基于压电材料的主被动振动控制及参数优化

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近年来,随着智能材料的发展,利用压电陶瓷、压电薄膜作为传感器和作动器对柔性结构进行振动控制已得到了广泛的研究和应用。压电材料作为传感器和作动器,集传感、作动功能于一体,直接实现机电的双向转换,驱动力直接作用在结构本体上,减少了中间环节,提高了作用效率,而且压电传感器和作动器可以根据需要在控制本体上灵活分布,应用越来越广泛。控制系统的设计方法有三种,即被动控制、主动控制以及主、被动混合控制。主、被动混合控制技术由于集中了被动控制和主动控制的优点,成为目前国内外研究的热点之一。 本文对柔性结构的主、被动振动控制技术进行了理论方面分析和仿真研究。首先,研究了压电材料的基本特性,以及压电元件作为传感器和作动器的输入输出特性;其次,以柔性悬臂梁为例,对主动振动控制系统和主、被动振动控制系统进行了理论分析;然后,利用大型有限元分析软件ANSYS,对柔性结构的主、被动振动控制系统进行了分析和仿真;接着,根据主体结构在各个模态下的最大应变位置,确定了压电传感器和作动器在悬臂梁上的粘贴位置,分析了压电作动器的数量、控制力的大小、初相位等因素对控制效果的影响。最后,利用ANSYS软件对主、被动振动控制系统进行了参数的优化设计。 本文的主要结论为:1)在主、被动振动控制系统中,传感器和作动器的作用位置对振动控制效果有显著的影响。在悬臂梁模型中,当使用一对压电传感器/作动器时,其最佳作用位置在梁的固定端;而使用两对压电传感器/作动器时,最佳作用位置分别为梁的固定端和中点。2)改变压电传感器/作动器数量以及控制力的大小可以改变对振动控制的效果。与施加一个控制力相比,施加两个控制力时,对于第一阶和第二阶模态频率振动的衰减效果要优于施加一个控制力时的效果,且控制力的值也会变化。3)控制力的相位也可以影响控制的效果。改变控制力的相位,使控制力所引起的振动与系统的振动正好反相时,控制效果最好。通过适当选择压电传感器和作动器的数量、粘贴位置以及所施加的控制力的大小和相位,可以使振动控制的效果达到最佳。这些工作为今后的进一步理论研究、控制系统的设计以及系统中各个参数的选择奠定了基础。
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