Matlab基于压电陶瓷的柔性臂主动振动控制研究(3)
1.1 智能结构
1.1.1 智能结构的特点
智能结构是以具有仿生功能的智能材料为基本材料，使它具有我们所希望的智能功能，即具有感知外界或内部状态的变化，并能够识别其变化，然后通过某种控制算法做出适当的反应，使柔性结构能在最短时间内恢复到最佳状态。它是一种自我感知和自我控制的主动结构。从定义可知，智能结构具有感知、识别、优化和控制等四种能力。智能结构由传感器、致动器、控制系统组成，就像人的神经、肌肉和大脑[2]。这个系统类似生物，可以感知外界环境和结构内部状态并做出适当的反应。
传感器：它能够感知结构内部状态的变化，并可以直接将这种变化转换成电信号，最后以电信号形式输出。衡量传感器的品质主要指标有灵敏度、分辨率和宽带。因为传感器的测量精度、反应速度和灵敏度会直接影响到结构的性能，所以智能结构里的传感器的要求比较严格。制作传感器最常用的材料有光导纤文、碳纤文、压电元件等智能材料。
致动器：它能将控制系统输出的信号转换成相应的应变或位移，以实现结构振动的抑制。致动器要具有功耗小、弹性好、稳定性好、滞后小、容易实施、变形量大等特点。制作致动器最常用的材料有形状记忆聚合物、形状记忆合金、压电材料等智能材料。
控制系统：它由控制算法、计算机、信号处理系统组成，其中控制算法是最重要的部分。控制系统的控制效果直接反映智能结构的智能性，它也是智能结构振动控制的最重要研究内容之一。
1.1.2 智能结构的应用
智能结构是近年来新型高科技技术发展的产物，其特点是能感知外界环境和结构内部状态的变化，并可以通过改变其自身的物理参数对这些变化做出最佳的响应。智能结构在航空领域、军事领域、土木工程、汽车工业领域等领域的振动主动控制方面得到广泛的应用[3,4]，尤其是对未来航空航天器的设计的意义更为重要。智能结构在未来航空航天领域的重要应用有:敌方威胁的监视与预警系统、航空航天设备的损伤评估与寿命预测等。1995年美国对采用智能结构的F-15战斗机进行试验，其目的就是为了验证飞机损伤的自诊断能力、结构的主动振动控制、可精确调节尺寸的自适应改变机翼的飞行器设计、主动结构声控等[5]。
1.2 压电陶瓷传感器和致动器及其布置
近年来，采用智能材料的振动控制是振动控制领域的一个热门课题。智能结构被美国、日本、欧洲等发达国家高度重视，并投资大量的人力和物力专门展开这方面的研究[6]。而且智能材料结构被美国定位为未来先进武器的关键技术之一。智能材料具有体积小、质量轻、容易布置、应变量比较大等特点。各种智能材料的特点会决定他们的应用场合，所以要根据各种使用场合的要求来选择合适的材料。几个常用的智能材料的特点和工作机理如表1.1所示[7]。
表1.1 常用的智能材料的特性
序号 类型名称 工作机理 主要性能 应用场合
1 形状记忆合金 金属相变 响应慢，变形量大，力较大 柔性智能结构
2 压电陶瓷PZT 压电效应 响应快，激动功率小，力较小 板梁智能结构
3 压电聚合物PVDF 压电效应 响应快，力较小 板梁智能结构
4 磁致伸缩材料 磁致效应 响应快，力较大 柔性智能桁架