基于壓電材料的主被動(dòng)振動(dòng)控制及參數(shù)優(yōu)化.pdf

1、近年來(lái)，隨著智能材料的發(fā)展，利用壓電陶瓷、壓電薄膜作為傳感器和作動(dòng)器對(duì)柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制已得到了廣泛的研究和應(yīng)用。壓電材料作為傳感器和作動(dòng)器，集傳感、作動(dòng)功能于一體，直接實(shí)現(xiàn)機(jī)電的雙向轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)力直接作用在結(jié)構(gòu)本體上，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了作用效率，而且壓電傳感器和作動(dòng)器可以根據(jù)需要在控制本體上靈活分布，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有三種，即被動(dòng)控制、主動(dòng)控制以及主、被動(dòng)混合控制。主、被動(dòng)混合控制技術(shù)由于集中了被動(dòng)控制和主動(dòng)控制

2、的優(yōu)點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。 本文對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的主、被動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了理論方面分析和仿真研究。首先，研究了壓電材料的基本特性，以及壓電元件作為傳感器和作動(dòng)器的輸入輸出特性；其次，以柔性懸臂梁為例，對(duì)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)和主、被動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析；然后，利用大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的主、被動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和仿真；接著，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)在各個(gè)模態(tài)下的最大應(yīng)變位置，確定了壓電傳感器和作動(dòng)器在懸臂梁

3、上的粘貼位置，分析了壓電作動(dòng)器的數(shù)量、控制力的大小、初相位等因素對(duì)控制效果的影響。最后，利用ANSYS軟件對(duì)主、被動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文的主要結(jié)論為：1）在主、被動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器和作動(dòng)器的作用位置對(duì)振動(dòng)控制效果有顯著的影響。在懸臂梁模型中，當(dāng)使用一對(duì)壓電傳感器/作動(dòng)器時(shí)，其最佳作用位置在梁的固定端；而使用兩對(duì)壓電傳感器/作動(dòng)器時(shí)，最佳作用位置分別為梁的固定端和中點(diǎn)。2）改變壓電傳感器/作動(dòng)器數(shù)量以及控

4、制力的大小可以改變對(duì)振動(dòng)控制的效果。與施加一個(gè)控制力相比，施加兩個(gè)控制力時(shí)，對(duì)于第一階和第二階模態(tài)頻率振動(dòng)的衰減效果要優(yōu)于施加一個(gè)控制力時(shí)的效果，且控制力的值也會(huì)變化。3）控制力的相位也可以影響控制的效果。改變控制力的相位，使控制力所引起的振動(dòng)與系統(tǒng)的振動(dòng)正好反相時(shí)，控制效果最好。通過(guò)適當(dāng)選擇壓電傳感器和作動(dòng)器的數(shù)量、粘貼位置以及所施加的控制力的大小和相位，可以使振動(dòng)控制的效果達(dá)到最佳。這些工作為今后的進(jìn)一步理論研究、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及