模型结构的压电摩擦阻尼减振控制试验研究

在压电摩擦阻尼器力学性能试验的基础上,对一安装有压电摩擦阻尼器的模型结构进行了地震模拟振动台试验研究。利用MATLAB/Simulink软件平台和dSPACE软硬件资源,建立了压电摩擦阻尼结构控制系统的仿真模型,采用快速控制原型技术对模型结构进行了地震反应振动台试验。通过振动台试验验证了地震作用下提出的压电摩擦阻尼器和以速度响应为输入的模糊控制方法调节阻尼器控制力的有效性。试验结果表明,提出的压电摩擦阻尼器能够根据结构的响应实时调整阻尼器的摩擦力,可以有效减小模型结构在地震作用下的位移反应和加速度反应。     

共振频率可调式非线性压电振动能量收集器

振动能量回收技术能够将环境中的机械振动能转换成电能,进而为微功耗装置供电,具有良好的应用前景。设计了一种利用压电材料的新型振动能量收集器,该机电耦合结构由一对非对称压电悬臂梁组成,悬臂梁末端固定有永磁体,利用永磁体产生的非线性力,实现了悬臂梁共振频率与外界激振频率的匹配调节。提出了该结构的理论模型,借助Matlab/Simulink数值分析软件对理论模型进行了仿真分析,并通过实验进行了验证。实验结果表明外界激励加速度幅值为3 m/s~2的时,结构即能实现较大频带范围内的频率匹配调节,频带范围不低于6.5Hz,最大回收功率不低于2 mW。     

底座激振下检测微型叠层芯片共振频率

摘 要：为测试微悬臂芯片的动态特性,建立了以压电陶瓷为激振底座的测试系统。采用白噪声、稳态正弦和快速正弦（啁啾信号）扫频方式激励微叠层悬臂芯片,由多普勒测振仪测试芯片动态响应。通过分析压电陶瓷阻抗变化与芯片动态响应,获得的频率对应于压电陶瓷激振器所激励叠层芯片的一阶共振频率,这可作为微结构和器件的动态分析的测试方案。     

复合作动器复合方式对平台主动隔振影响分析

为实现微隔振平台在较宽频带内的主动控制,将一弹性体和第三代压电致动器相串联,设计了一种复合式压电致动器。将复合致动器应用到微隔振平台,并对其整体建模、控制仿真时发现：弹性体相对于作动器位置不同时,在不同的外扰下对控制力的影响不同。为此,设计了一个针对不同外扰对控制力影响的评价函数,通过不同位置对评价函数影响的仿真,结果表明：当隔振平台系统受直接干扰时,弹性体位置对控制力的影响较大;当平台受地基扰动时,弹性体位置对控制力影响不显著。所以,复合作动器的布置形式取决于外扰的类型,且在实验室环境中,两种布置要达到相同的隔振效果,弹性体在上布置所耗费的能量小于其在下布置时的状态。     

一种冲击式压电发电机的实验研究

介绍了自行设计制作的一种冲击式压电发电机。首先通过分析影响压电陶瓷发电量的因素,确定压电陶瓷的尺寸,并给出了冲击弹簧与恢复弹簧的刚度设计要求,然后测量了压电陶瓷叠片的模态及压电发电机的力谱,可以看出其冲击力能激发出压电陶瓷的轴向振动模态,从而使其产生的电荷能最多。最后,对压电发电机的性能进行了测试,得到其瞬时发电功率在0.3W左右,能够点亮210个并联发光二极管。     

基于拓扑优化的压电分流阻尼抑振实验研究

将结构拓扑优化引入压电分流振动抑制中,以压电元件的分布面积为设计变量,压电元件产生的电荷最大化为优化目标,对压电元件的拓扑进行了优化以获得最佳抑振效果。针对悬臂梁结构,得到了对不同的结构模态进行抑制时的压电元件最优拓扑构型。建立了带有压电分流阻尼系统的悬臂梁振动控制实验模型,将压电元件拓扑优化后的压电分流阻尼系统应用于悬臂梁多阶弯曲模态的振动响应抑制实验,并对比分析了带最优拓扑和非优拓扑压电元件的悬臂梁压电分流阻尼抑振效果。结果表明,对压电元件进行拓扑优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

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。     

基于立方体STEWART的微振动主动控制分析与实验

采用立方体结构隔振平台,它具有各向同性以及轴向运动解耦等特点。对立方体Stewart平台分别进行运动学和动力学分析,获得杆长与平台姿态的雅克比矩阵,揭示平台振动传递特性。采用压电叠堆为主动控制单元,设计立方体Stewart主动隔振平台,并通过实验测定平台主动杆在5~120Hz频带内的输出特性,通过实测数据修正理论分析得到的雅克比矩阵。结合Fx-LMS主动控制算法,对基础干扰进行主动抑制,实验结果表明,在5~120Hz范围内,对于单频干扰,平台可实现30 dB抑制效果。     

含金属芯压电纤维的纵向振动研究

建立了悬臂杆结构含金属性芯电纤维的纵向振动模型和动态测试模型。基于第一类压电方程,推导了外加简谐激励电压时,悬臂杆结构含金属芯压电纤维的等效纵向外力;基于纵向振动理论,推导出纵向振动模型;并由电位移,得到表面电荷、电流、导纳,建立了动态测试模型,通过测量共振频率fr、反共振频fa率和低频电容,计算出压电纤维的几个主要参数：弹性柔顺系数 、机电耦合系数 、介电常数 和压电常数 。详细叙述了纵向振动模型和动态测试模型的建立过程,并给出了具体的测试方法,提供了一个实际试样的测试结果。测试结果表明,根据纵向振动模型所建立的动态测试方法可以快速、准确地测量含金属芯压电纤维的主要参数。     

基于压控电荷源和小波变换自适应算法的主-被动压电振动控制

针对压电被动振动方法中电路参数环境适应能力差、电路复杂和压电主动振动方法需要较高的输入功率问题,提出了一种基于压控电荷源和小波变换自适应算法的振动主-被动控制策略。首先,针对压电片等效电路的特点,设计了压控电荷源电路,并阐述了主-被控制方法的控制原理;对于压控电荷源的控制电压,引入了小波变换自适应算法,提高了系统的自适应能力。最后,基于dSPACE实时仿真系统,利用模拟电路和压电元件,设计并建立了四边固支的压电合金板的主-被动振动控制实验平台,对提出的方法进行了正弦和白噪声激励下的振动控制实验研究。结果表明,提出的方法能够有效的抑制压电合金板结构由于正弦激励引起的单模态和多模态振动,且能有效抑制白噪声激励引起的随机振动。     

基于光纤应变传感器的型架定位器位置检测方法研究

针对飞机装配过程中型架定位器的位置变化,提出一种基于光纤应变传感器的定位器位置检测方法。通过光纤应变传感器对型架主体及定位器组件关键特征区域的应变和定位器位置变化量进行实时采集,对采集的数据进行分析和处理,采用BP（back propagation,反向传播）神经网络建立飞机型架不同区域应变量与定位器位置变化量之间的数学模型。在某型工艺装备上搭建型架定位器位置检测试验平台,根据试验数据分别建立了定位器在平面及空间范围受载下的位置检测神经网络模型。试验结果表明：当神经网络样本数量一定时,模型对定位器位置的预测精度与加载偏移角度有关,偏移角度越小,加载覆盖率越高,模型的预测精度越高。其中,平面内以30°间隔、空间以45°间隔加载时,建立的神经网络模型对定位器位置的预测精度满足定位要求,验证了本文方法的可行性。该方法摈弃了用数字化设备直接测量的传统方式,弥补了因视线遮挡而造成个别定位器位置无法被检测的缺陷,能对装配过程中所有定位器的位置进行检测,解决定位器位置偏差过大造成的飞机部件检测质量差的问题,提升了飞机的装配质量。     

压电陶瓷致动器的动态控制模型及逻辑规则控制

提出了一种新的压电陶瓷致动器的动态控制模型．该控制模型建立在泛布尔代数理论基础上；它依赖于压电陶瓷的控制经验．通过一系列控制规则，采用泛布尔代数的符号进行控制模型的表述．在所建模型基础上，结合PID控制器对压电陶瓷进行了Rule＋PI控制的离线仿真研究；仿真结果表明，该控制模型结构简单，控制方便，易于实现．     

自适应天线结构位移最优控制

为保证大型天线结构的形状精度,传统的方法是使结构具有足够的刚度。当采用自适应结构控制天线形变规律的时候,可以大大降低结构的重量并使结构具有更高的形状精度。针对嵌入压电作动器的自适应抛物面天线结构,建立了以天线反射面最佳吻合抛物面的精度和作动器能耗为综合目标的多目标优化控制模型,模型以结构强度和作动器性态作为约束条件,并用线性加权和法转化为单目标二次规划问题。算例表明,可以用较少的作动器,实现大型天线结构的高精度控制。     

Piezoelectric actuators and sensors location for active control offlexible structures

A method for optimal positioning of piezoelectric actuators and sensors on a flexible structure is presented. First, a two-dimensional (2-D) model of a piezoelectric actuator bonded to a plate is obtained. Then, a Ritz formulation is used to find a state model of the system in view of its control. To define an optimal positioning strategy, an energy based approach is developed. This leads quite naturally to the study of controllability and observability properties of the overall dynamical model. A new criterion based on energy assessment is proposed to locate actuators and sensors     

Finite element analysis on deflection control of plates with piezoelectric actuators

A finite element model for the deflection control of plates with piezoelectric actuators is presented. This model contains an actuator element, an adhesive interface element and an eight-node isoparametric plate element. The actuator element developed here is based on first-order shear deformation theory. An analytical solution is also derived in comparison with results using the finite element model. The analyses articulate separate response of the plate; actuators and the adhesive give the flexible meshing advantage of solving the- smart structure problem with any type of boundary conditions and geometry configuration.     

The electromagnetic actuator design problem: a general and rational approach

This paper clearly delineates the problem of the design of electromagnetic actuators and presents it as an inverse problem. It discusses optimal formulations and explains the most general and rational way to solve this inverse problem. The methodology is based on the association of an exact interval global optimization algorithm and a new, more general analytical model that represents the structure and the composition of the actuators as well as their dimensions. The methodology can be considered both general and rational. The paper concludes with some practical examples of design that validate the approach.     

一种刚/弹耦合的微型蠕动机器人

研制了一种基于SMA驱动的轮式微型蠕动机器人,不同于传统的采用腿式或蠕动式结构的微小型机器人,它采用特殊的刚/弹耦合结构,显著地增大了其移动步距;车轮自锁机构将SMA驱动器的双向运动转换为机器人的单向运动.在车轮自锁机构作用下,SMA驱动器交替收缩与舒张,就可实现机器人的运动.对SMA驱动器所需加热电流及该机器人的运动性能进行了试验分析.试验证明,在刚/弹耦合结构作用下,机器人的移动速度提高近一倍.     

Finite Element analysis and modelling of Active Fibre Composites including damages

Active Fibre Composites (AFC) are modelled by piezo-electric Finite Elements (FEs) and their effective properties are determined by FE analysis. Cracks in the piezo-ceramic fibres are introduced to the model and the effective properties are determined for different extent of the damages. A simplified FE shell-bar model of AFC is developed in order to replace this layer in the large-scale model of a multi-layered smart composite structure. A methodology to transfer the effective properties of the AFC determined in the FE analysis to the shell-bar model is developed. The shell-bar model of AFC allows the dynamic behaviour of a smart composite structure to be simulated by FE and investigated.     

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。     

基于压电陶瓷驱动的精密定位平台研究

设计了一种基于压电陶瓷驱动的整体式柔顺精密定位平台. 建立了柔性铰链的刚度矩阵,给出了平台的理论分析模型;利用模糊自整定 PID 控制算法对压电陶瓷驱动器进行了闭环控制,提高了驱动器的输出位移精度;提出了一种实验修正方法,提高了平台的定位精度. 实验结果表明,平台具有亚微米级的定位精度以及良好的动态特性.