一种弯曲型压电堆作动器的设计及在振动控制中的应用

提出了一种弯曲型压电堆作动器并将其应用于悬臂梁主动振动控制中。新型作动器由一个压电堆和一个 型金属底座和一个预压螺钉组成。该作动器的通过底座对压电堆纵向变形的约束而使底座弯曲变形产生作动弯矩。推导了新型作动器的输出作动弯矩计算公式,并将其应用于悬臂梁振动控制中,采用热弹比拟方法结合状态空间理论建立了带新型压电作动器的悬臂梁振动控制系统状态空间方程。分别应用正位置反馈（Positive position feedback,PPF）和神经网络预测（Neural network predictive,NNP）控制方法设计了主动振动控制系统。闭环仿真结果表明,采用本文提出的新型压电堆作动器控制悬臂梁的一弯模态位移响应,应用PPF控制其幅值可降低57%,应用NNP控制其幅值可降低92%。     

压电智能结构的一种模态控制新方法

提出了一个用于压电智能结构振动控制的模态控制方法。就智能梁给出了压电模态传感器与压电模态致动器的新设计方法以及相应的模态控制方法，并对相应的观测溢出与控制溢出问题进行了分析，给出了抑制这些溢出的措施。     

基于0-3方向极化的PLZT作动器的开口圆柱壳的主动振动控制

基于理论分析及实验研究建立了沿0-3方向极化的PLZT光致伸缩作动器产生的光致应变随光照时间动态响应的本构方程,研究了光照强度、PLZT作动器的厚度与作动器产生的饱和光致应变及时间常数的关系。在此基础上研究了能产生非均匀控制力/力矩的新型四区域光致伸缩作动器对开口圆柱壳的主动振动控制。针对光致伸缩作动器产生驱动应变的特点,设计了速度反馈定光强半周期控制的控制策略,仿真结果表明,所提出的主动控制策略可以有效地抑制圆柱壳的振动。通过与沿0-1方向极化的PLZT作动器对比表明,由于沿0-3方向极化的PLZT作动器响应速度快,在相同光强下对圆柱壳的控制效果更好,且光照强度赿大控制效果越好。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

柔性结构振动预测控制的仿真研究

针对柔性结构的振动问题，提出了用预测控制方法来实现对振动的主动控制。建立了由压电作动器和应变片传感器组成的悬臂梁实验系统的控制模型，用动态缩聚的方法对梁的有限元模型进行降阶，根据这个降阶模型设计了一个预测控制器，将其应用于系统的振动控制，并给出了预测步长和控制步长对控制性能的影响。仿真结果表明该预测控制方法能够有效地抑制柔性结构的振动。     

压电结构的自适应模态阻尼控制实验

文[1]提出了用分布式的、实时可调的压电片组建模态传感器及作动器实现准独立模态控制的方法，为结构的自适应控制提供了物质基础。本文在文[1]的基础上，结合自适应控制技术、进一步进行了基于这种独立模态控制策略的自适应阻尼控制实验研究，在压电板上取得了理想的控制效果。     

含压电作动器和传感器的复合材料层板静变形有限元分析和形状控制研究

本文研究了含压电作动器和传感器层的复合材料层板理论,建立了位移和电自由度的四节点有限元素,利用总势能最小原理推导了静力平衡方程,实现和验证了含压电作动器/传感器复合材料层板静态分析有限元程序。并对该类复合材料层板进行了形状控制研究。      

柔性悬臂梁振动主动控制实验研究

以压电陶瓷为作动器，并采用独立模态控制法，对冲击载荷作用下的大柔度悬臂梁前三阶模态进行了振动主动控制研究。实验结果表明，使用独立模态控制方法，能有效地抑制悬臂梁的振动，控制效果非常明显。采用模态滤波和相移控制器进行模态分离和相位调节，可获得最大结构阻尼，取得良好的动态控制效果。     

一种混合遗传算法在压电智能结构振动控制全局优化设计中的应用

本文针对采用压电作动器／传感器的智能结构,了振动控制中作动器／传动器的配置以及反馈增益的全局优化设计问题。     

振动主动控制中传感器与作动器参数的优化设计

本文分析了文献[5]中方法的不足,提出了梁式结构振动主动控制中同时优化系统极点和传感器/作动器位置的联合优化设计法,指出传感器/作动器最优位置不仅与受控结构的模态频率和振型有关,还与系统的极点位置有关.对于最低阶模态频率较低(小于1.0 rad/s)的受控结构的主动控制系统不宜采用加速度传感器.     

A finite element computational framework for enhanced photostrictive performance in 0–3 composites

Photostriction is a multiphysics phenomenon comprising of both photovoltaic effect and converse piezoelectric effect. The extensively researched photostrictive material is lead lanthanum zirconate titanate, i.e., Pb_0.92La_0.08(Zr_0.65Ti_0.35)_0.98O₃ (PLZT) ceramic. In contrast to the traditional approaches of improving deflection response, the current study proposes a 0–3 composite model to substantially enhance the effective material properties, which in turn significantly improves the deflection response. A computational framework based on finite element analysis is employed to 0–3 photostrictive composite of PLZT as matrix and Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.35PbTiO₃ (PMN-35PT) as the inclusions. The representative volume element (RVE) or unit cell technique is used to incorporate the local variation of constituent properties and to calculate photostrictive properties such as effective elastic, dielectric, piezoelectric, and pyroelectric properties. An opto-electro-thermo-mechanical finite element formulation was engaged to get the actuation response of photostrictive material bonded to cantilever and simply supported beam. The maximum deflection for cantilever beam attached to photostrictive composite patch having 25% inclusions volume fraction in 0–3 composite is found to be 38% more in comparison to pure PLZT material. It is established that the opto-electro-mechanical 0–3 composite actuators possess high potential in lightweight, compact and wireless actuation applications.

     

压电悬臂梁的动力学建模与主动控制

为计及压电层的刚度特性,基于一阶剪切变形理论推导压电层合梁的抗弯刚度,由Hamilton变分原理建立压电层合梁的有限元模型,采用模态叠加方法对有限元模型降阶。在应变最大处配置制动器和传感器,基于鲁棒极点配置算法对低阶系统设计状态反馈,配置极点至期望位置。把针对低阶系统设计的控制器作用于原系统以实现振动主动控制。数值算例验证了这种力学建模方法和控制器设计方法的有效性。     

振动控制传感器／作动器的数目和位置优化设计

提出一种确定传感器、作动器的数目和优化设计传感器、作动器位置的方法。以独立模态最优控制方法为基础,将模态控制力、作动器作动力和传感器测量的信号处理为随机变量,分别建立了模态控制力能量、作动器作动力能量的自相关矩阵的测量信号的能量自相关矩阵。进一步通过作动力能量的自相关矩阵的和测量信号的能量自相关矩阵包含的能量分别确定了作动器和传感器的数目。在此基础上,建立了基于控制系统作动力消耗能量最小和传感器测量信号能量最大,分别设计了控制系统的作动器和传感器的最优位置。通过数值算例证明了该方法的有效性。     

Structural, electrical and electromechanical sensing properties of Bi-modified PLZT ceramics

Piezoelectric ceramics lead zirconate titanate (PZT) is a material of high technological importance due to its applications in solid-state actuators, transducers and sensors. La⁺³ ion can be substituted for Pb⁺² ion in PZT system (as called PLZT) because of its similar ionic sizes. The main aim of this work is to study the effect of trivalent Bi⁺³ doping on PLZT (8/65/35) on their microstructural, electrical and electromechanical sensing properties. Bismuth (Bi) content in the doped materials is varied from 0.3 to 1.0. These materials are prepared using the conventional way. Structural analysis of the materials from room temperature XRD data shows that the materials have monophasic rhombohedral structure. TEM analysis confirms the fabrication of fine (nano sized) homogeneous powder, whereas SEM microscopy shows the uniform distribution of spherical grains. Bi substitution is found to alter significantly some physical properties of the pure PLZT material, that is, lattice parameters, size of the grains, dielectric, pyro and piezoelectric properties. The sensing and actuation power of the prepared materials were found to be useful for the vibration control of a carbon composite cantilever beam.     

光电层合圆柱薄壳的自组织模糊主动振动控制

本文针对当前的光致伸缩驱动器构型在壳类结构的振动抑制中不能产生负膜力的问题,提出了一种新型的多片组合驱动器构型。并将该构型层合在圆柱薄壳结构的上下表面,建立了光电层合圆柱壳独立模态振动控制方程。考虑到光致伸缩驱动器的非线性和时变驱动特性,以及模型的不确定性,设计了基于性能函数负梯度调节的规则自组织模糊主动控制器,克服了常规模糊控制器控制规则设计的困难;为了验证上述提出的控制策略的有效性,进行了数值仿真;仿真结果表明提出的自组织模糊控制器取得了理想的振动控制性能,实现了柔性薄壳结构的非接触主动振动控制。     

智能结构振动控制中压电传感器与执行器位置的拓扑优化

根据奇异值单元灵敏度提出了压电传感器与执行器位置的优化准则，进而建立了一种压电传感器与执行器位置的拓扑优化方法。最后利用算例说明了本文方法的有效性。     

空分复用压电自感知执行器执行与传感效果研究

结构振动主动控制可以采用压电自感知执行器。空分复用解耦方法是实现压电自感知执行器的一种新方法，实质是采用几何方法解耦，即将压电片的一个完整电极分割为执行区和传感区以实现自感知。本文以悬臂梁为对象，以涡流位移计作为标准传感器，对两种电极分割方式的压电片的传感和执行效果进行了实验研究。通过测量压电梁的频率特性，证明了空分复用的压电陶瓷片同时兼有传感和执行两种功能。实验结果也表明传感区的敏感输出受到执行区激励电压的静电耦合的影响，利用悬臂梁存在反谐振点的特性，提出了一种定量测量静电耦合的方法，并测定了不同电极宽度、不同极间隙下的静电耦合系数。本文的工作为采用空分复用的压电自感知执行器进行振动主动控制奠定了基础。     

Improved finite element modeling of piezoelectric beam with edge debonded actuator for actuation authority and vibration behaviour

The main emphasis of the present work is to model a piezoelectric beam with edge debonded actuator by employing finite element method based layerwise shear deformation theory, to improve the accuracy with which the actuation authority and natural frequencies are computed. The surface-bonded piezoelectric actuators and the host beam are considered to rotate individually due to shear deformation, while they are assumed to undergo the same flexural deflection and slope. These modeling aspects have improved the accuracy of the computed results. Edge debonding of actuator is accounted in the model by modeling healthy and debonded regions of the beam individually and subsequently applying the displacement continuity conditions at the interfaces of different regions. The investigations are carried out to find the effect of different extents of edge debonding on the actuation authority and natural frequencies of the debonded piezoelectric beam. It is found from the numerical results that the behaviour of the beam with edge debonded actuator is affected considerably as regards to the actuation authority and marginally with respect to natural frequencies. Further it has been shown that, when an actuator is edge debonded it introduces the local modes besides displaying significant reduction in its actuation authority.     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

悬臂Kagome夹心板独立模态空间振动控制研究

针对悬臂板挠度大、低频振动突出问题,对悬臂Kagome夹心板的振动主动控制进行研究。建立结构及压电作动器有限元模型;将独立模态空间控制与模态观测器相结合,提出悬臂Kagome夹心板的主动控制策略;针对突风载荷作用下夹心板基于独立模态空间的振动控制进行仿真,重点研究观测器极点对控制效果影响。结果表明,所提控制方法能显著提高悬臂Kagome夹心板结构的阻尼特性,观测器衰减系数越大控制效果越好;该夹心板在振动控制方面较传统板结构优势明显。