一种新型压电作动器及在结构振动主动控制中的应用

针对传统压电片作动器直接粘贴到被控结构表面时受到的各种限制,文中提出并设计制作一种新颖的弓型压电作动器.该作动器由一个弓型梁座和粘贴于其上的压电片构成,使用时将弓型梁座粘贴于被控结构上,压电片驱动弓型梁弯曲变形,进而对被控结构产生作动.随后将其应用在弹性梁振动主动控制中,以验证这种新型作动器的可行性和有效性.采用热弹性比拟方法建立带弓型压电作动器的悬臂梁振动主动控制系统的状态空间模型,采用LQR(linear-quadratic regulator)方法进行控制器设计.基于dSPACE硬件在线控制仿真系统,进行悬臂梁振动的主动控制实验,并对这种新型压电作动器与传统压电片作动器的振动控制效能进行实验对比.实验结果表明,这种弓型压电作动器具有良好的作动效能和安装方便灵活、可重复使用等优点.     

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证

为了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化,本文考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异,建立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件.通过引入常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的3个悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程,得到了采集器固有频率和振型的表达式,推...     

复合L形宽频压电悬臂梁的建模与仿真

为提高单频压电悬臂梁的振动能量采集转换效率,提出一种复合L形压电悬臂梁的宽频拓展技术,通过在单频压电悬臂梁水平结构中增加一个辅助垂直悬臂梁,组成L形压电悬臂梁,通过控制L形压电悬臂梁的结构和材料参数使悬臂梁的2阶模态频率为1阶模态频率的2倍,将1阶、2阶模态频率串联起来形成一个宽频的谐振带。利用拉格朗日方程和模态假设法建立了L形压电悬臂梁的频率方程和振动方程,通过数值仿真分析了L形压电悬臂梁结构和材料参数对其频率特性和振动特性的影响,并确定了系统的最佳结构和材料参数,实例验证了悬臂梁宽频拓展方法的正确性。     

压电智能悬臂梁的压电片位置、尺寸及控制融合优化设计

对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究.在对压电片和基板的耦合特性进行分析的基础上,建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程,并以系统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式,并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)对模型进行求解.采用Simulink对优化结果的动态响应特性进行仿真分析,仿真结果表明,采用提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的.     

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的实验研究

采用压电分流阻尼原理,对根部粘贴压电陶瓷片的柔性悬臂梁振动控制进行了实验研究。实验中设计了一个由电容、电阻和运算放大器组成的等效电感电路,解决了压电分流电路设计中的超大电感器问题。根据测试得到的带压电分流电路悬臂梁的闭路和开路自然频率,确定出了压电分流电路的最优参数,对悬臂梁的瞬态振动和单频简谐激励下的稳态振动控制实验表明了压电分流阻尼被动控制结构振动的有效性。     

基于压电发电的隧道环境中能源的利用

通过对隧道环境内可利用能源进行测试研究,设计了一种适用于隧道环境的压电悬臂梁发电装置.针对地下隧道环境的振动频谱特征,选择高性价比的压电材料,通过有限元方法进行仿真研究,设计合适尺寸与材料的压电悬臂梁.设计采集系统外围电路,实现低能耗收集利用压电装置转化得到的振动能量.     

悬臂梁压电俘能器的建模研究

为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理,从压电方程和内能平衡出发,建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型.在ANSYS中分别建立了三种压电振子的有限元模型,仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压的关系曲线,仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高,且数值模拟曲线和有限元仿真曲线基本吻合,验证了建立数学模型的正确性.     

含压电片悬臂梁的LQR振动主动控制

应用有限元方法建立了贴有压电驱动器的悬臂梁动力学模型,并基于控制目标函数的LQR法,利用Matlab系统仿真,研究了悬臂梁振动主动控制与抑制的问题。最后,提供了数值示例,说明该方法能有效控制悬臂梁的振动。     

弹性机构振动主动控制中压电作动器/传感器的优化配置

讨论了高速弹性机构构件上压电作动器和传感器粘贴位置优化配置的方法。基于机构弹性动力学控制方程，对系统模态作动力系数矩阵，作奇异值分解和振动响应观测信号，作小波变换，获得了作动器和传感器不同分布情况下作动力和观测信号的能量表达式，提出了判定作动器／传感器最优配置的可控性指标和可观性指标。最后，对弹性连杆机构进行数值仿真，确定了机构构件上压电作动器和传感器的最优配置。     

一种基于神经网络的振动主动控制方法

分析了表面贴有压电材料ＰＺＴ作为作动器的悬臂梁系统的特性,从控制角度推导出系统的传递函数,在此基础上采用神经网络对系统进行振动主动控制。分别利用线性神经网络和ＢＰ神经网络作为辨识器和控制器,同时将速度信号引入到控制器中以提高系统性能。数值仿真证明了方法的可行性。     

Vibration Control of a Composite Beam Using Self-sensing Semi-active Approach

Structural vibration control was an active research area for the past twenty years because of their potential applications in aerospace structures,civil structures,naval structures,etc.Semi-active vibration control methods based on piezoelectric actuators and synchronized switch damping on inductance(SSDI) techniques attract the attention of many researchers recently due to their advantages over passive and active methods.In the SSDI method,a switch shunt circuit is connected to the piezoelectric patch to shift the phase and amplify the magnitude of the voltage on the piezoelectric patch.The most important issue in SSDI method is to control the switching actions synchronously with the maximum vibration displacement or maximum strain.Hence,usually a displacement sensor is used to measure the vibration displacement or a collocated piezoelectric sensor is needed to measure the strain of the structure near the piezoelectric actuator.A self-sensing SSDI approach is proposed and applied to the vibration control of a composite beam,which avoids using a separate sensor.In the self-sensing technique,the same piezoelectric element functions as both a sensor and an actuator so that the total number of required piezoelectric elements can be reduced.One problem in the self-sensing actuator,which is the same as that in the traditional collocated piezoelectric sensors,is the noise generated in the sensor signal by the impact of voltage inversion,which may cause extra switching actions and deteriorate control performance.In order to prevent the shunt circuit from over-frequent on-and-off actions,a simple switch control algorithm is proposed.The results of control experiments show that the self-sensing SSDI approach combined with the improved switch control algorithm can effectively suppress over-frequent switching actions and gives good control performance by reducing the vibration amplitude by 45%,about 50% improvement from the traditional SSDI with a separate piezoelectric element and a classical switch.     

基于神经网络的压电自感知主动控制仿真试验

由于传统的自感知电桥电路难以有效地实现自感知执行器传感与执行之间的信号分离,因此,提出了一种采用神经网络分离出压电自感知执行器传感信号的新方法,用神经网络直接估算结构的振动速度来得到振动控制时控制器的反馈信号.将嵌入在复合材料悬臂梁中的压电陶瓷片作为自感知执行器,采用基于Filter-X LMS算法的自适应滤波控制器对悬臂梁的振动进行主动控制.结果表明神经网络估算得到的振动速度和用传感器直接测得的完全吻合,将神经网络的输出作为控制器的反馈信号可以取得理想的减振效果.     

基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势,进而改变材料整体电势分布,本文考虑此变形和电势耦合效应,基于欧拉-伯努利梁变形理论,推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响,建立了三层压电梁结构的控制方程;建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式,以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比,验证了所推导的解析表达式的准确性。     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

Note: Self-sensing based on charge control improves the performance of active damping using piezoelements

A piezoelectric element can be used separately as a sensor or an actuator. A self-sensing strategy based on a charge driver can utilize a piezoelectric element as a sensor while actuating. The strategy was proven via experiments on a cantilever vibrator using a piezoelectric plate with both sensing and actuating functions. The amplitude of the vibration was actively damped by a factor exceeding 90%. The method can be used in numerous fields, including scanning probe microscopy, vibration suppression, and monitoring the health of structures.     

Improving tapping mode atomic force microscopy with piezoelectric cantilevers

This article summarizes improvements to the speed, simplicity and versatility of tapping mode atomic force microscopy (AFM). Improvements are enabled by a piezoelectric microcantilever with a sharp silicon tip and a thin, low-stress zinc oxide (ZnO) film to both actuate and sense deflection. First, we demonstrate self-sensing tapping mode without laser detection. Similar previous work has been limited by unoptimized probe tips, cantilever thicknesses, and stress in the piezoelectric films. Tests indicate self-sensing amplitude resolution is as good or better than optical detection, with double the sensitivity, using the same type of cantilever. Second, we demonstrate self-oscillating tapping mode AFM. The cantilever's integrated piezoelectric film serves as the frequency-determining component of an oscillator circuit. The circuit oscillates the cantilever near its resonant frequency by applying positive feedback to the film. We present images and force-distance curves using both self-sensing and self-oscillating techniques. Finally, high-speed tapping mode imaging in liquid, where electric components of the cantilever require insulation, is demonstrated. Three cantilever coating schemes are tested. The insulated microactuator is used to simultaneously vibrate and actuate the cantilever over topographical features. Preliminary images in water and saline are presented, including one taken at 75.5 μm/s—a threefold improvement in bandwidth versus conventional piezotube actuators.     

主被动约束层阻尼在结构振动控制中的应用与设计

导出了自感知主被动阻尼控制梁结构的振动控制方程。引入速度负反馈形成闭环控制,对被动控制和主被动控制的控制效果进行了分析比较。分析了粘弹层、压电层厚度和压电片位置等结构参数变化以及材料参数变化对控制效果及结构频率的影响。并分析了主被动阻尼控制结构的特点和设计中应注意的问题。     

含多个压电元件智能悬臂梁的横向振动特性

本文以含多个压电元件的悬臂梁为例,基于Bernoulli-Euler梁的阶梯折算法,结合压电智能悬臂梁段的等效弹性模量理论,计算了多个压电元件的悬臂梁的固有频率和振型,并与有限元和等截面梁的计算结果进行比较。计算分析表明,压电材料尺寸和位置变化对智能悬臂梁结构的横向振动特性具有显著的影响,分析结论对高速飞行器结构设计和主动振动控制中压电元件的优化布置有实用价值。     

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。