压电智能控制在主动隔振中应用研究

　　建设一个现代化工厂,防振设计必须从厂址选择,厂区总平面设计和车间工艺流程布局等各方面应加以考虑[1]。例如,厂址尽量远离铁路或工路干线;精密仪器、仪表尽量远离动力车间;挖隔振沟等。即使如此,还不能完全解决防振问题,就要进一步采取隔振措施,本文就压电智能控制系统在主动隔振设计中的应用作以探讨。

　　1　隔振分析

　　图1为一振系力学模型,设AC=a,CB=b。如将质量m直接置于基础上,作用在m上的力则大小不变的传到基础上,如图1b,如将m置于图1a所示结构上,由材料力学可知,AB梁对质量m相当于一个弹簧,其刚度系数为

　　在工程中积极隔振设计标准是由隔振系数η来衡量的,其定义为

　　由式(4)可见,要得到好的隔振效果G<< 1,必须ωn<<ω。此时系统的最大振幅为

　　由式(4),(5)可见,当外激励一定时,隔振系统的融振效果及最大振幅完全取决于系统的刚度k和质量m,在隔振设计中,k,m称为隔振参数,参数m由式(5)确定,而k则可由式(4)确定。

　　2　压电材料对结构的感应和控制

　　压电学发展已经历了一百多年的历史。如果在某些晶体的特定方向施加压力或拉力,晶体的一些对应表面上将分别出现正、负束缚电荷,其电荷密度跟施力大小或一定比例关系,这种现象称为“压电效应”,反之,如给压电材料上强加电压或电荷时,材料将产生机械力和变形,这种现象称为“逆压电效应”。利用压电效应和逆压电效应可制作出传感器和执行器,用以感应和控制系统的振动。压电控制系统具有轻质量,高精度和高效等优点,因而使得人们在柔性结构的模拟和控制方面不得不放弃传统的控制理论,转移到利用压电材料设计出高性能的控制系统的新途径上来。图2表示的为一具有离散电压传感器和执行器装置的梁,底部的电压传感器感知出梁的变形和位移而产生相应的电压,依据事先给定的控制规律,将获得的电压放大并反馈到顶部的压电执行器以产生所需的机械运动,这一机械运动将成为抵抗梁变形的动力源,因而能有效地衰减振动,达到自控制的目的[2]。

　　为了更为深入描述压电材料的正、逆两种压电效应,必须详细研究其基本构关系,经推导,本构关系为[3]

式中:C^E为弹性模量矩阵(6×6),e为电压应力系数矩阵(3×6)∈^E为介电系数矩阵(3×3),E为电场强度矢量(3×1),∈为应变矢量(6×1),R为应力矢量(6×1),D为电位移矢量(3×1)。

　　3　压电智能结构压在主动隔振中的应用