智能材料与结构在振动控制中的应用

　　1　基本概念

　　智能材料是近年来迅速发展的一类新型复合材料,它是将传感器、信息处理器和驱动器等复合于基体材料之中,使之既能承载又具有对环境的“自适应”功能的人工智能型新材料。智能结构就是利用智能材料构成的具有感知外界或内部状态与特性变化,并能根据变化的具体特征对引起变化的原因进行辨识,从而采取相应的最优或近优控制策略以作出合理响应的一类结构。具体地说该结构具有检测、通信、动作等功能。

　　2　智能结构的构成

　　2.1　常用智能材料

　　目前经常用到的智能材料有:形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料、电/磁流变流体等。这些材料可以感知环境变化(温度、压力、应力、电/磁场等变化)和控制信号的变化。通过一定的结构设计,也可以在一定条件下产生较大的特性变化,从而起到响应和控制的作用。

　　2.2　智能结构的构成[1]

　　传感器、致动器和控制器是智能结构重要的三个组成部分。传感器要求具有高度感受结构力学状态的能力,在振动系统中即能把位移、速度或加速度等信号直接转换成电信号输出,它直接反应实时的振动状态,所以它必须有足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度,以便能迅速、准确地得到振动信息;另外,还要求其具有体积小、易于集成的特点。致动器的功能是执行信息处理单元发出的控制指令,并按照规定的方式对外界或内部状态和特性变化作合理地反应,应能直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移,具有改变智能结构形状、刚度、位置、固有频率、阻尼及其它机械特性的能力。控制器位于结构之中,由具有控制功能的硬件电路或电脑芯片与软件组成,是智能结构的神经中枢。

　　2.3　振动控制智能结构的设计原理

　　首先明确所用智能材料的应用目标,随之分析振动控制目标的具体要求,确定智能复合材料控制输入和输出的形式。这里最关键的问题是为了实现系统的自适应控制,必须运用已知材料的特性、振动理论以及自动控制理论,建立合理的数学模型,构建控制系统,并选择有效的控制策略。

　　3　智能材料及结构在振动控制中的应用

　　3.1　压电智能材料的应用

　　压电材料的应用主要有压电智能阻尼材料[2]和压电式传感/作动[3]器两种。将压电材料、导电材料复合于基体材料中,并构成导电回路。当振动作用于该材料时,其中的压电材料感知外界的振动,产生相应的极化电荷(电场),在导电回路中产生电流并以热的形式输出。振动越强,产生的电场越强,发热也越多。通过上述能量的传递与转换,从而达到了智能阻尼的效果。压电传感器是利用压电材料的压电效应研制的能测量弹性体全部振动模态的分布观测器;压电作动器是利用压电材料的反压电效应将电能转换成机械能的分布执行器。常用的压电材料有:压电陶瓷和压电高分子材料等。将分布观测器和分布执行器粘贴在板壳同一部位的两侧面,构成模态传感执行器(modal sensor/actuator)。这种组合元件实现了同位控制(colocated control)[3],因而能避免观测溢出和控制溢出。对于用模态传感执行器构成的振动主动控制系统可用Hamilton原理推导运动方程[3],用有限元法可导出其离散型运动方程。随着压电层理论的发展,压电材料的应用将更为广泛。已有研究表明,其在空间挠性体的振动主动控制以及汽车车厢内的噪声主动控制中具有较好的效果。