压电智能悬臂板梁振动的主动控制与压电片的优化布置

摘要

智能结构不仅能够承受载荷，还能感知所处的内、外部环境变化并通过改变其自身的物理性能或形状等做出响应，具有响应快、自适应、自诊断、自修复等优点。目前，智能结构已经成为了工程振动控制领域的研究热点之一。压电材料可作为传感器和致动器，是智能结构的核心部分，其在结构上的布置情况及控制参数直接影响着振动控制的效果，是目前对智能结构进行研究的重点问题之一。本文以压电智能悬臂板梁为研究对象，研究压电传感器和压电致动器的布置及控制参数对悬臂板梁振动情况的影响。本文首先根据压电材料的性质及压电理论分析了压电材料与悬臂板梁之间的相互耦合关系，建立了智能悬臂板梁的动力学方程和状态方程，然后以线性二次最优控制理论(LQR)为优化设计准则，以最小存留能量为目标函数建立了悬臂板梁主动控制优化设计模型，采用建立在一阶偏导数计算基础上的优化方法，利用MMA算法(移动渐进算法)对优化模型进行计算。最后在MATLAB中编程分别对粘贴了一对压电片和粘贴了两对压电片对悬臂板梁进行主动振动控制的优化模型进行求解，得到最优控制时压电片的布置位置与控制参数，并在MATLAB/Simulink中进行仿真。仿真结果表明，该方法对抑制悬臂板梁的振动是有效的。为了进一步验证该方法的正确性，搭建了实验平台对压电智能悬臂板梁的主动控制进行了实验分析。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

学位论文独创性声明及学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1引言

1.2智能结构的基本概念及应用

1.2.1智能结构的概念

1.2.2智能结构的组成

1.2.3智能结构的应用和发展前景

1.3智能结构的振动控制

1.3.1振动控制方法

1.3.2振动控制策略

1.4国内外对智能结构振动主动控制的研究进展

1.5本文研究的主要内容

1.6本章小结

第二章PZT材料特性及压电片与悬臂板梁的耦合分析

2.1概述

2.2压电材料及其压电特性分析

2.2.1压电材料的优点及种类

2.2.2压电陶瓷的弹性关系

2.2.3压电陶瓷的介电性质

2.2.4压电效应

2.2.5四类压电方程

2.3智能悬臂板梁结构的耦合分析

2.3.1智能悬臂板梁结构模型

2.3.2传感器与板梁的耦合分析

2.3.3致动器与板梁的耦合分析

2.3.4压电悬臂板梁的运动方程

2.3.5压电智能悬臂板梁的状态方程

2.4本章小结

第三章压电智能悬臂板梁优化模型的建立与计算

3.1概述

3.2优化模型的建立及偏导数分析

3.2.1优化设计准则

3.2.2悬臂板梁主动控制优化设计模型的建立

3.2.3目标函数对设计变量的一阶偏导数分析

3.3优化模型的求解与分析

3.3.1MMA算法过程及基本原理

3.3.2MMA算法总体流程框图

3.4计算过程的程序流程图

3.5实例计算

3.5.1在悬臂板梁上粘贴一对压电片进行控制时压电片位置与控制参数的优化

3.5.2在悬臂板梁上粘贴两对压电片进行控制进压电片位置与控制参数的优化

3.6本章小结

第四章压电智能悬臂板梁振动主动控制的实验研究

4.1引言

4.2实验原理及实验设备

4.2.1实验原理

4.2.2实验仪器

4.3实验及其结果分析

4.4本章小结

第五章论文总结与展望

5.1论文总结

5.2需要进一步完善的工作

参考文献

致谢

作者研究生期间发表的学术论文