张奔牛[1]2003年在《传感和致动装置/结构中的多物理量耦合问题》文中研究说明利用物理量耦合把一种物理量信号转换成另一种容易识别的信号或者把一种控制信号用另外的物理量信号表达出来是传感器/致动器的一个基本特征。而力/电耦合传感/致动效应和电/磁耦合传感效应是研究传感/致动效应的两个重要方面。本文的两个部分分别研究了一种力/电场量耦合传感/致动效应和一种电/磁场量耦合传感效应传感器。在本文第一部分，作者首先建立了能够同时考虑压电层中横向和纵向电场，层间正应力和剪应力分布的弹性-压电结构单层模型。这一模型能够精确地分析压电层较薄时压电传感/致动效应，有效地弥补了通常薄膜/基体理论中无法确定层间正应力（造成分层起始的主要原因）的缺陷。为了能够处理单层模型中的强奇异积分-高阶微分方程组，我们发展了一种包括了数值积分方法、有限差分方法及弱化强奇异方法的强奇异积分-微分方程组融合数值解法。利用这一算法和力-电全耦合单层结构模型，对一种PZT-5H压电传感/致动结构的电场和力场情况进行了分析。结果显示：无论压电陶瓷作为传感器还是致动器，在压电层的左右两边界附近，电场强度都有一个较严重的扰动。所以不能简单的假设压电材料层的电场强度为均匀的。在基体和压电陶瓷层间界面的顶部附近，压电致动器的层间正应力和层间剪应力都有应力集中，但由于正应力的值远远大于剪应力，表明层间正应力是层间脱落发生的主要因素。当压电传感器厚度增加时，输出电压会有所增加。压电传感器长度增加，输出电压也会有所增加，并且这一变化会随压电片的厚度减少而减小。当压电片厚度为0.01mm时，长度几乎不对输出电压产生影响。由于压电片很难做到这样的厚度，因此实际应用时必须考虑压电片长度的影响。为了进一步讨论压电层较厚的情况，作者把压电层分成多个厚度相同的细分子层，进一步导出了力电耦合多层结构的控制积分-微分方程。并再次用PZT-5H压电陶瓷为例，对压电传感器、致动器的电场，致动器的层间力场和传感器的输出电压进行了讨论。结果显示：对压电致动器，单位电压加载产生的电场值随压电层厚度增加而减少，边界的电场扰动范围随压电层厚度增加而增加；对压电传感器，单位应变加载产生的电场值随压电层厚度增加只略有减少，边界的电场扰动范围随压电层厚度增加而增加；随着压电致动器厚度增加，层间应力值有所下降。<WP=6>但层厚越大，层间正应力的影响就越大；相同比例的压电传感器输出电压随尺寸增加而增加，并且电压值与尺寸（长度或厚度）近似成线性关系。在第二部分中，作者提出了一种新的磁场传感效应：磁频传感效应的原理。推导出传感器输出频率变化与穿过电感探头的磁场变化引起的磁芯磁通率成正比且传感灵敏度将随磁场频率的升高而增加的磁频传感效应，即。用一个单摆实验和一个外加磁场检测试验验证了磁频传感效应传感器的灵敏度和传感特性。实验表明：磁频传感器至少能够检测到的磁场；能够有效的反映磁场变化的速度；为标量传感器。并且相对于其它磁场传感器，这一传感器具有以下的特点：能够同时测量动态和静态磁场；精度高。在现有磁场传感器中，只有量子干涉传感器比之灵敏度高。而绝大多数磁场传感应用都没有必要达到超过Gauss的灵敏度；价格便宜；体积小，使用方便。由于电路简单，且可以集成，加上屏蔽设备后甚至可以手持使用。为了更进一步探讨磁频磁场传感效应的应用，我们分别探讨了利用磁频传感效应传感器探测心脏磁场、腹腔磁场引起的生物磁场变化的可行性。结果表明：磁频传感器确实能够有效的检测到心脏和胃部磁场信号，正确的反映出这些部位磁场的变化；磁频传感器测出的心磁图信号与心电图信号及SQUID心磁图信号非常相似。但磁频传感器相对前面两种方法具有价格便宜和操作方便的优势；磁频传感器很有可能被用于这些方面的疾病诊断。但是否能够达到疾病诊断的效果，尚需进一步的临床验证。
俞洁[2]2006年在《智能悬臂梁压电片布置与振动主动控制技术的研究》文中进行了进一步梳理压电材料作为一种新型的智能材料,以其良好的机电耦合特性,在结构主动振动控制领域得到了广泛应用。本文以压电悬臂梁振动系统为研究对象,利用压电材料的正、逆压电效应,分析了压电片和悬臂梁之间的相互耦合关系,建立了压电悬臂梁的机电耦合动力学模型和基于闭环控制系统的状态方程,并研究了反馈控制增益、压电片位置及压电片长度对柔性梁振动控制性能的影响,获得了反馈控制增益、压电片位置、压电片长度与振动能量、控制能量的关系曲线,为压电智能悬臂梁的振动控制系统的设计提供了依据。在此基础上,本文进一步研究了同位布置多对压电传感/致动元件的悬臂梁关于压电传感/致动单元对的布置、长度和控制增益的优化设计模型,并利用MMA(the method of moving asymptotes)算法对压电片的位置、尺寸和控制增益进行了优化计算。最后,搭建了压电悬臂梁结构主动振动控制的实验平台,对理论分析结果进行了验证。
邢峰[3]2010年在《车身板件压电式振动主动控制技术研究》文中指出近年来,随着轿车市场的不断扩大和人们生活水平的逐步提高,人们对轿车乘坐的舒适性要求越来越高。采用主动控制方法控制车身板件的振动,在车身结构中集成传感器和致动器,实现结构、传感器和致动器一起协同工作,利用致动器的外加能量主动地对非工作能量进行控制,可以有效提升轿车的乘坐舒适性。压电主动控制技术利用压电材料的双向特性,对结构振动进行控制,具有高效率控制和自适应性的优点,近年来引起了人们的极大兴趣。本文以车身板件结构的减振为研究目的,在参考国内外振动主动控制研究成果的基础上,采用压电式主动控制方法,对车身板件的振动主动控制技术进行了研究和探索。论文的主要内容如下:(1)查阅国内外文献资料,对压电智能结构振动主动控制技术的应用现状及结构振动主动控制方法的研究现状进行了阐述。(2)通过对压电材料的基本性能及其特性的分析,推导了压电方程和压电薄板的传递函数模型,并对压电元件的优化选位进行了分析。(3)运用MSC.PATRAN/NASTRAN软件对车身板件进行有限元建模,并对其进行了模态分析和动力学分析。(4)在MATLAB软件的Simulink模块中建立了振动主动控制仿真模型,分别应用PID控制法、模糊控制法和模糊PID控制法进行控制仿真研究。(5)搭建了对轿车车身进行自适应隔振的实验平台,应用LabVIEW软件编写了信号采集及振动控制程序,对自适应隔振装置实体进行实验,得到明显的隔振效果。论文以压电元件分别作为传感器和致动器,对车身板件振动主动控制理论与技术进行了分析。研究结果表明,应用压电式主动控制技术,可以有效抑制车身板件的振动,实现减振目的。
刘迎伟[4]2007年在《静电微泵理论设计及动态分析》文中认为作为微电子机械系统(MEMS)的重要组成部分,微流体系统是指在微观尺寸下控制、操作和检测流体的技术。微泵作为微流体的核心器件,得到了快速的发展。本文以静电微泵为对象进行较为广泛而深入的研究。分析尺寸效应的研究内容,研究微流体特性物理量的尺寸效应。给出常用物理量的尺寸效应。以固支梁为例,建立F-V类比法等效电路,给出管道的等效电路图。对于MEMS器件的研究提供依据。利用板壳理论建立微泵泵膜的变形方程,建立泵膜的自由振动方程的数学模型,分析阀单元的组成和分类,对单向阀和无阀微泵采用的扩散口/喷嘴进行建模。对微泵的流量和压力两项重要特性进行理论分析,得到流量与压力的数学表达式。这对微泵的研究有重要的指导作用。建立尺寸效应的绝对值、相对值和灵敏度的泛函表达式,定性的分析初等函数的尺寸效应研究方法。建立静电力的计算公式,利用泛函分析静电力的尺寸效应。证明静电力具有快的响应速度和较高的功率能量密度。分析静电吸合现象,给出吸合电压的计算公式,以圆形泵膜为例,研究吸合电压的尺寸效应及泵膜几何尺寸对吸合电压的影响,得到静电间隙与泵膜厚度对吸合电压呈现正尺寸效应,其中吸合电压对静电间隙的灵敏度较大;泵膜半径则呈现负尺寸效应。这为静电致动器的精确控制与设计提供依据。采用ANSYS软件对静电无阀微泵进行动态分析。通过耦合分析,确定在一定范围内,膜片挠度和致动电压呈一定线性关系,电压越高挠度越大,得到膜片厚度越薄,产生的体积变化越大。确定膜片厚度和固有频率呈线性比例,膜片越厚,固有频率越高,得到微泵的理论输出流量和输出压力。通过适当降低泵膜厚度,提高微泵致动电压,使微泵致动频率与泵膜一阶固有频率相接近,来提高微泵的工作效率。分析静电微泵泵膜的等效电路。这对微泵的理论设计有着重要的参考价值。
娄军强[5]2013年在《基于压电致动器的空间柔性机械臂系统的轨迹跟踪与振动抑制一体化控制研究》文中研究表明空间柔性机械系统的轨迹跟踪和振动抑制问题是当前柔性结构和航天科技领域中及其重要又富有挑战性的课题。本学位论文在国家自然科学基金的资助下,以空间柔性机械臂系统的运动控制和振动抑制技术为研究背景,以一类由压电致动器/传感器、伺服电机减速器驱动结构和柔性臂等构成的典型智能空间柔性机械臂系统为研究对象,研究了伺服电机和压电致动器联合作用下柔性臂系统的动力学特性,并建立系统的动力学模型和驱动模型；解决了系统中致动器/传感器的优化配置问题；深入研究了空间柔性机械臂系统的抑振轨迹规划机理和优化算法；确定了柔性臂系统的运动控制策略和振动抑制策略,最终实现了在伺服电机驱动和压电致动器主动控制下空间柔性机械臂系统的轨迹跟踪和振动抑制一体化控制。提高了系统的运动控制精度和工作效率。以一类包含伺服电机、减速器、柔性臂、末端操作对象以及压电致动器/传感器在内的空间柔性机械臂系统为研究对象,基于假设模态法和Hamilton原理建立了系统的动力学方程。并对伺服电机的驱动机理进行研究,提出了考虑摩擦力矩、减速器及柔性臂弹性振动的耦合反力矩的伺服电机机电耦合模型。基于线性二次最优控制理论,提出了致动器/传感器的复合优化配置准则,该准则包含两个控制指标：①综合柔性臂弹性振动能量、压电致动器控制能量,系统刚体转动能量、以及伺服电机驱动能量的LQR综合能量指标；②致动器引入对系统特性影响的系统结构固有频率变化率指标。然后采用改进的多岛遗传算法得到了不同频率变化率指标下,一组、两组压电致动器/传感器的尺寸、位置和控制增益的最优配置结果。从系统动力学方程出发,揭示了伺服电机驱动、压电致动器主动控制下空间柔性机械臂系统的抑振轨迹规划机理,提出了包含系统柔性部分激振力矩和刚性部分驱动力矩的综合指标。并选择激起柔性臂振动较小的五次多项式样条函数作为轨迹优化的基础曲线和插值曲线,利用改进的多岛遗传算法对空间柔性机械臂系统的运动轨迹进行优化,得到了综合指标最小的最优抑振轨迹。引入奇异摄动因子对系统动力学方程进行分解,分别推导得到系统基于奇异摄动模型的快、慢子系统动力学方程。针对快、慢子系统在各自时标下的动力学特性,对具有强耦合性及强非线性的慢变子系统提出模糊滑模控制策略；而对由于模态截断带来模型不确定性以及多模态特性的快变子系统采用分级自适应模糊PID控制策略,从而实现了空间柔性机械臂系统在伺服驱动电机和压电致动器联合控制下的轨迹跟踪和振动抑制一体化控制,提高了系统的运动精度和操作效率。
岳俊洲[6]2018年在《压电悬臂梁系统振动主动控制研究》文中提出节约原材料和能源的同时如何提高能效已经成为了全球科技、军事和经济发展面临的重要研究课题。航空航天结构大量地采用轻型化材料,同时一系列的的使用问题也随之产生:结构模态阻尼系数的减小、结构刚度的减小、大振幅或持续的振动响应等问题给系统的使用寿命和精度带来了严重影响。另一方面,近些年来,一种新型的智能材料—压电材料,由于它优异的电学、力学特性—机电耦合特性,使其频繁应用于结构振动控制领域。基于上述情况,为了有效地抑制柔性结构的振动,本文以柔性结构中比较经典和简单的悬臂梁结构为被控对象,分析了其动力学特性和模态特点,结合压电材料的正、逆压电效应和机电耦合特性得到了压电悬臂梁的微分方程和状态空间方程。并以压电陶瓷作为致动器,设计了压电悬臂梁结构振动主动控制实验系统。针对正弦信号干扰,通过利用基于时频分析技术的频率提取算法,不仅可以准确又快速地辨识出振动信号的未知频率,还可以剔除掉随机干扰的频率影响。也就是说,本文提出了一种新型的面向应用的自适应前馈控制控制算法,这种方法使控制输入不断收敛到干扰信号,最终可以对频率未知的正弦干扰进行比较好的的振动控制。并通过相应的实验验证了该方法的有效性和优点。考虑到PID控制的优点而应用于复杂被控对象的设计难点。提出了逆模型控制的思想,目的是抑制或是消除掉控制对象的高阶模态振动影响,尽可能只保留其低阶模态,然后就能较容易地设计PID控制器。再利用PID控制器的特点比较好的地抑制其低频范围的振动。很重要的一点是该方法中逆模型传递函数中的参数灵敏度不高,即便在实际情况中因为模型未知或是随机因素造成的参数误差,也不会对闭环系统的输出效果有很大影响。通过仿真与LQG控制和H_?控制器的比较也验证了该方法优异的控制效果。并且将该方法推广到汽车悬架模型上,仿真结果也验证了该方法的优势。
张贵珍[7]2012年在《FBG非均匀应变传感与PLZT-IPMC非接触复合驱动性能研究》文中进行了进一步梳理随着航空、航天、大型民用工程等结构系统的高速发展，对结构健康监测（SHM）技术与结构形状控制技术提出了越来越高的要求。目前，不论是研究光纤布拉格光栅（FBG）的应变传感模型来分析结构中的应力、应变，还是研究非接触光电驱动技术以控制柔性结构的形状变形，均具有十分重要的现实意义。本文研究了重构FBG轴向非均匀应变分布的反问题。首先分析了FBG的应变传感特性，重点讨论了利用传输矩阵法（T矩阵法）、龙格库塔积分法（R-K法）以及改进的T矩阵法（MT矩阵法）求解FBG反射光谱的步骤。其次，详细分析了粒子群（PSO）算法及其改进后的优化性能，提出了一种基于T矩阵法和动态粒子群(DPSO)算法重构光栅轴向非均匀应变分布的新方法，该方法利用DPSO算法优化光栅轴向应变，运用T矩阵法计算光栅反射光谱，并通过分析计算反射光谱与目标反射光谱的误差来寻找最优解；根据不同粒子与当前群体最优粒子距离的大小动态调整算法的惯性权重，加快了算法的收敛速度。利用此方法对线性、二次、正弦、不连续等四种应变分布形式进行了仿真重构，并与量子行为粒子群算法（QPSO）的重构结果进行了比较分析。仿真结果表明，从重构精度指标角度来看，DPSO算法较QPSO算法更具高效性。再者，基于DPSO算法的重构结果，详细讨论了进化代数、谱宽及谱采样间隔对重构精度的影响。最后，用MT来代替T矩阵进行光栅反射光谱计算，且利用DPSO算法对以上四种类型的应变分布进行了仿真重构。此外，设计了一套测试装置，DPSO算法对实测的FBG反射光谱实现了应变分布重构。仿真与实验结果都验证了DPSO算法重构应变的有效性与可行性。本文针对光电非接触驱动技术进行了实验研究。首先分析了PLZT陶瓷与IPMC薄膜两种材料的物理特性、驱动机理与数学模型。其次，对PLZT陶瓷的光致伸缩效应与IPMC薄膜的电致动特性分别开展了实验研究。最后，开展了非接触复合驱动性能测试实验研究，利用PLZT陶瓷在紫外光照射下产生的光致电压激励IPMC薄膜产生弯曲，设计了IPMC薄膜过压保护电路，以防止电压过高击穿IPMC薄膜。实验结果表明，非接触复合驱动技术是有效可行的。
赵泽希[8]2016年在《大口径超短超强激光系统相干组束中相位问题研究》文中研究说明超短超强激光系统能够产生极高峰值功率的激光脉冲,在光谱学、材料加工、二次辐射产生、高能粒子加速、先进阿秒科学、高能实验室天体物理等方面有大量应用。现有的技术手段短期内难以大幅度提升单路激光系统的输出能力。为了获得更高峰值功率的激光脉冲,研究人员提出了相干组束技术。相干组束技术可以突破单束激光系统输出能力的限制,并保持较好的光束质量。然而,作为一种最有希望产生最高峰值功率的激光脉冲的技术路线,大口径超短超强激光系统相干组束仍未实现,相应的理论分析依然缺乏。本文对大口径超短超强激光系统相干组束中的相位问题进行了深入研究。通过建立相应的物理模型,进行一系列的数值仿真,试图回答“相干组束需要将激光束波前控制到什么水平”和“为了实现对光束波前的要求而应对激光放大系统施加什么要求”两大基础问题。在前一个问题的讨论中,我们对一个双光束大口径超短脉冲相干组束系统计算了束内和束间波前误差的控制要求,并研究了脉冲宽度和组束规模对波前误差控制要求的影响。得到的结论主要有：1、当波前参数好于一定值时,相干组束性能会快速改善；2、脉冲宽度和组束规模不会明显影响相干组束波前误差的控制要求,因而从波前误差的角度看,将脉冲宽度很短的多束激光进行相干组束是更好的选择；3、小波前误差情况下,piston和tip/tilt误差的存在会显着降低相干组束的性能,而在大波前误差的情况下影响很小。在后一个问题的讨论中,我们对一个假设的10PW级大口径OPCPA超短超强激光系统中的OPA过程进行了数值仿真,研究了这类系统中的信号光放大性质及波前退化规律。得到的结论主要有：1、这类系统只需要很短的相互作用距离就能实现信号光饱和放大；2、对于这类系统,衍射、走离和群速度失配的影响不大,信号光可以保持较好的波前分布；3、泵浦光波前参数和信号光波前参数间不存在明显的关系；4、随着泵浦光能量的增大,信号光波前误差的幅度相应增加,激光束的聚焦特性变差,而散射特性变好；5、正非共线角匹配方式比负非共线角匹配方式更容易获得较好的波前分布。此外,本文还对大口径超短超强激光系统相干组束中的波前控制方法进行了研究。结合数值仿真的数据和大型激光装置中自适应光学系统的调研结果,我们发现：1、两路大口径超短超强激光脉冲相干组束中四波横向剪切干涉(SID4)和Shack-Hartmann波前传感都可能满足要求；2、随着组束规模的扩大,四波横向剪切干涉法波前传感是更好选择；3、为了实现精度、动态范围、成本、体积、复杂度都能满足要求的波前校正,应当将多种波前校正技术结合,对不同阶波前像差进行分别校正。本文的研究内容有助于大口径超短超强激光系统相干组束领域的研究,对于未来的工程实践有一定的参考价值。
李传[9]2015年在《面向交变载荷的Galfenol合金力传感器结构设计与实验研究》文中研究表明Galfenol合金是本世纪初发现的一种具有良好机械性能的新型材料,是继压电材料、GMM之后的有一种具有压磁效应的智能材料。Galfenol合金具有非常优越的特性:可焊接、可加工螺纹等;具有较大的磁致伸缩值;脆性小,抗拉强度高;较低的驱动磁场,较低磁滞现象、成本低等。力传感技术是与人类日常生活和生产紧密联系的一项重要科学技术,随着现代高级、精密和尖端科技不断地发展,需要更加精确的检测方法和检测手段。现有的电阻式力传感器、压电式传感器以及超磁致伸缩力传感器均存在不足,应变式力传感器结构简单但线性工作区间小,动态响应较差;压电式力传感器无法对静态和准静态的应力进行测量;基于GMM的力传感器,由于GMM很脆,承受能力有限。基于Galfenol合金具有优良的磁致伸缩特性和机械加工性能,可有效克服传统材料的缺陷的优势,设计了一种基于Galfenol合金的测力传感器,可以对方向交变、大小时变的负载进行连续测量。以此为基础,利用有限元软件仿真分析对力传感器的结构进行优化设计。搭建了实验测试平台,完成力传感器的样件研制和实验,为后续的工作提供一定的理论基础和实验数据。其主要内容和创新点如下:针对Galfenol合金的发展历程、材料特性及其磁致伸缩内部机理进行了详细的阐述;重点介绍了国内外对Galfenol合金的应用情况,同时详细分析了目前各种材料力传感器的优点和存在的不足,指出了开展交变载荷Galfenol合金力传感器的结构设计与实验研究的必要性。针对GMM和Galfenol合金不同的磁特性,提出了一种新的磁特性测试系统,并通过有限元仿真分析对现有磁回路结构进行优化,在此基础上,通过实验研究结果得到Galfenol合金更适合于传感器的应用与设计;GMM更适合大行程、大功率的驱动器件的应用。在分析总结现有不同新型力传感器工作原理的基础上,研究提出了一种可以对连续时变负载进行测量的Galfenol合金为敏感元件的力传感器,通过理论计算和有限元仿真分析得到了合理的结构参数,使得Galfenol合金力传感器能够更好地实现测力效果。首次通过连续同步采集实验数据的试验测试方法,搭建了一种可以对信号进行连续测量和控制的试验测试平台,并通过实验深入研究了Galfenol合金力传感器的磁化特性和工作特性,为该类型传感器的设计积累了大量有价值的实验数据,填补了该领域国内的实验空白。
程有伟[10]2009年在《智能板梁作动器传感器个数与位置的拓扑优化》文中认为振动主动控制是大型柔性结构振动控制的一个主要研究方向,其中一个关键问题就是确定传感器与作动器的数目与位置,以最少的数目、最佳的位置实现控制目的。但是,在进行振动主动控制时,不适当的作动器配置位置可能导致某阶或某些模态弱激励,而不适当的传感器配置位置将影响识别参数的精度。因而将直接影响闭环控制系统的性能,甚至可能导致其不稳定。传感器和作动器本身都需要一定的成本,而且与传感器配套使用的数据采集和处理设备、作动器的驱动装置代价较高,从经济方面考虑,希望采用尽可能少的作动器和传感器。因此,确定作动器和传感器的最佳数目,并将它们配置在最优位置,具有重要的实用价值和研究意义。本文以悬臂板梁智能结构为研究对象,利用压电材料的正、逆压电效应,分析了压电作动器、传感器与智能悬臂板梁的耦合关系,推导了耦合方程,并建立了作动器/传感器个数与位置的拓扑优化模型。在此基础上以系统最小能量为优化目标函数,采用结构拓扑优化方法的思想,给出拓扑优化算法方法,并编写拓扑优化程序,结合实际的模型进行作动器/传感器的个数与位置优化设计。最后,通过一个实际算例的计算及仿真,验证了该本文方法的可行性。
参考文献：
[1]. 传感和致动装置/结构中的多物理量耦合问题[D]. 张奔牛. 重庆大学. 2003
[2]. 智能悬臂梁压电片布置与振动主动控制技术的研究[D]. 俞洁. 河海大学. 2006
[3]. 车身板件压电式振动主动控制技术研究[D]. 邢峰. 重庆理工大学. 2010
[4]. 静电微泵理论设计及动态分析[D]. 刘迎伟. 西安理工大学. 2007
[5]. 基于压电致动器的空间柔性机械臂系统的轨迹跟踪与振动抑制一体化控制研究[D]. 娄军强. 浙江大学. 2013
[6]. 压电悬臂梁系统振动主动控制研究[D]. 岳俊洲. 西南交通大学. 2018
[7]. FBG非均匀应变传感与PLZT-IPMC非接触复合驱动性能研究[D]. 张贵珍. 南京航空航天大学. 2012
[8]. 大口径超短超强激光系统相干组束中相位问题研究[D]. 赵泽希. 中国工程物理研究院. 2016
[9]. 面向交变载荷的Galfenol合金力传感器结构设计与实验研究[D]. 李传. 武汉理工大学. 2015
[10]. 智能板梁作动器传感器个数与位置的拓扑优化[D]. 程有伟. 西安电子科技大学. 2009
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