压电智能结构的研究进展

压电智能结构是目前智能结构的研究热点之一，有着广阔的应用前景， 取得了丰富的研究成果。文章综述了压电智能结构中传感器和执行器、动力学建模以及应用研究等方面的进展，并提出了压电智能结构工程实用化过程中必须解决的几个问题。     

分布传感／执行器智能梁的振动控制及APDL仿真

研究了分布传感／执行器智能梁模型的振动控制问题。传感器和执行器选用了压电薄膜PVDF,控制律根据直接位移反馈、负速度反馈和Lyapunov速度反馈设计。研究表明,在本文讨论的悬壁梁模型中,分布执行器控制的效果等效于自由端施加变化的控制力矩,而且速度型反馈明显优于位移型反馈。另外,在仿真的过程中,利用了ANSYS的参数设计语言APDL（ansys parametric design language）,为复杂三维结构的控制仿真开辟了一条可行的途径。     

基于ARX模型的压电智能结构振动预测控制

采用预测控制法对压电智能结构的振动主动控制进行了实验研究，通过实验方法建立了系统的ARX模型，并在此基础上设计了预测控制器对结构进行振动主动控制。实验结果验证了该方法在压电智能结构振动主动控制中的可行性和有效性。     

压电智能层合结构噪声主动控制的实验研究

根据噪声主动控制原理，建立了压电智能层合结构噪声主动控制模型，在隔声箱内部激励分别单频、多频情况下，进行了噪声控制实验研究。研究表明，在50～450Hz的频段内取得了良好的降噪效果，其中在80Hz的最大降噪达到26．4dB，且控制系统具有很好的稳定性。     

压电微执行器在硬盘伺服系统的应用研究

介绍一个硬盘双伺服控制系统的设计和实现。双伺服系统是在硬盘固有的音圈电机上附加了一个压电微执行器,用来执行更快捷、精确的磁头定位。对音圈电机的控制设计采用了一种线性反馈控制技术,结合扰动估计和补偿实现快速、平稳和无静差的设定点跟踪。基于开环逆控制的思想,微执行器环路的控制采用定值比例及滤波器,使得合并的位移输出能更快地跟踪设定点(磁道)。仿真和实验结果证明双伺服控制系统可以实现更快速、精确的磁头定位。     

智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：（一）压电主动构件设计

基于压电材料的压电作动效应，设计了一种可用于智能桁架结构振动控制的直线式压电主动构件，讨论了设计理论、参数选取及其对压电主动构件性能带来的影响。     

叉指形电极压电执行器的热弹性比拟分析方法

通过对比分析逆压电效应本构方程和热弹性体本构方程,将压电执行器的驱动电压比拟为温度载荷,压电应变系数比拟为正交各向异性的热膨胀系数,则叉指形电极压电执行器的静态位移可采用热弹性有限元法分析。由于叉指形电极的电场导致局部的非均匀和非线性,在热弹性比拟法中,需引入修正系数对热膨胀系数进行修正。数值算例和实验结果表明,热弹性比拟法在叉指形电极压电执行器的静态仿真中是简单有效的。     

智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：（二）压电主动构件的实验

通过实验研究了压电主动构件的工作性能：输出位移、输出力特性及其相关问题。针对压电主动构件的力学输出量与其驱动电压的非线性关系，提出了一种在驱动电路中串联电容的方法，来改善这个非线性特性和减小相位滞后问题。     

智能电动执行器电机速度控制方法的研究

智能电动执行器为了实现柔性关断,和对被控量的微调的作用采用了比较实用的而且可行的电机调速.在交流电机调速系统中,通过改变电机的供电频率可以实现控制电机转速的目的,而实现电机调速使用的最优变频控制方法就是直接转矩式.直接转矩控制解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变化影响等不足的特点,是一种高静、动态性能稳定的的交流调速方法.省掉了电机坐标的旋转变换,使电机数学模型的计算得到简化,使控制手段更直接,具有动态反应迅速,结构简单,易于实现等优点,是一种具有优良静动态特性的交流调速方法.     

智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究:(三)压电主动构件动力学建模

压电堆是压电主动构件的核心作动单元。文章基于压电弹性体的本构关系和一维杆波动理论，考虑其自感应电场的影响，首先推导出压电堆的动力学模型。在此基础上，利用力学等效原理，建立了压电主动构件的等效动力学模型，揭示了压电主动构件的力学工作特性，实验结果表明该等效动力学模型是合理的。     

基于ANSYS的压电智能梁仿真分析

运用ANSYS软件进行压电智能梁结构的有限元分析和优化设计。在ANSYS软件中建立智能梁结构模型,并进行有限元分析,得到梁的各阶模态,然后进行梁的谐响应分析及瞬态动力学分析。针对不同模态下,采用一片压电陶瓷不能控制其振动,在不同位置安装多个驱动器来进行减振试验,得到梁的各阶模态下驱动器放置的最优布局及减振结果。     

基于LS-SVM的压电智能结构损伤主动监测

基于被动监测技术的局限性,搭建了损伤主动监测系统,对监测信号进行了功率谱密度最大值(PSM)特征提取,并提出了一种基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的损伤检测方法。采用该方法,对压电智能复合材料层板进行了损伤定位的研究,并与改进的BP网络进行了对比,结果表明:在相同性能指标下,LS-SVM有比BP网络更高的损伤定位精度及更强的泛化能力。LS-SVM与主动监测技术的融合,为结构实现在线实时准确监测提供了一种新途径。     

多层压电执行器输出位移的模糊神经元PID控制

为了提升压电执行器输出位移的性能,该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先,分析了压电悬臂梁执行器机电特性,搭建其动力学模型;其次,将模糊算法、神经元、PID三者相结合,设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器;最后,对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真,并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明,压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s,且无超调,稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0;在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时,跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差,并使其具有抗干扰能力强,响应迅速,无超调量等优点。     

基于结构一体化的压电尺蠖直线电机设计

为使装配与调节过程易于实现,基于结构一体化思想设计了压电尺蠖直线电机。首先,采用三角放大结构对箝位机构进行了设计,并采用柔性薄板和柔性折叠梁对驱动机构进行了设计,所设计电机的箝位机构与驱动机构被集成为一体,可降低对机体加工与装配的精度要求;其次,采用有限元法对电机的位移放大倍数、应力与模态进行了分析;最后对电机的静、动态特性分别进行了测试。结果表明,电机位移具有良好的线性,最大单步位移为8.24μm,电机的分辨率为10 nm,最大运动速度为0.17 mm/s。     

基于压电材料的智能天线结构控制实验研究

基于dSPACE半物理仿真系统和所研制的压电作动器,设计并构建了智能天线结构实验平台,进行了变形控制实验研究。实验中采用比例积分微分(PID)闭环控制法,分别作了结构节点的变形恢复、扰动时位置的保持和阶跃位移的实验。结果表明,在所给的实验条件下,基于压电材料可实现对智能天线结构变形的控制,作动器控制变形量最大可达166μm,绝对位置控制精度达到±0.4μm。     

基于双压电执行器的高频响伺服刀架实现研究

目前应用压电执行器的快速伺服刀架只能提供单向的驱动力,回复时间长,据此提出了一种双压电执行器构造的高频响伺服刀架。采用经典PI迟滞模型和其逆模型分别对2个压电执行器进行建模,在此基础上实现2个执行器的联动控制。为了提高控制精度,对经典PI模型进行改进,使其具有动态和非对称性。有限元软件分析得到该刀架的响应速度为10.21mm/s。最后实验结果表明刀架的响应速度为9.62mm/s。     

含传感器脱粘损伤的智能结构响应特性分析

采用HHT方法对表面粘贴了压电传感器的复合材料悬臂梁进行模态时频域分析,得到结构响应瞬时频率和Hilbert谱,分析了压电片与复合材料基体间不同程度的局部脱胶对结构动态特性的影响。作为比较,还给出了结构试验模态分析和有限元分析结果。研究结果表明,传感器局部开胶对结构的瞬时频率和模态频率等均有明显的影响。与传统方法相比,HHT分析的结果准确稳定,变化趋势清晰,且具有明显的物理含义。     

智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：：（三）压电主动构件动力 …

压电堆是压电主支构件的核心作动单元。文章基于压民弹性体的本构关系和一维杆波动理论，考虑其自感应电场的影响，首先推导出压电堆的动力不模型。在此基础上，利用力学等效原理，建立了压电主动构件的等效动力学模型，揭示了压电主动构件的力学工作特性，实验结果表明该等效动力学模型是合理的。     

基于再生核LS SVM的压电智能结构冲击定位分析

根据支持向量机核函数的构造条件及Hilbert空间再生核理论,构造了一种新型核函数,并与改进的最小二乘支持向量机(LS-SVM)相结合,从而形成再生核LS-SVM学习方法.采用一阶剪切变形理论及有限单元方法,对压电智能复合材料层板进行低速冲击压电响应数值仿真,并进行了特征提取.基于各压电传感器响应信号特征,采用再生核LS-SVM方法,对压电智能复合材料层板进行了冲击定位分析,并与高斯核函数(RBF)的LS-SVM法进行对比.结果表明,在同等条件下,相比于RBF核LS-SVM,再生核LS-SVM具有更高的冲击损伤定位精度及更强的推广能力,该仿真方法可为实际结构的冲击损伤位置自诊断提供指导.     

GaN/AlN量子点结构中的应变分布和压电效应

从Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体压电极化对应变的依赖关系出发,采用有限元方法计算了GaN/AlN量子点结构中的应变分布,研究了其自发极化、压电极化以及极化电荷密度.结果表明,应变导致的压电极化和Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体所特有的自发极化将导致电荷分布的变化,使电子聚集在量子点顶部,空穴聚集在量子点下面的湿润层中,在量子点结构中产生显著的极化电场,并讨论了电场的存在对能带带边的形状以及能级分布的影响.