Matlab基于压电陶瓷的柔性臂主动振动控制研究(4)
5 电致伸缩陶瓷 电致效应 响应快，力较大 柔性智能桁架
压电智能材料可以作为压电传感器和致动器，利用压电材料的正逆压电效应来实现振动控制。压电效应是由J.居里和P.居里兄弟在1880年发现的，而关于压电材料最早的全面评述则由W.G.Cady发布[8]。压电材料沿某一方向被施加力会产生微小的形变，此时压电材料的表面产生一个电信号，这种将结构的形变转换成电信号的效应称为正压电效应。而如果压电材料在外电场作用下将产生结构变形则称为逆压电效应。压电传感器利用压电材料的正压电效应，而致动器是利用压电材料的逆压电效应。压电陶瓷是人造的压电材料，比较常见的压电陶瓷材料有钛酸钡、锆钛酸铅等。常用的压电材料的性能如表1.2所示[9]。
表1.2 常用的压电材料性能
石英 钛酸钡 PZT
压电系数/pC/N d11=2.31
d14=0.73 d15=260
d31=-78
d33=190 d15=670
d31=-185
d33=600
相对介电常数 4.5 1200 2100
居里点温度/度 573 115 260
密度/103kg/m3 2.65 5.5 7.5
弹性模量/109N/m2 80 110 117
机械品质因数 105-106 80
最大安全应力/105N/m2 95-100 81 76
体积电阻率 >1012 1010 1011
最高允许温度 550 80 250
最高允许湿度/(%) 100 100 100
压电陶瓷在智能结构领域中占据很重要的位置，它在智能结构的应用中有几个很突出的特点:质量轻、频率范围宽、适应性强、功耗低、易于加工适用于柔性结构、具有比较好的线性关系等。而且因为具有正逆压电效应，所以压电陶瓷既可以作为传感器也可以作为致动器，使得智能结构的制造变得很方便。更是因为压电技术已经是很成熟的技术，因此压电陶瓷被广泛的应用于智能结构的传感器和致动器[10]。
在柔性结构的振动控制中，传感器和致动器的布置非常重要。传感器和致动器的个数和位置会直接影响到控制系统的可控性、可靠性、稳定性。所以传感器和致动器要进行优化配置，这是柔性结构的振动控制中的一个重要环节。本系统采用8个压电片，其中两片对称布置在悬臂梁的中部作为系统的传感器，另外吹冰片对称布置在悬臂梁的根部作为系统的致动器。
1.3 振动控制方法
柔性结构的振动控制算法与系统工作的可靠性和稳定性有着很密切的关系。柔性结构在实际运行中都会受到环境的影响，产生有害的振动，如果不采取措施来抑制振动则会影响到各个部件的性能和寿命，甚至可能导致各个部件不能正常工作或失效。因此，为了提高工作效率则要对柔性结构的振动进行实时控制[11]。目前针对柔性结构振动的控制方法可分为三类：被动控制、主动控制和主被动混合控制。
1.3.1 被动控制
被动控制是通过增大结构的阻尼的方法来进行振动抑制，被动得吸收、消耗振动能量来实现振动控制的目的。由于被动控制技术具有不需要来自外界的能量、结构简单、容易实现、经济性好等特点，因此在很多工程领域中得到了广泛的应用。但随着科学的发展，对柔性结构的振动控制提出越来越高的要求，所以采用传统的被动控制对智能结构进行振动抑制已经难以满足控制要求。其原因在于被动控制存在局限性、对环境变化缺少自适应能力、不具有随着环境变化进行调节的能力、缺少控制的灵活性、阻尼的增加也有限。对于频率范围宽、低频或超低频及随机宽带的振动，被动控制不能有效地进行抑制，不适用于频率变化很大的振动。而且，被动控制系统很庞大，不能满足智能结构的轻型化、柔性化的发展方向。由于以上原因，采用智能材料的主动控制系统或主被动混合控制系统是未来控制领域的发展趋势。