智能结构与主动控制概论.

SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAASchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA智能结构与主动控制赵寿根航空科学与工程学院固体力学研究所SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA1引言材料技术是人类进步的里程碑，是各个历史时期技术革命的重要支柱，甚至成为时代的标志。历史的发展表明每一种新材料的诞生往往会推动社会的发生巨大的变革随着社会经济的高速发展和高新技术的广泛应用，对材料应用范围、使用条件的复杂性和安全可靠性提出了越来越高要求。如航空航天技术的飞速发展。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA材料成为时代标志的示意图SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAASchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAASchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA2智能材料和智能结构概论的提出20世纪50年代，人们提出了智能结构的概论，当时把它称为自适应系统(adaptivesystem)。在智能结构的发展过程中，人们越来越意识到智能结构的实现离不开智能材料的研究和发展。20世纪七十年代，美国弗吉尼亚理工学院及州立大学的Claus等人将光纤埋入炭纤维增强复合材料中，使材料具有感知应力和断裂损伤的能力。这是智能材料的首次实验，当时称这种材料系统为自适应材料。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA智能结构是20世纪八十年代中期由美国军方率先提出并进行研究的，世界各工业发达国家，尤其是军方和航空界对此一直十分重视。一九八八年四月二十八日波音737客机在美国出现灾难性断裂事故，使美国国会意识到，为避免服役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求3年内完成Smart飞机的概念设计。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA1984年，美国陆军科研局就旋翼飞行器技术的研究给予赞助，揭开了智能材料与结构应用研究的序幕；1985年起，美国政府提出了开展智能结构的研究计划，要求航天器具有自适应性；1987年起，美国空军将智能结构的研究列如重点资助目录；1988年后，美国各大学和航天航空机构的公司、研究所均大量展开智能材料与结构的研究工作。3国内外研究的开展SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA继美国之后，日本、英国、德国、澳大利亚和韩国等相继投入人力、物力、财力开展智能材料结构的研究工作，并创建了《智能材料系统与结构》、《机敏材料与结构》等学术期刊；1991年，欧洲在英国成立了智能材料与结构研究所我国于1991年起开展这方面的工作，1993年起，国家自然科学基金和航空基金等将其列入研究计划。国内外研究的开展(续)SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA4智能材料及智能结构概述智能材料(1)智能材料要求材料集感知、驱动和信息处理于一体，从而形成类似生物材料那样具有智能属性的材料，因而人们习惯称之为intelligentmaterial或smartmaterial。(2)主要特性体现在两个方面：一是对外界的刺激强度具有感知的材料，称为感知材料，用它可以做成各种传感器；二是对外界环境条件(或内部状态)作出响应或驱动的材料，用它可以做成驱动器(或执行器)。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA表1典型智能材料及其功能材料名称传感器作动器电感材料√电流变体√光导纤维√压电材料√√X感光材料√声发射材料√电致伸缩材料√磁致伸缩材料√√形状记忆合金√√电阻应变材料√SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA环境温度电场压力磁场温度声位置光辐射速度化学辐射加速度生物环境反应机械响应流体运动电流流动物理性能功率控制化学行为生理行为智能材料的感知和执行功能SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA智能结构传统的结构是一种被动结构，这种被动结构一经设计、制造完成后，其性能不易改变，不能适应不断发展的空间结构的要求。主动控制技术虽然可以在一定程度上改善结构的适应能力和工作性能，但需要在原结构上附加一些传感器和作动器，增加了结构系统的重量，再加上主动控制系统往往过于庞大和复杂，可靠性低，因此使得传统主动控制技术在空间结构振动控制的实际应用中受到一定限制。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA智能结构要提高这种复杂的，非线性的系统性能，为此结构设计必须另谋出路。近十几年来，随着材料科学、控制、微电子和计算机技术的迅速发展，特别是新型传感器和作动器的研究取得突破性进展，在结构控制设计中不断采用新型传感材料和作动材料集成于结构中，替代了传统的传感器和作动器在结构控制中所起的作用，逐步形成了传感、作动元件、控制器与主体结构集成的一体化结构形式，促进结构设计中新技术的发展，产生了智能结构的概念SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA(1)智能结构是以智能材料作为传感元件和作动元件，具有感识外界和内部状态与特性的变化，并能对这些变化的具体特征和原因进行辩识，进而采取相应的控制律，做出合理响应的一类结构称之为智能结构。(2)还具备自诊断，自感识，自修复等额外的“智能”性能。智能结构SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA智能结构的基本功能有：感识、自我调节、自我恢复和控制等，它包含的关键组成部分有：传感元件、驱动元件、信息处理系统和控制系统等。典型的智能结构的示意图如下图所示。智能结构SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA美国麻省理工学院(MIT)的Crawley用四个层次来定义智能结构。►第一层次，两类最基本的初型智能结构是传感结构和自适应结构。传感结构主要用于结构系统的监测和故障诊断方面，而自适应结构可以通过预定的控制规律改变系统的形状或特性。►第二层次是传感结构类与自适应结构类的交接部分，也即受控结构，是一种能够主动控制结构形态或特性的闭环控制结构系统，它由传统的结构与一个独立的控制系统所组成。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA►第三层次的主动结构实际上也是一种受控结构，它同第二层次的受控结构的区别在于它不仅具有传感、控制功能，而且具有结构承载功能，并且把作动器与传感器高度地综合在结构中。一目前，这个层次的智能结构是研究的重点。►第四层次的智能结构是结构的最高形式，它是将传感、作动、控制、信息处理和人工智能等环节与主体结构融和在一起，具有感知、智能逻辑判断与响应内外环境变化的能力，实现结构的自检测、自诊断、自校正、自适应、自修复等功能。目前，真正意义上的智能结构还没有实现，但是，随着科技的发展，相信在不久的将来，将会研制出实际可用的智能结构。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA智能材料和结构的发展受到了其它学科强大的支持和帮助，受到了以下学科领域的的推动：(1)材料耦合特性分析的研究；(2)复合(叠层)材料的研究、设计和制造技术的发展；(3)自适应控制、鲁棒控制、容错技术与智能控制技术的研究和发展；(4)计算机和微电子技术的研究和发展。5学科的发展和融合提供强大的技术支持SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA6.1传感器传感器的定义：能感受规定的备测物理量并按照一定的规律转换成为可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。能感知结构状态和环境改变，并且易于集成和分布。6智能材料与结构的关键技术SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA表2常用传感器的性能比较SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA6.2作动器作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节。作动器的作用是按照确定的控制律对控制对象施加控制力。随着振动主动控制技术的发展,对作动器的要求愈来愈高。近年来,在传统的流体作动、气体作动器和电器作动器的基础上，研究开发出了多种智能型作动器，如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器和电流变流体作动器等。这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA表3常用作感器的性能比较作动器要求易于集成，并具有对机构状态施加足够影响力的能力；SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA(1)兼容性要求。传感器和作动器与材料本体结构的兼容性要好；(2)稳定性要求。传感器和作动器工作时性能要稳定可靠，同时抗干扰能力相对要好；(3)响应频带要求。传感器和作动器应具有较快的响应速度和较宽的响应频带；(4)精度要求。传感器工作时应具有较高的测量精度和灵敏度；(5)驱动力要求。作动器工作时应能产生足够大的变形和驱动力，同时具有较小的能量耗损。6.3对传感器和作动器性能的基本要求SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA6.4控制器智能结构的控制器是智能结构的神经中枢；控制系统应具有控制速度快、鲁棒性和实时性好的特点。6.5控制算法其控制分3个层次：局部控制、全局控制和智能控制。局部控制目标通常为增大阻尼、吸收能量、减小局部应力和应变等，全局控制目标通常为控制结构形状、抑制扰动和稳定结构等，智能控制目标通常为系统辨识、故障诊断和修复、结构功能重构等。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA6.6结构集成技术智能结构的设计和集成技术是影响智能结构推广应用的关键点之一。图3智能材料与结构的集成技术的现状和发展宏观复合细观复合细或纳观复合SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA7几种常用的智能材料7.1形状记忆材料形状记忆材料(SMA)是一种特殊的力—热耦合材料，具有单程、双程和全程记忆功能。它最显著的特性是材料具有形状记忆效应(SME)和超弹性(PE)。形状记忆效应(SME)是指变形后马氏体(SMA)在环境温度上升到母相转变开始温度后，如果不受外力的约束将发生形状恢复；当受外力约束而不能恢复时将输出应力。超弹性(PE)是指处于母相状态的形状记忆合金因应力诱发马氏体相变的发生，其宏观可恢复拉伸应变远大于一般金属材料的弹性变形极限，又称伪弹性。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BUAA形状记忆材料的优缺点优点：本体材料相容性好；变形量大；加热后驱动力大；可实现多种变形等优点。SMA驱动器的动作除温度外几乎不受其它环境条件的影响，具有较好地抗外界干扰特性，相对其他智能复合材料在价格、技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势。缺点为：响应速度慢，只能适合于结构的低频控制；使用时需要较大电流。7.1形状记忆材料SchoolofA