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1、智能结构振动控制浙江大学生产工程研究所(杭州310027)沈润杰杜设亮梅德庆傅建中陈子辰【摘要】介绍了近年新发展起来利用机敏材料作为传感的场合。传统的控制装置由于控制器的参数是固定的,所以元件和致动元件的智能结构振动控制与传统振动控制系统当系统内部特性变化或外部扰动的变化幅度较大时,系统的的区别,阐述了智能结构振动控制基本组成、特性及控制形性能会大幅度下降,甚至不稳定;式和机理,对其中若干关键技术进行了分析和论述,分析了(5)智能结构具有良好的鲁棒性,并赋予结构自诊断、环近年来发展状况和最新的进展,提出了若干发展思路。境自适应和损伤自修复性,
2、增加了结构的安全;传统振动控关键词:智能结构;机敏材料;振动控制;结构振动制装置适应环境变化的能力较差;(6)与传统的振动控制相比,因受到机敏材料最大应变1引言冲程的限制,难于提供大功率振动控制;目前主要用于航天利用机敏材料作为传感元件和致动元件对结构振动进结构、微型机械、大挠度梁和壳结构振动控制,而对大型机行控制,是当今结构振动控制研究和应用非常活跃的领域。械、建筑振动目前主要采用传统控制装置。特别在空间柔性体结构中,由于其柔度大、内阻小,太空环境2智能结构振动控制系统的组成、特性[1]又几乎没有外阻,要使具有高的稳定性和高定位精度,用智能
3、结构振动控制系统的组成一般包括下述四个要[3,4]传统的振动控制方法难以满足要求,机敏材料的出现及智能素:传感元件、控制器、致动元件、通信网络四个部分。结构的开发,为这一问题的解决提供了一种崭新的方法。在传感元件:用于传感和收集结构的振动信息,它必须具[2]振动控制领域中,所谓智能结构,最简单的形式是外贴或有足够的可靠性、频带宽、对结构状态灵敏度、易于集成、高内嵌有机敏材料(如:压电、光纤、半导体、电致伸缩、磁致伸度分布、对结构的力学影响小,易于粘贴或埋入对象的表面缩、ER流变体和形状记忆等材料)制作的分布传感器和分布或内部,并能对振动信息作
4、出迅速、精确反映。致动器的结构或复合结构,这些分布传感器和分布致动器通(1)控制器。一般包括中央处理机和分布式微处理器。过控制系统,对结构所受的激励作出反应并能协调动作,来主要用于处理传感器收集的信息,发布控制命令,它具有较补偿或抵消无益的效应增强有益的效应。它与传统的振动高的运算速度和精度,能对收集的信息进行迅速实时处理。控制系统的区别在于:(2)致动元件。对控制器传来的信息作出适当的反映,(1)智能结构把具有感知和致动属性的材料进行功能符它必须具有足够的应变冲程,较小的滞后效应和高的抗疲劳合设计,实现了材料元件化,直接作为传感元件和致动元
5、件,性。因此加工工艺及结构简单、使用方便。而传统的振动控制装(3)通信网络。它担负着传感元件、致动元件、控制器之置一般较复杂;间信息传输任务,它必须具有较高的可靠性及较高的生存能(2)结构集成。由于智能材料元件具有良好的可埋入力。性、重量轻,把传感元件和致动元件及控制器集成在结构之目前研究智能结构振动控制策略和算法一般有3个层[5]中,不会改变结构的固有性能,提高整体的生存能力和可靠次:局部控制、全局算法控制和智能控制。局部控制的目性。传统振动控制装置一般都置于控制对象外,需要大量的标:增大结构阻尼和/或吸收能量并减小残留位移和应变;全辅助设
6、备;如果利用附加质量减少主振动,不仅占用空间大,局算法控制目标是:镇定结构,控制形状和抑制扰动。前两而且会因附加质量的振动引起噪声;种控制问题是目前技术水平可以实现的,智能控制是未来应(3)智能结构的一个重要特征是具有分布的传感器、分重点研究的领域,它通常应具备以下功能:系统辨识、故障诊布致动器和分布微处理器,因而具有普通振动控制系统无法断和定位、故障元件的自隔离、修复和功能重构,在线自适应比拟的优点,可以实现全局最优控制、实时控制和真正意义学习。[4]上的智能控制。而传统振动控制,传感器和制动器是分散智能结构振动控制的一般原理,如图1所示。
7、当外界的,测量的是一些离散点振动,如果传感器位于模态节点或环境如受到外冲击、周期激励,结构会发生一定的变形和振连线上,一些自振模态信息可能丢失或达不到振动控制的目动,这时结构中的传感器系统回收到结构变形和振动的信息的;(分布微处理器进行预处理),并将信息通过通信网络传给中(4)智能材料性能的稳定性好、频带宽,可应用于振动频央处理机进行处理和解释。如果解释的结果是结果的变形率变化很大或某些特殊场合如高温和难以安装动力吸振器或振动超过,对结构产生不利的影响,需消除此振动时,中央机电工程1999年第5期·125·处理机就向致动系统发出变形和作用力指
8、令,调节系统则产量,但它的频带宽度很窄,只适用于低频振动控制。真正适生一定的反力或提供阻尼,使结构变形恢复原状或减少结构用于智能结构应用的致动器,特别是应变大、作用
