一种逆优化设计振动控制作动器的数目和位置的方法

在建立了悬臂梁上粘贴压电陶瓷片实现振动控制的动力学方程的基础上，研究了一种逆优化设计作动器／传感器的数目和位置的方法；用压电陶瓷作为自传感器作动器，以悬臂梁的振动控制为研究对象，要求振动控制系统具有一定的模态阻尼比，并以作动器控制力最小为目标函数，优化设计作动器／传感器的数目和位置。最后通过数值算例证明了该方法的有效性。     

一种新型压电作动器的设计及其特性研究

提出了一种新型压电作动器,这种作动器由一片压电片粘贴在一个弓型梁金属底座上构成.对其变形放大原理进行了理论分析,实验测定了这种压电作动器自由状态下输出变形随驱动电压变化曲线.推导了约束状态下该作动器的输出作动弯矩与驱动电压的关系式;实验测得了约束状态下其中点位移响应幅频特性曲线.实验结果表明本文设计的新型压电作动器与传统压电片作动器相比具有较大的变形输出,具有较宽的稳定工作频率范围,而所需的驱动能量与传统压电片作动器相同,同时在使用上具有可预制、安装方便、可拆卸、对结构表面适应性好等优点.     

支架振动主动控制的实验研究

用实验方法研究了支架振动主动控制。结果表明，用压电陶瓷片作传感器和作动器，采用速度反馈控制，无论是谐和激励还是随机激励，支架振动都能得到有效抑制。振动控制中压电陶瓷片作传感器既简便易行，又减少了附加质量对被控结构动态特性的影响。     

旋转运动柔性梁的时滞主动控制实验研究

对旋转运动柔性梁的时滞主动控制进行实验研究,验证时滞反馈控制的有效性. 实验中采用交流伺服电机带动柔性梁旋转运动,柔性梁上粘贴有压电作动器,用于控制梁的弹性振动. 实验研究考虑如下3种情况:(1)仅使用电机扭矩进行控制,电机扭矩存在时滞;(2)使用电机扭矩和压电作动器同时控制,仅压电作动器存在时滞;(3)使用电机扭矩和压电作动器同时控制,电机和压电作动器存在不同的时滞量. 重点通过实验验证时滞反馈控制的可行性和有效性.      

采用压电机敏元件进行结构振动控制Ⅲ：控制系统设计与实验研究

采用作者在上篇导出的压电耦合体动力学模型，给出了压电主动阻尼控制系统的设计方法；导出了压电耦合梁系统的作动方程和检测方程的显式表达式。以此为基础，以简单梁为对象，对压电检测器和作动器的性能、粘结层的影响、压电主动阻尼控制及压电主、被动阻尼双控制进行了实验研究     

基于菱形压电作动器和内模控制策略的微振动隔振研究

提出了一种以菱形压电作动器为隔振元件,并结合内模控制策略的微振动主动隔振方法。首先设计并分析了菱形压电作动器,分析其力电耦合特性;以单自由度主动隔振系统为例,建立了隔振系统的动力学模型。在此基础上,设计了基于内模控制的主动隔振策略,进行了含有模型误差、迟滞等多工况的数值仿真分析。仿真结果表明,隔振位移传递率最大可达94%。菱形压电作动器结合内模控制策略的振动主动控制技术具有较好的隔振能力,为进一步微振动平台的主动隔振设计与实验研究奠定了基础。     

层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景.由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一.为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法.基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标.优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法.优化问题采用基于梯度的数学规划法求解.数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.     

飞机结构振动主动控制应用技术

阐述了以压电材料作为感受器与作动器进行真实飞机结构振动主动控制的一些应用技术,利用这些技术进行了真实飞机座舱结构的主动振动控制地面试验研究,取得了很好的控制效果.     

双向变步长大位移压电作动器

提出一种基于蠕动式运动原理的新型双向变步长的大位移压电作动器,建立了该作动器的动力学模型。在30Hz作动频率下,采用MATLAB-SIMULINK软件进行了仿真。设计了含有高电压驱动器的作动器实验系统,作动器样机整体机构由嵌位部分、作动部分和轨道间距微调部分组成。研究结果表明,该作动器实际可提供±8mm的双向往返运动,实际作动曲线与计算机仿真结果在0.1μm级精度条件下吻合良好。     

A new type of micropump driven by a low electric voltage

In this paper, we propose a new prototype model of a micro pump using ICPF (Ionic Conducting Polymer Film) actuator as the servo actuator. This micro pump consists of two active oneway valves that make use of the same ICPF actuator. The overall size of this micro pump prototype is 12mm in diameter and 20 mm in length. The actuating mechanism is as follows: (1) The ICPF actuator as the diaphragm is bent into anode side by application of electricity. Then the volume of the pump chamber increases, resulting in the inflow of liquid from the inlet to the chamber. (2) By changing the current direction, the volume of the pump chamber decreases, resulting in the liquid flow from the chamber to the outlet. (3) The ICPF actuator is put on a sine voltage, the micro pump provides liquid flow from the inlet to the outlet continuously. Characteristic of the micro pump is measured. The experimental results indicate that the micro pump has the satisfactory responses.     

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

A comparative study of piezoelectric unimorph and multilayer actuators as stiffness sensors via contact resonance

Piezoelectric bar-shaped resonators were proposed to act as hardness sensors in the 1960 s and stiffness sensors in the 1990 s based on the contact impedance method.In this work, we point out that both multilayer and unimorph(or bimorph) piezoelectric actuators could act as stiffness/modulus sensors based on the principle of mechanical contact resonance. First, the practical design and the performance of a piezoelectric unimorph actuator–based stiffness sensor were presented. Then the working principle of piezoelectric multilayer actuator–based stiffness sensors was given and verified by numerical investigation. It was found that for these two types of resonance-based sensors, the shift of the resonance frequency due to contact is always positive, which is different from that of the contact impedance method. Further comparative sensitivity study indicated that the unimorph actuator–based stiffness sensor is very suitable for measurement on soft materials, whereas the multilayer actuator–based sensor is more suitable for hard materials.     

相似电路耦合模型及其在压电—梁结构分析中的应用

根据线性系统微分方程的相拟性确定机械系统的相似电路,由压电材料的本构和动力方法确定压电材料作为电耦合的变压器,从而用一具耦合的电路系统模拟智能结构的电学和力学行为,通过一个压电－梁智能结构的分析,证明了模型的可用性。     

正弦交流介质阻挡放电等离子体激励器诱导流场研究的进展与展望

正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术,具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点,在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景.针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题,本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展.在诱导流场空间结构方面,发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性,辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制;从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量,发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象,提出了声激励机制;在时空演化过程方面,阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡,最终形成准定常射流的完整演化过程;在演化机制方面,结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制.其次,围绕激励器诱导流场,进一步凝练出下一步研究重点,为突破等离子体流动控制技术瓶颈,打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路,实现工程应用提供支撑.     

电磁极宽度对圆柱绕流场影响的数值分析

在雷诺数Re=200的情况,利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,在各种电磁力作用参数和电磁极宽度的组合下,对表面覆盖电磁极圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,当电磁极宽度较小时,圆柱体绕流场的分离点越容易接近后驻点,而电磁力对总阻力的影响并不明显,但对压差和摩擦阻力均有明显影响.当电磁极宽度较大时,圆柱体尾部区域越容易产生射流现象,而且总阻力随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而减小.在电磁力尚不足以完全抑制周期性涡脱落的情况下,升力幅值随电磁力作用参数增大而减小,但随电磁极宽度则先减小后略有增加,升力脉动频率则均随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而增加.研究表明,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小圆柱体阻力并抑制其脉动升力之目的,因此是圆柱型结构的一种有效流动控制手段.     

A rotary pneumatic actuator for the actuation of the exoskeleton knee joint

Rotary pneumatic actuators that are made out of linear one are always best suited for exoskeleton joint actuation due to its inherent power to weight ratio. This work is a modified version of knee actuation system that has already been developed and major modifications are made in order to make it more suitable for human wearing and also to reduce its bulkiness and complexity. The considered actuator system is a rotary actuator where a pulley converts the linear motion of the standard pneumatic piston into the rotary motion. To prove the capability of the actuator, its performance characteristics such as torque and power produced are compared to the required torque and power at the knee joint of the exoskeleton in swing phase and are found to be excellent. The two-way analysis of variance(ANOVA)is performed to find the effect of the throat area valve on knee angle. The ANOVA shows the significant effect of the throat area variation on the knee angle flexion made by the proposed actuator. A relationship between the throat area of flow control valve, that is connected to the exit port of the direction control valve, and angular displacement of the knee joint has been formulated. This relationship can be used to design a control system to regulate the mass flow rate of air at the exit and hence the angular velocity of the knee joint can be controlled.     

线性分布荷载作用下梯度功能压电悬臂梁的解

采用逆解法求解了上表面受线性分布荷载作用的压电悬臂梁执行器，其中体积力$F_z$ 呈非线性分布. 首先确定了应力函数和电位移函数的多项式表达式，进而研究了该问题的 通解，以及体积力的不同分布对解答的影响. 常体积力和无体力情况下的解可以由上述 解直接得到. 本文为研究其它类型的压电梯度微观结构提供了一种可行的方法.