采用压电材料的振动主动控制

基于压电元件的振动控制技术研究摘要：振动控制一直都是机械、精密仪器、航空等领域研究的课题，在各种新型的减振技术被提出的同时，具有良好的机电耦合特性的压电材料也被广泛的应用在减振领域。

本文利用带压电分支电路的压电悬臂梁模型，研究了利用压电元件的压电效应特性对振动结构体振动被动控制的方法，运用Matlab对该模型进行了频率响应分析，利用Ansys对其进行了模态分析，实验分析了压电元件对机械系统振动特性的影响，验证了理论的结果。

关键词：机电耦合；振动控制；压电效应；分支电路0引言随着人们对减振技术的研究，压电元件对振动控制的研究受到了广泛的关注。

振动存在于人们的生活、工作等各个领域，往往带来的是一些消极的影响。

例如，振动以弹性波的形式传播，会产生噪声污染。

振动还影响着人们的日常生活和工业生产。

比如，工厂中各种机器设备的振动幅度若超出一定的范围，将会对操作人员的健康产生极大的危害；航空发动机叶片、叶轮的振动会减少发动机的寿命，使机械零件产生疲劳，重则还会危害飞行人员的安全等。

如此可见，振动带来的危害是不可小觑的，如何降低振动对周围环境设备和人体带来的危害就变得尤为重要。

1项目介绍有些机械由于结构的复杂，在研究和加工过程中，每个环节上出现误差，都很可能造成整机产生振动。

本课题主要利用压电元件良好的机电耦合特性，将压电片表面电极与控制电路相连，压电元件作为机械部分与电路部分的媒介，以被动控制的方式来达到减振的目的。

通过给振动结构体附加压电元件并外接一个电路，改变结构的动态特性，使系统振动产生的能量转化为电能并通过其他形式消耗掉，以此来改变固有频率、振动位移的幅值和振动的衰减率等，从而起到减振的效果。

当压电片等效的电容和连入电路中的电感元件组成谐振电路的谐振频率与系统的固有的共振频率相近时，则会起到吸震作用。

电阻分支电路电阻电感分支电路图1 压电分支电路2压电材料及压电效应压电材料具有正压电效应和逆压电效应的性质，不仅能作为制动器，也能作为传感设备。

浅谈压电材料在振动主动控制中的应用近些年来，随着科学技术的发展，人们对机械制造的要求越来越高，希望能够采用更加精确的加工实现更高的安全性、舒适度等要求。

振动在大多数情况下都是不利于机械使用的，比如对于车辆工程，在路况不好或发动机振动幅度大时，对乘客的舒适性就有一定影响；对于机械工程来说，机械系统振动幅度大会降低机械对元件制造精度的控制。

因此必须进行振动控制。

振动控制属于振动工程领域，分为主动控制和被动控制两类。

被动控制属于反馈控制，结构简单、易于实现，但是对于控制的效果和适应性较差；而主动控制不同，具有控制效果好、环境适应能力强等特点，弥补了被动控制的不足。

对此，文章将对压电材料在振动主动控制中的应用进行探讨与研究。

标签：压电材料；振动主动控制；应用研究1 压电材料的分类与特点压电材料指的是具有压电效应的材料。

根据材料种类进行分类可分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料三种，无机压电材料还可细分为压电晶体和压电陶瓷。

压电晶体一般指的是压电单晶体，即按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体，由于结构无对称中心而具有压电性。

比如石英、镓酸锂、锗酸锂等，都是压电单晶体。

目前投入使用的压电单晶体主要为非铁电性压电晶体石英，石英晶体具有机械品质因数高、频率温度系数小的特点；其次即为铁电性压电晶体铌酸锂和钽酸锂，它们的机电耦合系数大，且可在高温环境下使用。

压电陶瓷指的是用几种必须原料混合、高温炼制而成，由粉粒间的固相反应和烧结过程得到的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。

在上世纪50年代发明的锆钛酸铅（化学式，可简称为PZT）是至今使用最为广泛的压电陶瓷材料。

和压电单晶体对比不难发现，压电陶瓷的压电性强、介电常数高，加工成的形状也比较多样化。

但同时也具有机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差等不足之处，以内更适用于大功率换能器和宽带滤波器等应用。

有机压电材料又称为压电聚合物，以聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）为典型代表。

机器人末端执行器减振的方法1. 惯性减振法惯性减振法是通过增加惯性来减小振动幅度。

这种方法通常通过增加质量或者改变系统的惯性矩来实现。

例如，可以在末端执行器上增加重物来增加其惯性，从而减小振动幅度。

另外，还可以通过改变系统的结构设计来改变惯性矩，以达到减小振动的效果。

2. 主动控制减振法主动控制减振法是通过在系统中引入主动控制装置来减小振动幅度。

这种方法通常通过传感器实时检测振动信号，并通过控制装置对系统进行实时调节来实现。

例如，可以通过在末端执行器上安装加速度传感器来实时监测振动信号，然后通过控制装置对系统进行实时反馈控制，以减小振动的幅度。

3. 被动减振法被动减振法是通过在系统中引入被动减振装置来减小振动幅度。

这种方法通常通过在末端执行器上安装减振器或者减振材料来实现。

例如，可以在末端执行器上安装弹簧减振器或者阻尼材料来减小振动的幅度，从而达到减振的效果。

4. 结构优化减振法结构优化减振法是通过对系统的结构进行优化设计来减小振动幅度。

这种方法通常通过有限元分析和优化设计来实现。

例如，可以通过对末端执行器的结构进行有限元分析，找出振动的主要模态，并针对性地对系统的结构进行优化设计，以减小振动的幅度。

5. 智能材料减振法智能材料减振法是通过在系统中引入智能材料来减小振动幅度。

这种方法通常通过在末端执行器上使用智能材料来实现。

例如，可以在末端执行器上使用压电材料或者形状记忆合金材料来实现振动的主动控制，从而减小振动的幅度。

通过以上方法的应用，可以有效地减小机器人末端执行器的振动幅度，提高系统的稳定性和精度，从而更好地满足各种工业自动化应用的需求。

基于压电材料的主被动振动控制及参数优化的开题报告一、选题背景振动是普遍存在于各种工程结构中的重要问题，因为振动会导致结构的疲劳和损坏，甚至危及人员和设备的安全。

因此，探索振动控制技术是一个受到广泛关注的研究领域。

其中的主动振动控制技术基于能够产生力和/或挠曲矩的执行器，实现对结构振动的直接控制。

而被动振动控制技术则利用可以吸收振动的材料构建阻尼器，实现对结构振动的间接控制。

压电材料是一种被广泛研究的智能材料，其具有高机电耦合系数、宽频响应、快速相应、一致性好等特点，非常适合应用于主被动振动控制中。

二、研究目的和内容本研究的目的是通过使用压电材料来实现主被动振动控制，并对其参数进行优化。

具体内容包括以下几个方面：1.压电材料的特性研究。

通过实验和仿真分析压电材料的力学和电学性质，确定其在振动控制领域中的应用范围。

2.主动振动控制技术的研究。

使用压电材料构建主动振动控制系统，研究其控制效果和参数优化策略。

3.被动振动控制技术的研究。

使用压电材料构建被动振动控制系统，研究其吸振效果和参数优化策略。

4.主被动振动控制的比较研究。

对主动和被动振动控制系统进行定量比较，分析其特点和适用场景，为实际应用提供参考。

三、研究方法和技术路线本研究采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，具体的技术路线如下：1.压电材料的特性研究。

首先需要进行实验和仿真分析，得到压电材料的机电特性和变形效应，并确定最佳的工作条件。

2.主动振动控制技术的研究。

使用压电材料制作振动控制执行器，并根据理论分析和数值模拟进行参数优化。

3.被动振动控制技术的研究。

使用压电材料制作阻尼器，并根据理论分析和数值模拟进行参数优化。

4.主被动振动控制的比较研究。

使用实验和数值模拟进行比较，获取不同控制方案的控制效果和优缺点。

四、研究意义和预期结果本研究的意义在于探索新型压电材料在主被动振动控制中的应用，为振动控制技术的发展提供新的思路和方法。

预期取得的结果有以下几点：1.确定压电材料在振动控制领域中的应用范围和性能。

研究探讨 Research300 浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用邓尚久（湖北建艺风工程设计有限公司， 湖北 荆州 434000）中图分类号：G322 文献标识码：A 文章编号1007-6344（2020）04-0300-01摘要：近年来随着我国建筑行业的飞速发展，各种建筑结构逐渐向大型化、低刚度的柔性结构发展，而柔性结构在外界荷载作用下会产生较大幅度的振动，严重影响结构的正常使用功能。

为此，本文介绍了各种压电材料分类特点、基本工作原理、压电方程以及压电材料在结构减振控制中的减振方法，并回顾了目前压电智能材料在减振控制中的应用现状。

关键词：压电材料；压电方程；减振控制方法0 引言压电材料是一种新型的智能材料，它具有正、逆压电效应，即在受到外界荷载激励时会在材料表面会形成正负相反的电荷，电荷量的大小与外界施加激励成正比，当外界激励消失时，材料又处于不带电状态。

基于压电材料独特的正逆压电效应，将其作为传感器与作动器，直接布置在结构表面进行振动控制，缩减了振动控制时的中间环节，从而大幅提高控制效率。

1 压电材料的分类及特点从压电材料被发现以来，其种类也得到了极大地丰富。

目前主要包括压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、压电纤维复合材料等。

其中压电陶瓷与压电纤维复合材料作为两种重要的智能控制材料在振动控制中得到了越来越多的应用。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，1954年B·Jaffe 等人发现了具有良好的压电性能锆钛酸铅固溶体（PZT），由于其加工方便、价格低廉、灵敏度高、响应速度快等优点的被广泛的应用于大功率换能器、宽带滤波器和各类压电传感器[1]。

目前国内外利用压电陶瓷（PZT）进行减振控制方面的研究也已取得较为丰富的成果[2-3.]。

压电纤维复合材料是1996年由美国国家航空在基于复合材料的原理制作而成，因其压电性能好，柔韧性高被广泛地应用于结构振动控制、结构健康监测等领域。

Fiore 和Daniel 等将压电纤维复合材料用于单层和双层复合材料板的振动主动控制模拟实验上，结果表明压电纤维复合材料对结构振动有较明显的减振效果；Agrawal 和Brij 等利用压电纤维复合材料的压电效应，对船体的弯曲振动进行了主动控制，结果表明，压电复合材料能较好的减小船体的弯曲振动。

对压电作动器用于振动噪声控制的原理和控制方法进行分析讨论，并举例说明。

原理：压电材料是种具有力一电耦合性质的智能材料，能靠材料的正、逆压电效应实现能量转换。

压电材料的正压电效应是指，当对压电材料施加力使之产生变形时，它会产生电荷；压电材料的逆压电效应是指，当给压电材料施加电场时，材料会产生应变。

压电材料的这种特性使得它能很好地同时承担起感应器和作动器的功能。

压电主动控制的基本原理是以压电材料作为受控结构的传感器和作动器，由传感器感受因振动产生的结构应变，将其转变为响应的电信号，并通过一定控制规律产生控制信号，经放大后施加于作动器，由作动器将电能转换为机械能，从而实现智能结构的振动控制。

控制方法：控制方法即设计控制律所采用的控制理论及控制器分析和综合方法, 是振动主动控制的核心环节, 其最终任务是在满足各种实际约束的条件下, 使结构目标位置的振动水平达到最小。

（1）特征结构配置法。

特征结构包括特征值和特征向量, 闭环系统的特征值决定了系统的动态特性, 特征向量则影响着扰动输入对结构的激励能力以及结构上目标点或目标区域的响应水平。

通过同时配置系统的特征值和特征向量,可以增加结构阻尼,在一定范围内改变结构频率以避开扰动的主频段, 以及改善系统性能, 并降低控制能量消耗。

该方法可采用状态反馈或直接输出反馈, 首先将控制目标直接或间接地以理想的特征结构来表征, 构造适当的优化问题来求解最优反馈矩阵,控制器设计就体现在优化目标函数的构造方法上。

（2）线性二次最优控制。

它以控制输入和性能输出的加权二次型为优化指标, 兼顾了控制能量和控制性能, 理论形式简单, 物理意义清晰, 可以比较容易地求得解析形式的控制律, 因此在振动控制中被广泛应用。

王宗利等提出了一种状态相关方法, 针对模态坐标下的方程, 在控制过程中每隔一定时间根据各模态的响应动态调整优化指标中状态加权矩阵, 并在线重新求解反馈矩阵, 以加强对主要模态的控制能力。