压电智能结构的主动控制.ppt

钢筋,结构振动控制之基于压电智能材料的结构振动主动控制,JunjieHU2011.12.19,研究概况与原理,结构控制理论及应用,StructuralVibrationControlPiezoelectricSmartMaterialBasedStructuralVibrationActiveControlResearchSummariesandtheories,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,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,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。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。,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,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,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。,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（AdaptiveSystem）；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；,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。,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,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。,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。,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,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。,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）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。,结构控制理论及应用,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。,压电材料概述,压电效应产生的机理极化与介电,结构控制理论及应用,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。,压电材料概述,压电材料的物性力学与电学性质,结构控制理论及应用,压电材料的力学性能：弹性,压电材料的电学性能：介电性,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。,虎克定律,电感作用,极化的方向性,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。,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,结构控制理论及应用,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：,弹性性能,压电效应,介电性能,对于梁等细长结构中，压电方程进一步简化为：,压电材料概述,压电材料的优势,结构控制理论及应用,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。,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,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。,结构控制理论及应用,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,压电智能结构的振动控制概述,压电智能结构的概念压电智能结构(PiezoelectricalIntelligentStructures)是采用压电材料作为传感器和致动器，集传感、作动和控制于一体的具有自适应性能的一种新型结构，它是目前研究最多、应用广泛的一种智能结构。压电传感器是利用压电材料的正压电效应，即压电材料变形时会在两极感应出电荷，把机械量转换成电量，是一种应变传感器，通过应变来进行其它机械量的测量，并且具有后处理电路及其调式简单，受温度影响小的优点，在智能结构中得到广泛应用。压电作动器则是利用压电材料的逆压电效应，通过施加控制电压使压电作动器本身变形来对结构产生驱动作用，是一种应变执行器。,结构控制理论及应用,压电智能结构的振动控制概述,压电智能结构振动控制的分类压电材料用于结构振动控制中，控制系统的设计通常有三种方法，即主动控制、被动控制及主被动混合控制。压电被动控制是利用压电材料的正压电效应，通过在压电元件的电极之间并联适当的外部电路来耗散或吸收压电元件所感应到的那部分结构能量。按照消耗能量的方式，压电被动控制可分为压电粘弹性阻尼器与压电吸振器。前者的外部并联电路为电阻元件，而后者的外部电路为电阻与电感元件。压电主动控制的基本方法是以压电材料作为受控结构的传感器与作动器，由传感器感受因振动而产生的结构应变，将其转变为相应的电信号，并通过一定的控制律产生控制信号，经放大后施加于作动器，由作动器将电能转化为机械能，从而实现结构的振动控制。主被动混合控制的基本思想是以可控的压电材料代替传统约束阻尼控制中的不可控约束层，通过反馈控制主动调节压电约束层的轴向变形，既而影响被动阻尼层(常为粘弹性阻尼)的剪切变形，并同时给结构施加控制力，以抑制结构的振动响应。,结构控制理论及应用,压电智能结构的振动控制概述,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压电智能结构的动力学建模；动力学问题的数值解法及其实验验证；振动控制中的优化问题及其计算方法。,结构控制理论及应用,结构的主动振动控制；噪声控制；反问题的研究；形状自适应材料与结构；结构健康的实时检测与监控。,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,原理概述压电智能结构振动控制的建模以压电智能梁为例,解析建模数值建模,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,振动主动控制包括开环控制和闭环控制两种控制方式，其中闭环控制是目前结构振动控制领域中应用和研究较多的控制方式。压电智能结构振动主动控制的基本方法就是以压电传感器元件对结构的振动进行监测，感受因振动产生的结构应变，将其转变为相应的电信号，将该电信号处理后传输给控制系统，基于相应的控制策略和控制算法，控制器产生控制指令，由该指令驱动压电材料的作动元件进行相应的动作，将电能转化为机械能，以改变结构的振动状态，从而达到振动主动控制消振的控制目标。,原理概述,反馈控制模式,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,原理概述,结构系统中的压电传感器能够检测应变或应变率，输出电荷或电流，将所测得的信息输入反馈放大器进行放大，经放大的信号可用来激发作为作动器的压电铺层。适当选择作动器的配置和控制，就有可能产生足够的压电应力，来抵消作用在结构上的干扰激励力和弯矩引起的响应，抑制振动和保持结构形状。,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,压电智能结构振动控制的建模,压电智能结构的建模是其振动主动控制问题的关键所在，模型建立的好坏直接关系到后续分析的正确与否。压电智能结构振动主动控制的建模主要是指对压电材料和基体结构进行分析时所采用的分析理论及所引入的假设，以及两者之间的相互作用和整个智能结构的变形和运动。压电智能结构主动振动控制中常见的建模方法主要有三种：解析建模法、数值建模法和试验建模法。,目前对于压电材料及其结构力学行为的研究大多是基于线性压电理论和线弹性理论。,虎克定律和静电感应方程具体指：沿压电片的厚度方向，应变的线性分布以及电势的线性分布(即厚度方向电场强度是常量)假设。,经典梁理论：如伯努利欧拉梁理论且在经典动力学中，所建立的模型和分析方法多为线性。,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,压电智能结构振动控制的建模,解析建模法：这种方法最大优点在于能够提供反映压电智能结构多场耦合关系的显示解，并能从物理概念和物理意义上指导我们进行控制系统的设计。这种方法的缺点就是对于复杂系统常常显得力不从心，因此常用于压电层合梁、板壳等简单结构的分析中。解析模型,数值建模法：对于求解结构动态响应封闭形式结果的解析建模方法，数值建模方法适应的范围很广，特别是对于系统和边界条件比较复杂的情况，数值建模方法特别是有限元建模具有非常大的优势。用有限元法求解压电动态响应问题的理论中，其动力学方程大都基于Hamilton原理。有限元模型,柔性构件动力学方程的建立主要基于两类基本方法：矢量力学法和分析力学法。动力学方程的建立大体有以下三类：基于牛顿第二定律的Newton-Euler公式(也就是我们课本上常讲到的隔离体法)基于能量观点的Lagrange和Hamilton方程(有限元中大多应用此方法)基于DAlembert原理的Kane方法和虚功原理,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,压电智能结构振动控制的建模,试验建模法：一个合理的解析模型和有限元模型能正确地反映压电结构的输入输出关系，并为控制系统的设计提供其可控性和可观性参考数据，是指导试验研究的基础。相对压电智能结构的理论分析和数值分析而言，由于试验研究的成本及风险较高，因而有关压电结构的试验研究较少，且目前的试验研究大多是为验证所提出了理论模型或数值模型而设计的。当面对实际结构尤其当面对的实际结构比较复杂时，进行试验建模将能会显得非常必要。通过试验可以直接获得压电致动器、压电传感器以及结构的各种响应曲线，这些曲线够指导我们了解压电智能结构的本质，为控制系统的设计提供第一手的指导数据。,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,压电智能结构振动控制的建模解析建模法，以压电智能梁为例,在弹性梁上下表面粘贴Np对压电片，分别作为传感器和作动器，此结构可按压电弹性基体的层合梁进行分析。含压电片的梁结构在XOZ平面内作横向振动考虑结构阻尼，其动力方程可表示为：,方程的求解：模态叠加法，即将位移转换或展开到模态空间中，沿梁长积分并归一化处理，进而可以得到压电层合梁的模态振动方程。,模态叠加法的实质：由二阶常系数偏微分方程转化成二阶常微分方程。而在离散自由度体系中，模态叠加法的作用大多是方程组的解耦。,伯努利|欧拉梁,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,压电智能结构振动控制的建模解析建模法，以压电智能梁为例,控制系统的状态方程,压电层合结构在振动过程中只受到控制电压作用时，梁的振动方程可以表示为状态方程的一般形式：,状态方程,输出方程,基于压电智能材料的结构振动主动控制的原理,结构控制理论及应用,压电智能结构振动控制的建模数值建模法，以压电智能梁为例目前在ANSYS和ABAQUS等大型商业软件中都已经集成了二维和三维压电耦合单元。1.线弹性压电体有限元动力方程压电单元设压电智能结构中离散单元的动能为Te，单元势能为Ue，外部荷载及压电材料上所施加电荷做的总功为We，则有：,其中，代表结构的密度，S和V分别为表面积和体积，Fb、Fs、Fc分别表示结构所承受外部体力、面力和集中力，Q和q分别为压电材料体电荷密度和表面电荷密度；