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电材料在机敏结构振动控制中的应用方案

电材料在机敏结构振动控制中的应用方案 2011年12月09日 来源： 【论文摘要】采用压电传感器与控制器实现机敏结构的振动控制是当前振动工程的一个研究热点。本文在阐述其基本原理的基础上，对该领域的研究现状进行了简要回顾，并指出了今后研究中一些亟待解决的问题。

1　机敏结构与压电材料

机敏结构（Smart Structures)是指在内部集成了传感器与作动器的结构，是集成型智能结构（Intelligent Structures)的雏形。机敏结构的传感器与作动器有多种类型，如形状记忆合金、光导纤维、电流变体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料等。其中压电材料以其频响宽、重量轻、结构简单、价格便宜等特点而倍受青睐。目前在振动工程中应用较为广泛的压电材料主要有三种，即压电单晶体（如石英）、压电功能陶瓷（如PZT）及压电高分子聚合物（如压电薄膜PVDF）。其中压电功能陶瓷多用于机敏结构的离散控制，而压电高分子聚合物常用在机敏结构的分布控制当中。　　压电材料实际上是一种能量转换材料。压电材料的机—电耦合特性由它的正、逆压电效应决定。正压电效应指的是作用在压电材料上的机械应力会转化为材料上的束缚电荷，而逆压电效应则是作用在压电材料上的电势能转化为机械应变的现象。利用这种机—电耦合特性，压电材料既可作为传感器，又可作为作动器。　　压电元件集成机敏结构的方式有表面粘贴与内部嵌入两种。由于压电元件体积小、质量轻，故集成后不会对原结构的动力学特性产生明显影响。比较而言，表面粘贴方式易于实现，但工作当中可能因受损而报废。内部嵌入方式去除了表面粘结剂对结构的影响，能够在压电元件与结构之间建立良好的机电联系。其不足之处在于制造过程比较复杂，而且电绝缘相对困难。

2　压电振动控制方法

压电材料用于机敏结构的振动控制，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。受压电材料自身性能的限制，压电被动控制适于机敏结构的高频振动控制。对于低频振动，控制系统需要较大的电感元件，给实际工程应用带来了一定的困难。　　主动控制是当前振动工程中的一个研究热点。这种方法以现代控制理论为主要工具，设计出的控制系统具有很强的环境适应能力。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产生的结构应变，将其转变为相应的电信号，并通过一定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，从而实现机敏结构的振动控制。压电主动控制方法具有修正设计方便、适于低频振动控制等特点，目前已在许多领域得到了应用。当然，这种方法也存在不足，例如当压电传感器与作动器非同位配置时，就可能出现控制失稳的现象。　　被动控制与主动控制相结合形成混合控制策略是当前振动工程的一个新兴方向。机敏约束层阻尼控制是压电主被动混合控制中的一个代表。这种方法基本思想是以可控的压电材料代替传统的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，并同时给机敏结构施加控制力，以抑制机敏结构的振动响应。压电主被动混合控制方法中的被动阻尼部分可以降低机敏结构的高频振动响应，因而拓宽了主动控制方法的减振频带。同时被动阻尼部分还可以提高控制系统的反馈增益与相位裕度，降低了系统对结构参数摄动的敏感性，提高了系统的稳定性与鲁棒性。

3　压电材料在机敏结构振动控制中的应用

利用压电材料实现振动控制的研究最早出现于本世纪50年代。80年代初期，随着人们对压电材料认识的深入，以压电材料作为传感器与作动器对柔性结构的振动响应进行有效控制的研究迅速发展起来。Forward以片状压电功能陶瓷PZT为传感器与作动器，对空间柱状天线的两阶耦合正交模态进行了控制。Bailey以单面粘贴PVDF层的柔性悬臂梁为研究对象，通过对自由端响应信号的处理，产生控制电压并作用于PVDF层。由于施加的控制信号与响应速度成比例且反相，故称之为压电主动阻尼控制。Crawley提出了粘贴及嵌入式压电元件的静力分析模型，并利用这些模型预报机敏结构的振动响应。Dimitriads将Crawley的研究成果推广到了2维压电耦合薄板。Wang则对嵌入式压电复合层板系统进行了减振控制，并进一步推导了复合层板单元的压电方程。　　上述工作多是以静力分析方法为基础的，研究的对象多是具有典型边界条件、可获解析解的简单单元模型。

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