的发展表明每一种新材料的诞生往往会推动社会的发生巨大的变革随着社会经济的高速发展和高新技术的广泛应用 对材料应用范围 使用条件的复杂性和安全可靠性提出了越来越高要求 如航空航天技术的飞速发展 材料成为时代标志的示意图 2智能材料和智能结构概论的提出 20世纪50年代 人们提出了智能结构的概论 当时把它称为自适应系统 adaptivesystem 在智能结构的发展过程中 人们越来越意识到智能结构的实现离不开智能材料的研究和发展 20世纪七十年代 美国弗吉尼亚理工学院及州立大学的Claus等人将光纤埋入炭纤维增强复合材料中 使材料具有感知应力和断裂损伤的能力 这是智能材料的首次实验 当时称这种材料系统为自适应材料 智能结构是20世纪八十年代中期由美国军方率先提出并进行研究的 世界各工业发达国家 尤其是军方和航空界对此一直十分重视 一九八八年四月二十八日波音737客机在美国出现灾难性断裂事故 使美国国会意识到 为避免服役中的飞机发生类似事故 飞机应有自我诊断和及时预报系统 并通过议案 要求3年内完成Smart飞机的概念设计 1984年 美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给予赞助 揭开了智能材料与结构应用研究的序幕 1985年起 美国政府提出了开展智能结构的研究计划 要求航天器具有自适应性 1987年起 美国空军将智能结构的研究列如重点资助目录 1988年后 美国各大学和航天航空机构的公司 研究所均大量展开智能材料与结构的研究工作 3国内外研究的开展 继美国之后 日本 英国 德国 澳大利亚和韩国等相继投入人力 物力 财力开展智能材料结构的研究工作 并创建了 智能材料系统与结构 机敏材料与结构 等学术期刊 1991年 欧洲在英国成立了智能材料与结构研究所我国于1991年起开展这方面的工作 1993年起 国家自然科学基金和航空基金等将其列入研究计划 国内外研究的开展 续 4智能材料及智能结构概述 智能材料 1 智能材料要求材料集感知 驱动和信息处理于一体 从而形成类似生物材料那样具有智能属性的材料 因而人们习惯称之为intelligentmaterial或smartmaterial 2 主要特性体现在两个方面 一是对外界的刺激强度具有感知的材料 称为感知材料 用它可以做成各种传感器 二是对外界环境条件 或内部状态 作出响应或驱动的材料 用它可以做成驱动器 或执行器 表1典型智能材料及其功能 环境 温度电场压力磁场温度声位置光辐射速度化学辐射加速度生物环境 反应 机械响应流体运动电流流动物理性能功率控制化学行为生理行为 智能材料的感知和执行功能 智能结构 传统的结构是一种被动结构 这种被动结构一经设计 制造完成后 其性能不易改变 不能适应不断发展的空间结构的要求 主动控制技术虽然可以在一定程度上改善结构的适应能力和工作性能 但需要在原结构上附加一些传感器和作动器 增加了结构系统的重量 再加上主动控制系统往往过于庞大和复杂 可靠性低 因此使得传统主动控制技术在空间结构振动控制的实际应用中受到一定限制 要提高这种复杂的 非线性的系统性能 为此结构设计必须另谋出路 近十几年来 随着材料科学 控制 微电子和计算机技术的迅速发展 特别是新型传感器和作动器的研究取得突破性进展 在结构控制设计中不断采用新型传感材料和作动材料集成于结构中 替代了传统的传感器和作动器在结构控制中所起的作用 逐步形成了传感 作动元件 控制器与主体结构集成的一体化结构形式 促进结构设计中新技术的发展 产生了智能结构的概念 1 智能结构是以智能材料作为传感元件和作动元件 具有感识外界和内部状态与特性的变化 并能对这些变化的具体特征和原因进行辩识 进而采取相应的控制律 做出合理响应的一类结构称之为智能结构 2 还具备自诊断 自感识 自修复等额外的 智能 性能 智能结构 智能结构的基本功能有 感识 自我调节 自我恢复和控制等 它包含的关键组成部分有 传感元件 驱动元件 信息处理系统和控制系统等 典型的智能结构的示意图如下图所示 智能结构 美国麻省理工学院 MIT 的Crawley用四个层次来定义智能结构 第一层次 两类最基本的初型智能结构是传感结构和自适应结构 传感结构主要用于结构系统的监测和故障诊断方面 而自适应结构可以通过预定的控制规律改变系统的形状或特性 第二层次是传感结构类与自适应结构类的交接部分 也即受控结构 是一种能够主动控制结构形态或特性的闭环控制结构系统 它由传统的结构与一个独立的控制系统所组成 第三层次的主动结构实际上也是一种受控结构 它同第二层次的受控结构的区别在于它不仅具有传感 控制功能 而且具有结构承载功能 并且把作动器与传感器高度地综合在结构中 一目前 这个层次的智能结构是研究的重点 第四层次的智能结构是结构的最高形式 它是将传感 作动 控制 信息处理和人工智能等环节与主体结构融和在一起 具有感知 智能逻辑判断与响应内外环境变化的能力 实现结构的自检测 自诊断 自校正 自适应 自修复等功能 目前 真正意义上的智能结构还没有实现 但是 随着科技的发展 相信在不久的将来 将会研制出实际可用的智能结构 智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和帮助 受到了以下学科领域的的推动 1 材料耦合特性分析的研究 2 复合 叠层 材料的研究 设计和制造技术的发展 3 自适应控制 鲁棒控制 容错技术与智能控制技术的研究和发展 4 计算机和微电子技术的研究和发展 5学科的发展和融合提供强大的技术支持 6 1传感器传感器的定义 能感受规定的备测物理量并按照一定的规律转换成为可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 能感知结构状态和环境改变 并且易于集成和分布 6智能材料与结构的关键技术 表2常用传感器的性能比较 6 2作动器作动器是实施振动主动控制的关键部件 是主动控制系统的重要环节 作动器的作用是按照确定的控制律对控制对象施加控制力 随着振动主动控制技术的发展 对作动器的要求愈来愈高 近年来 在传统的流体作动 气体作动器和电器作动器的基础上 研究开发出了多种智能型作动器 如压电陶瓷作动器 压电薄膜作动器 电致伸缩作动器 磁致伸缩作动器 形状记忆合金作动器和电流变流体作动器等 这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件 表3常用作感器的性能比较 作动器要求易于集成 并具有对机构状态施加足够影响力的能力 1 兼容性要求 传感器和作动器与材料本体结构的兼容性要好 2 稳定性要求 传感器和作动器工作时性能要稳定可靠 同时抗干扰能力相对要好 3 响应频带要求 传感器和作动器应具有较快的响应速度和较宽的响应频带 4 精度要求 传感器工作时应具有较高的测量精度和灵敏度 5 驱动力要求 作动器工作时应能产生足够大的变形和驱动力 同时具有较小的能量耗损 6 3对传感器和作动器性能的基本要求 6 4控制器智能结构的控制器是智能结构的神经中枢 控制系统应具有控制速度快 鲁棒性和实时性好的特点 6 5控制算法其控制分3个层次 局部控制 全局控制和智能控制 局部控制目标通常为增大阻尼 吸收能量 减小局部应力和应变等 全局控制目标通常为控制结构形状 抑制扰动和稳定结构等 智能控制目标通常为系统辨识 故障诊断和修复 结构功能重构等 6 6结构集成技术智能结构的设计和集成技术是影响智能结构推广应用的关键点之一 图3智能材料与结构的集成技术的现状和发展 7几种常用的智能材料 7 1形状记忆材料形状记忆材料 SMA 是一种特殊的力 热耦合材料 具有单程 双程和全程记忆功能 它最显著的特性是材料具有形状记忆效应 SME 和超弹性 PE 形状记忆效应 SME 是指变形后马氏体 SMA 在环境温度上升到母相转变开始温度后 如果不受外力的约束将发生形状恢复 当受外力约束而不能恢复时将输出应力 超弹性 PE 是指处于母相状态的形状记忆合金因应力诱发马氏体相变的发生 其宏观可恢复拉伸应变远大于一般金属材料的弹性变形极限 又称伪弹性 形状记忆材料的优缺点优点 本体材料相容性好 变形量大 加热后驱动力大 可实现多种变形等优点 SMA驱动器的动作除温度外几乎不受其它环境条件的影响 具有较好地抗外界干扰特性 相对其他智能复合材料在价格 技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势 缺点为 响应速度慢 只能适合于结构的低频控制 使用时需要较大电流 7 1形状记忆材料 电流变体 简称ER流体 是一种比较特殊的流体 在外电场的作用下 电流体中的胶质悬浮液迅速地排列成有规律的链条状结构 并平行于电场 从而呈现固体特性 并具有可测量的刚度 同时其屈服剪切应力随电场强度和剪切应变速度的增大而增大 而在撤去外电场后 它又可以在瞬间内恢复到液体状态 其缺点 在于转换电压太高 附加设备多 电流变体作动原理示意图 7 2电 磁 流变体 从物理组成上看 电流变体是高介电常数的固体微粒分散在低介电常数的绝缘油液中的悬浮体 当无电场作用时 ERF是一种牛顿流体 在电场的作用下 ERF中的悬浮颗粒产生电极化 增大了对流体的抵抗 使液体具有一定曲服应力类似于固体性质 磁致伸缩材料在磁场作用下会产生磁畴旋转 从而引起材料变形和产生驱动力 将磁能转换为机械能 目前磁致伸缩材料已用于低频高功率声纳传感器 强力直线型电机 大转矩低速旋转电机和液压机执行器 优点有 具有位移控制量大 响应速度较快 不存在时间老化问题 缺点在于 需要较多的附加线圈 电机和封装等附加设备 易于发生击穿现象 7 3磁致伸缩材料 光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件 通过分析光的传播特性 光强 相位等 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 光导纤维是最先应用于智能结构的传感元件 优点 对电磁干扰不敏感 光纤很细 对本体机构强度影响较小 频率响应高 具有不腐蚀特性 可在高低温和有害环境下安全工作 缺点为 有非线性效应 辅助设备多且复杂 数据处理复杂 7 4光纤传感系统 利用压电材料的正压电效应和逆压电效应可将其用为传感器和作动器 优点 重量轻 体积小 能耗低 响应快 刚度大 其缺点 与本体材料相容性差 易于在分界面处造成损伤和断裂 易脆易裂 不适于大面积使用和布置 7 5压电及压电复合材料 鉴于纯压电材料的不足 人们采用基体材料和压电材料复合的方法得到了压电复合材料 它出现克服了纯压电陶瓷在脆性 相容性 可靠性方面的缺陷 从而使得压电复合材料可以大面积使用和布置 图5压电复合材料的两种典型方式 图6压电纤维复合材料模型示意图 8智能材料和智能结构的应用 1997年1月6日华盛顿邮报以 智能材料可以产生奇迹 的标题描述了智能材料与结构的未来 文章说 过不了多久 智能飞机的机翼可以像鸟的翅膀一样弯曲 自动改变形状 从而提高升力和减小阻力 桥梁和电线杆快要断裂时可以发出报警信号 然后自动加固自身的结构 空调可以抑制振动而安静地工作 手枪只有在主任使用时才能开枪 轮胎需要充气时会礼貌地通知主人 反应灵敏的人工肌肉可以使机器人以假充真 智能飞机 8 1智能材料和结构在航空航天中的应用 智能飞机的概念示意图 1 智能表层使飞机表皮具有通信 隐身 敌我识别 电子对抗 火控飞控等多种功能 是衡量未来飞机先进性的重要标志 2 自适应机翼可根据飞行条件及要求自动改变形状 从而提高升力及减小阻力 3 飞行器的健康监测具有自诊断及自适应等健康监测系统 可以实时监测结构内部应力 应变 温度和裂纹 能自动地进行结构健康评估及寿命预测 4 飞行器的减振和降噪随着飞行器性能的不断提高 振动及颤振问题越来越突出 飞机结构的事故中 振动引起的占27 发动机事故中 振动引起的占40 8 2航空航天工业领域几个重点研究方向 特别是在一些对国民经济影响重大的大型工程中 如三峡工程 核电站 大型建筑和桥梁等 这些工程要求能适应复杂和突变的环境 因而这些工程的结构具有自诊断 自调节和自修复功能非常重要 下面几种为目前在土木工程中应用的智能结构 1 自诊断光纤混凝土结构 2 纤维智能减振结构 3 裂缝自愈合混凝土机构等 8 3智能材料和结构在土木工程中的应用 裂缝自愈合混凝土材料模型 智能材料和结构还可用于医学生物工程 交通工具 信息系统等民用领域 如 利用智能材料结构可以制造出许多别具一格的体育用具 可以利用智能材料结构制出人工神经的假肢 先进的运动性骨折手术 残疾人用智能轮椅等 医学上还可以利用智能材料结构制造出人工胰脏 肝 胃等器官 为患有此类器官病症的患者带来福音 8 4其它用途 9智能材料与结构的研究进展 目前 智能材料的研究经过基础性研究与探索 己在基本原理 传感器研制 作动器研制 功能器件与复合材料之间匹配技术 智能材料成型工艺技术 智能材料在特殊环境下的性能评价 主动控制智能器件等方面开展了许多工作 取得了较大突破 并且 已经从基础性研究进入到预研和应用性研究阶段 预计在2020年后 智能材料的研究将全面实用化 从实验室研究进入实际结构全面实用阶段 智能材料与结构的研究目前主要有两条技术线路 一条是美国提出的将传感器 处理器和制动器埋入结构中 通过高度集成制造智能结构 即所谓智能结构 另一条是日本提出的将上述智能结构中的传感器 处理器和制动器与结构的宏观结合变为在原子 分子层次上的微观 组装 从而得到更为均匀的物质材料 目前该方面的研究处于基础理论研究阶段 相反 宏