智能結(jié)構(gòu)與主動控制概論課件

智能結(jié)構(gòu)與主動控制趙壽根智能結(jié)構(gòu)與主動控制趙壽根1引言材料技術(shù)是人類進步的里程碑，是各個歷史時期技術(shù)革命的重要支柱，甚至成為時代的標志。

歷史的發(fā)展表明每一種新材料的誕生往往會推動社會的發(fā)生巨大的變革隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對材料應(yīng)用范圍、使用條件的復(fù)雜性和安全可靠性提出了越來越高要求。如航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展。

1引言材料技術(shù)是人類進步的里程碑，是各個歷史時期技材料成為時代標志的示意圖

材料成為時代標志的示意圖智能結(jié)構(gòu)與主動控制概論課件智能結(jié)構(gòu)與主動控制概論課件2智能材料和智能結(jié)構(gòu)概論的提出20世紀50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)的概論，當時把它稱為自適應(yīng)系統(tǒng)(adaptivesystem)。在智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中，人們越來越意識到智能結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)離不開智能材料的研究和發(fā)展。20世紀七十年代，美國弗吉尼亞理工學(xué)院及州立大學(xué)的Claus等人將光纖埋入炭纖維增強復(fù)合材料中，使材料具有感知應(yīng)力和斷裂損傷的能力。這是智能材料的首次實驗，當時稱這種材料系統(tǒng)為自適應(yīng)材料。2智能材料和智能結(jié)構(gòu)概論的提出20世紀50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)是20世紀八十年代中期由美國軍方率先提出并進行研究的，世界各工業(yè)發(fā)達國家，尤其是軍方和航空界對此一直十分重視。一九八八年四月二十八日波音737客機在美國出現(xiàn)災(zāi)難性斷裂事故，使美國國會意識到，為避免服役中的飛機發(fā)生類似事故，飛機應(yīng)有自我診斷和及時預(yù)報系統(tǒng)，并通過議案，要求3年內(nèi)完成Smart飛機的概念設(shè)計。智能結(jié)構(gòu)是20世紀八十年代中期由美國軍方率先提出并進行研究的1984年，美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)的研究給予贊助，揭開了智能材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究的序幕；1985年起，美國政府提出了開展智能結(jié)構(gòu)的研究計劃，要求航天器具有自適應(yīng)性；1987年起，美國空軍將智能結(jié)構(gòu)的研究列如重點資助目錄；1988年后，美國各大學(xué)和航天航空機構(gòu)的公司、研究所均大量展開智能材料與結(jié)構(gòu)的研究工作。3國內(nèi)外研究的開展1984年，美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)的研究給予贊助，揭繼美國之后，日本、英國、德國、澳大利亞和韓國等相繼投入人力、物力、財力開展智能材料結(jié)構(gòu)的研究工作，并創(chuàng)建了《智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)》、《機敏材料與結(jié)構(gòu)》等學(xué)術(shù)期刊；1991年，歐洲在英國成立了智能材料與結(jié)構(gòu)研究所我國于1991年起開展這方面的工作，1993年起，國家自然科學(xué)基金和航空基金等將其列入研究計劃。國內(nèi)外研究的開展(續(xù))繼美國之后，日本、英國、德國、澳大利亞和韓國等相繼投入人力、4智能材料及智能結(jié)構(gòu)概述智能材料(1)智能材料要求材料集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，從而形成類似生物材料那樣具有智能屬性的材料，因而人們習(xí)慣稱之為intelligentmaterial或smartmaterial。(2)主要特性體現(xiàn)在兩個方面：一是對外界的刺激強度具有感知的材料，稱為感知材料，用它可以做成各種傳感器；二是對外界環(huán)境條件(或內(nèi)部狀態(tài))作出響應(yīng)或驅(qū)動的材料，用它可以做成驅(qū)動器(或執(zhí)行器)。4智能材料及智能結(jié)構(gòu)概述智能材料表1典型智能材料及其功能材料名稱傳感器作動器電感材料√電流變體√光導(dǎo)纖維√壓電材料√√X感光材料√聲發(fā)射材料√電致伸縮材料√磁致伸縮材料√√形狀記憶合金√√電阻應(yīng)變材料√表1典型智能材料及其功能材料名稱傳感器作動器電感材料√電流環(huán)境溫度電場壓力磁場溫度聲位置光輻射速度化學(xué)輻射加速度生物環(huán)境反應(yīng)機械響應(yīng)流體運動電流流動物理性能功率控制化學(xué)行為生理行為智能材料的感知和執(zhí)行功能環(huán)溫度電場反機械響應(yīng)智能材料的感知和執(zhí)行功能智能結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動結(jié)構(gòu)，這種被動結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)計、制造完成后，其性能不易改變，不能適應(yīng)不斷發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)的要求。主動控制技術(shù)雖然可以在一定程度上改善結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力和工作性能，但需要在原結(jié)構(gòu)上附加一些傳感器和作動器，增加了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重量，再加上主動控制系統(tǒng)往往過于龐大和復(fù)雜，可靠性低，因此使得傳統(tǒng)主動控制技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)振動控制的實際應(yīng)用中受到一定限制。智能結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動結(jié)構(gòu)，這種被動結(jié)構(gòu)一經(jīng)設(shè)計、制造智能結(jié)構(gòu)要提高這種復(fù)雜的，非線性的系統(tǒng)性能，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計必須另謀出路。近十幾年來，隨著材料科學(xué)、控制、微電子和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是新型傳感器和作動器的研究取得突破性進展，在結(jié)構(gòu)控制設(shè)計中不斷采用新型傳感材料和作動材料集成于結(jié)構(gòu)中，替代了傳統(tǒng)的傳感器和作動器在結(jié)構(gòu)控制中所起的作用，逐步形成了傳感、作動元件、控制器與主體結(jié)構(gòu)集成的一體化結(jié)構(gòu)形式，促進結(jié)構(gòu)設(shè)計中新技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了智能結(jié)構(gòu)的概念智能結(jié)構(gòu)要提高這種復(fù)雜的，非線性的系統(tǒng)性能，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計必須(1)智能結(jié)構(gòu)是以智能材料作為傳感元件和作動元件，具有感識外界和內(nèi)部狀態(tài)與特性的變化，并能對這些變化的具體特征和原因進行辯識，進而采取相應(yīng)的控制律，做出合理響應(yīng)的一類結(jié)構(gòu)稱之為智能結(jié)構(gòu)。(2)還具備自診斷，自感識，自修復(fù)等額外的“智能”性能。智能結(jié)構(gòu)(1)智能結(jié)構(gòu)是以智能材料作為傳感元件和作動元件，具有感識智能結(jié)構(gòu)的基本功能有：感識、自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)和控制等，它包含的關(guān)鍵組成部分有：傳感元件、驅(qū)動元件、信息處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。典型的智能結(jié)構(gòu)的示意圖如下圖所示。智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)的基本功能有：感識、自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)和控制等，它包美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Crawley用四個層次來定義智能結(jié)構(gòu)。第一層次，兩類最基本的初型智能結(jié)構(gòu)是傳感結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。傳感結(jié)構(gòu)主要用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和故障診斷方面，而自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以通過預(yù)定的控制規(guī)律改變系統(tǒng)的形狀或特性。第二層次是傳感結(jié)構(gòu)類與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)類的交接部分，也即受控結(jié)構(gòu)，是一種能夠主動控制結(jié)構(gòu)形態(tài)或特性的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一個獨立的控制系統(tǒng)所組成。美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Crawley用四個層次來定義智第三層次的主動結(jié)構(gòu)實際上也是一種受控結(jié)構(gòu)，它同第二層次的受控結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于它不僅具有傳感、控制功能，而且具有結(jié)構(gòu)承載功能，并且把作動器與傳感器高度地綜合在結(jié)構(gòu)中。一目前，這個層次的智能結(jié)構(gòu)是研究的重點。第四層次的智能結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)的最高形式，它是將傳感、作動、控制、信息處理和人工智能等環(huán)節(jié)與主體結(jié)構(gòu)融和在一起，具有感知、智能邏輯判斷與響應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自檢測、自診斷、自校正、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。目前，真正意義上的智能結(jié)構(gòu)還沒有實現(xiàn)，但是，隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來，將會研制出實際可用的智能結(jié)構(gòu)。第三層次的主動結(jié)構(gòu)實際上也是一種受控結(jié)構(gòu)，它同第二層次的受控

智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了其它學(xué)科強大的支持和幫助，受到了以下學(xué)科領(lǐng)域的的推動：(1)

材料耦合特性分析的研究；(2)復(fù)合(疊層)材料的研究、設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展；(3)自適應(yīng)控制、魯棒控制、容錯技術(shù)與智能控制技術(shù)的研究和發(fā)展；(4)計算機和微電子技術(shù)的研究和發(fā)展。5學(xué)科的發(fā)展和融合提供強大的技術(shù)支持智能材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了其它學(xué)科強大的支持和幫助，受6.1傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的備測物理量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。能感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境改變，并且易于集成和分布。6智能材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)6.1傳感器6智能材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)表2常用傳感器的性能比較表2常用傳感器的性能比較6.2作動器作動器是實施振動主動控制的關(guān)鍵部件，是主動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作動器的作用是按照確定的控制律對控制對象施加控制力。隨著振動主動控制技術(shù)的發(fā)展,對作動器的要求愈來愈高。近年來,在傳統(tǒng)的流體作動、氣體作動器和電器作動器的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出了多種智能型作動器，如壓電陶瓷作動器、壓電薄膜作動器、電致伸縮作動器、磁致伸縮作動器、形狀記憶合金作動器和電流變流體作動器等。這些作動器的出現(xiàn)為實現(xiàn)高精度的振動主動控制提供了必要條件。6.2作動器表3常用作感器的性能比較

作動器要求易于集成，并具有對機構(gòu)狀態(tài)施加足夠影響力的能力；表3常用作感器的性能比較作動器要求易于集成，并具有對機構(gòu)(1)兼容性要求。傳感器和作動器與材料本體結(jié)構(gòu)的兼容性要好；(2)穩(wěn)定性要求。傳感器和作動器工作時性能要穩(wěn)定可靠，同時抗干擾能力相對要好；(3)響應(yīng)頻帶要求。傳感器和作動器應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度和較寬的響應(yīng)頻帶；(4)精度要求。傳感器工作時應(yīng)具有較高的測量精度和靈敏度；(5)驅(qū)動力要求。作動器工作時應(yīng)能產(chǎn)生足夠大的變形和驅(qū)動力，同時具有較小的能量耗損。6.3對傳感器和作動器性能的基本要求(1)兼容性要求。傳感器和作動器與材料本體結(jié)構(gòu)的兼容性要6.4控制器智能結(jié)構(gòu)的控制器是智能結(jié)構(gòu)的神經(jīng)中樞；控制系統(tǒng)應(yīng)具有控制速度快、魯棒性和實時性好的特點。6.5控制算法其控制分3個層次：局部控制、全局控制和智能控制。局部控制目標通常為增大阻尼、吸收能量、減小局部應(yīng)力和應(yīng)變等，全局控制目標通常為控制結(jié)構(gòu)形狀、抑制擾動和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等，智能控制目標通常為系統(tǒng)辨識、故障診斷和修復(fù)、結(jié)構(gòu)功能重構(gòu)等。6.4控制器6.6結(jié)構(gòu)集成技術(shù)智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計和集成技術(shù)是影響智能結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵點之一。圖3智能材料與結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

宏觀復(fù)合細觀復(fù)合細或納觀復(fù)合6.6結(jié)構(gòu)集成技術(shù)圖3智能材料與結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)的現(xiàn)狀和7幾種常用的智能材料

7.1形狀記憶材料形狀記憶材料(SMA)是一種特殊的力—熱耦合材料，具有單程、雙程和全程記憶功能。它最顯著的特性是材料具有形狀記憶效應(yīng)(SME)和超彈性(PE)。形狀記憶效應(yīng)(SME)是指變形后馬氏體(SMA)在環(huán)境溫度上升到母相轉(zhuǎn)變開始溫度后，如果不受外力的約束將發(fā)生形狀恢復(fù)；當受外力約束而不能恢復(fù)時將輸出應(yīng)力。

超彈性(PE)是指處于母相狀態(tài)的形狀記憶合金因應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的發(fā)生，其宏觀可恢復(fù)拉伸應(yīng)變遠大于一般金屬材料的彈性變形極限，又稱偽彈性。

7幾種常用的智能材料7.1形狀記憶材料形狀記憶材料的優(yōu)缺點優(yōu)點：本體材料相容性好；變形量大；加熱后驅(qū)動力大；可實現(xiàn)多種變形等優(yōu)點。SMA驅(qū)動器的動作除溫度外幾乎不受其它環(huán)境條件的影響，具有較好地抗外界干擾特性，相對其他智能復(fù)合材料在價格、技術(shù)成熟性和可植入性等方面也有明顯的優(yōu)勢。缺點為：響應(yīng)速度慢，只能適合于結(jié)構(gòu)的低頻控制；使用時需要較大電流。7.1形狀記憶材料形狀記憶材料的優(yōu)缺點7.1形狀記憶材料電流變體，簡稱ER流體，是一種比較特殊的流體，在外電場的作用下，電流體中的膠質(zhì)懸浮液迅速地排列成有規(guī)律的鏈條狀結(jié)構(gòu)，并平行于電場，從而呈現(xiàn)固體特性，并具有可測量的剛度，同時其屈服剪切應(yīng)力隨電場強度和剪切應(yīng)變速度的增大而增大，而在撤去外電場后，它又可以在瞬間內(nèi)恢復(fù)到液體狀態(tài)。其缺點：在于轉(zhuǎn)換電壓太高

,附加設(shè)備多.電流變體作動原理示意圖

7.2電(磁)流變體電流變體，電流變體作動原理示意圖7.2電(磁)流變體從物理組成上看，電流變體是高介電常數(shù)的固體微粒分散在低介電常數(shù)的絕緣油液中的懸浮體。當無電場作用時，ERF是一種牛頓流體，在電場的作用下，ERF中的懸浮顆粒產(chǎn)生電極化，增大了對流體的抵抗，使液體具有一定曲服應(yīng)力類似于固體性質(zhì)。從物理組成上看，電流變體是高介電常數(shù)的固體微粒分散在低介電常

磁致伸縮材料在磁場作用下會產(chǎn)生磁疇旋轉(zhuǎn)，從而引起材料變形和產(chǎn)生驅(qū)動力，將磁能轉(zhuǎn)換為機械能。目前磁致伸縮材料已用于低頻高功率聲納傳感器、強力直線型電機、大轉(zhuǎn)矩低速旋轉(zhuǎn)電機和液壓機執(zhí)行器。優(yōu)點有：具有位移控制量大；響應(yīng)速度較快；不存在時間老化問題。缺點在于：需要較多的附加線圈、電機和封裝等附加設(shè)備，易于發(fā)生擊穿現(xiàn)象。7.3磁致伸縮材料磁致伸縮材料在磁場作用下會產(chǎn)生磁疇旋轉(zhuǎn)，從而引起

光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光導(dǎo)元件。通過分析光的傳播特性(光強、相位等)獲得光纖周圍的力、溫度、位移、壓強、密度、磁場、成分和X射線等參數(shù)的變化。光導(dǎo)纖維是最先應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的傳感元件。優(yōu)點：對電磁干擾不敏感；光纖很細，對本體機構(gòu)強度影響較小；頻率響應(yīng)高；具有不腐蝕特性，可在高低溫和有害環(huán)境下安全工作。缺點為：有非線性效應(yīng)、輔助設(shè)備多且復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。7.4光纖傳感系統(tǒng)光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光利用壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可將其用為傳感器和作動器。優(yōu)點：重量輕、體積小、能耗低，響應(yīng)快、剛度大。其缺點：與本體材料相容性差，易于在分界面處造成損傷和斷裂；易脆易裂，不適于大面積使用和布置。7.5壓電及壓電復(fù)合材料利用壓電材料的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可將7.5壓電及壓電復(fù)

鑒于純壓電材料的不足，人們采用基體材料和壓電材料復(fù)合的方法得到了壓電復(fù)合材料，它出現(xiàn)克服了純壓電陶瓷在脆性、相容性、可靠性方面的缺陷，從而使得壓電復(fù)合材料可以大面積使用和布置。圖5壓電復(fù)合材料的兩種典型方式鑒于純壓電材料的不足，人們采用基體材料和壓電材料復(fù)合圖6壓電纖維復(fù)合材料模型示意圖圖6壓電纖維復(fù)合材料模型示意圖8智能材料和智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1997年1月6日華盛頓郵報以“智能材料可以產(chǎn)生奇跡”的標題描述了智能材料與結(jié)構(gòu)的未來。文章說：過不了多久，智能飛機的機翼可以像鳥的翅膀一樣彎曲，自動改變形狀，從而提高升力和減小阻力；橋梁和電線桿快要斷裂時可以發(fā)出報警信號，然后自動加固自身的結(jié)構(gòu)；空調(diào)可以抑制振動而安靜地工作；手槍只有在主任使用時才能開槍；輪胎需要充氣時會禮貌地通知主人；反應(yīng)靈敏的人工肌肉可以使機器人以假充真。智能飛機8智能材料和智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1997年1月6日華盛頓郵報以“8.1智能材料和結(jié)構(gòu)在航空航天中的應(yīng)用

智能飛機的概念示意圖

8.1智能材料和結(jié)構(gòu)在航空航天中的應(yīng)用智能飛機的概念示意(1)智能表層使飛機表皮具有通信、隱身、敵我識別、電子對抗、火控飛控等多種功能。是衡量未來飛機先進性的重要標志。(2)自適應(yīng)機翼可根據(jù)飛行條件及要求自動改變形狀，從而提高升力及減小阻力。(3)飛行器的健康監(jiān)測具有自診斷及自適應(yīng)等健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和裂紋，能自動地進行結(jié)構(gòu)健康評估及壽命預(yù)測。(4)飛行器的減振和降噪隨著飛行器性能的不斷提高，振動及顫振問題越來越突出。飛機結(jié)構(gòu)的事故中，振動引起的占27%，發(fā)動機事故中，振動引起的占40%。8.2航空航天工業(yè)領(lǐng)域幾個重點研究方向(1)智能表層8.2航空航天工業(yè)領(lǐng)域幾個重點研究方向特別是在一些對國民經(jīng)濟影響重大的大型工程中，如三峽工程、核電站、大型建筑和橋梁等。這些工程要求能適應(yīng)復(fù)雜和突變的環(huán)境，因而這些工程的結(jié)構(gòu)具有自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)功能非常重要。下面幾種為目前在土木工程中應(yīng)用的智能結(jié)構(gòu)：(1)自診斷光纖混凝土結(jié)構(gòu)；(2)纖維智能減振結(jié)構(gòu)；(3)裂縫自愈合混凝土機構(gòu)等。8.3智能材料和結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用

特別是在一些對國民經(jīng)濟影響重大的大型工程中，如三峽工程、核電裂縫自愈合混凝土材料模型裂縫自愈合混凝土材料模型

智能材料和結(jié)構(gòu)還可用于醫(yī)學(xué)生物工程、交通工具、信息系統(tǒng)等民用領(lǐng)域。

如：利用智能材料結(jié)構(gòu)可以制造出許多別具一格的體育用具?？梢岳弥悄懿牧辖Y(jié)構(gòu)制出人工神經(jīng)的假肢、先進的運動性骨折手術(shù)、殘疾人用智能輪椅等。醫(yī)學(xué)上還可以利用智能材料結(jié)構(gòu)制造出人工胰臟、肝、胃等器官，為患有此類器官病癥的患者帶來福音。8.4其它用途

智能材料和結(jié)構(gòu)還可用于醫(yī)學(xué)生物工程、交通8.4其它用9智能材料與結(jié)構(gòu)的研究進展目前，智能材料的研究經(jīng)過基礎(chǔ)性研究與探索，己在基本原理、傳感器研制、作動器研制、功能器件與復(fù)合材料之間匹配技術(shù)、智能材料成型工藝技術(shù)、智能材料在特殊環(huán)境下的性能評價、主動控制智能器件等方面開展了許多工作，取得了較大突破。并且，已經(jīng)從基礎(chǔ)性研究進入到預(yù)研和應(yīng)用性研究階段。預(yù)計在2020年后，智能材料的研究將全面實用化，從實驗室研究進入實際結(jié)構(gòu)全面實用階段。9智能材料與結(jié)構(gòu)的研究進展目前，智能材料的研究經(jīng)過基礎(chǔ)性研智能材料與結(jié)構(gòu)的研究目前主要有兩條技術(shù)線路:一條是美國提出的將傳感器、處理器和制動器埋入結(jié)構(gòu)中，通過高度集成制造智能結(jié)構(gòu)，即所謂智能結(jié)構(gòu)。另一條是日本提出的將上述智能結(jié)構(gòu)中的傳感器、處理器和制動器