智能结构动力学与控制

内容简介

《智能结构动力学与控制》论述了智能结构的动力学分析、建模、控制及其设计。书中论述的内容处于自动控制、结构力学等学科的前沿交叉领域，除了参考当前国内外已有的论著外，还融入了作者多年的教学和研究成果。书中着重于计算机仿真与实验相结合以及理论分析与应用实例相结合。
　　与当前国内外已有相关论著相比，《智能结构动力学与控制》是一部机械力学和自动控制学科深度交叉、系统反映成果的参考书，可供对智能结构动力学分析、建模、控制、设计及其应用，迟滞非线性控制系统建模与控制、机电系统动力学分析和设计感兴趣的高校学生、教师、科研人员参考。

目录

序
前言
第0章 绪论
参考文献
第1章 智能结构动力学基础
1.1 结构动力学基本理论
1.1.1 哈密顿原理
1.1.2 拉格朗日运动方程——广义坐标系下的哈密顿原理
1.1.3 多自由度线性系统振动的固有频率及振型
1.2 结构动力学问题的分析与计算方法
1.2.1 弹性结构动力学问题分析的有限元方法
1.2.2 模态分析法求解动力学方程
1.3 阻尼模型
1.3.1 黏滞阻尼及等效黏滞阻尼
1.3.2 结构阻尼
1.3.3 结构分析中的阻尼模型
参考文献
第2章 智能结构控制理论基础
2.1 智能结构的迟滞非线性特性
2.1.1 迟滞非线性系统特性
2.1.2 智能结构迟滞非线性
2.2 迟滞非线性系统建模基础
2.2.1 迟滞非线性系统基于物理建模基础
2.2.2 迟滞非线性系统基于算子建模基础
2.2.3 迟滞非线性系统基于计算智能建模基础
2.3 迟滞非线性系统控制基础
2.3.1 迟滞非线性系统逆补偿原理
2.3.2 迟滞非线性系统复合控制原理
2.3.3 迟滞非线性系统反馈控制原理
参考文献
第3章 智能结构中的压电作动器及机-电耦合动力学原理
3.1 压电材料概述
3.1.1 压电效应及其应用
3.1.2 压电材料的线弹性本构关系
3.1.3 压电材料的重要参数
3.2 机电耦合系统动力学原理
3.2.1 电路系统的能量泛函
3.2.2 机电耦合系统的能量泛函及哈密顿变分原理的数学表达式
3.2.3 机电耦合系统的动力学方程
3.3 压电叠堆作动器及其机电耦合动力学
3.3.1 压电叠堆作动器概述
3.3.2 压电叠堆作动器耦合动力学特性
参考文献
第4章 智能结构中的磁致伸缩作动器及电-磁-力耦合动力学
4.1 超磁致伸缩材料概述
4.2 超磁致伸缩材料的非线性本构关系
4.2.1 磁化本构关系
4.2.2 磁致伸缩本构关系
4.2.3 应力-应变本构关系
4.3 磁致伸缩作动器的基本原理及输出特性
4.3.1 磁致伸缩作动器的基本原理
4.3.2 磁致伸缩作动器的输出特性
4.4 磁致伸缩作动器电-磁-力耦合动力学
4.4.1 磁致伸缩作动器的电-磁-力耦合动力学方程
4.4.2 磁致伸缩作动器动态位移输出（迟滞响应）的理论解
4.5 磁致伸缩作动器的共振频率
4.5.1 无电流输入（作动器不工作）时的共振频率
4.5.2 有电流输入（作动器工作）时的共振频率
4.5.3 小结
参考文献
第5章 智能结构中的柔性元件
5.1 高精度转动连接结构
5.1.1 高精度转动连接的结构形式及原理
5.1.2 复合型万向柔性铰的设计原理及方法
5.2 空间对称圆锥曲线切口式柔性转动连接
5.2.1 空间对称圆锥曲线切口式柔性铰的转动刚度
5.2.2 空间对称圆锥曲线切口柔性铰的万向特性
5.2.3 空间对称圆锥曲线切口柔性铰的轴向刚度、强度与精度
5.2.4 空间对称圆锥曲线切口式柔性铰的设计方法
5.2.5 空间对称圆锥曲线切口式柔性铰的设计实例
5.3 柔性微位移放大机构
5.3.1 柔性微位移放大机构原理
5.3.2 几种典型的微位移放大机构
5.3.3 柔性微位移放大机构的设计要点及其在工程中的应用
参考文献
第6章 几类基于超磁致伸缩材料的智能结构动力学分析与设计
6.1 智能光轴稳定系统
6.2 智能高精度Stewart定位平台
6.2.1 智能高精度Stewart定位平台的原理与设计
6.2.2 智能高精度Stewart定位平台的动力学分析
6.2.3 智能高精度Stewart定位平台的实验分析
6.3 大载荷高精度智能隔振平台
6.3.1 大载荷高精度智能隔振平台的原理与设计
6.3.2 大载荷高精度智能隔振平台的动力学分析
6.3.3 大载荷高精度智能隔振平台的实验分析
6.4 大载荷模块式智能隔振平台
6.4.1 大载荷模块式

摘要与插图

第0章 绪论
　　1.智能结构与学科交叉
　　控制论的奠基人维纳在20世纪40年代末曾说：“如果我说，第一次工业革命是革‘阴暗的魔鬼的磨房’的命，是人手由于和机器竞争而贬值..；那么现代的工业革命就在于人脑的贬值，至少人脑所起的较简单的、较具有常规性质的判断作用将被贬值。”钱学森曾引用这一句话来说明控制论和自动化在人类生产力发展中的重要性［1］。
　　然而，人类并未满足于实现“人脑所起的较简单的、较具有常规性质的判断作用”。自从计算机问世以来，人工智能虽然经历了几起几落的发展历程，但科学家们仍未言弃，真可谓“上下求索”。例如，家喻户晓的象棋大师卡斯帕罗夫与计算机深蓝的对决，以及美国有46年历史的电视知识竞赛Jeopardy与计算机沃森的竞赛都表明人脑和电脑谁更聪明、更机敏的角逐从未停止过。这便是20世纪以来自动控制领域中“智能化”兴起的背景。
　　顾名思义，“智能”是指人和动物具有的一种能获取外部或内部信息，对所获得的信息进行分析、判断后做出有目的的动作的能力。“智能化”中一个重要的方面是研究如何使计算机具有人类的逻辑推理、分析判断、语言，甚至情感等能力，即人工智能，它属于计算机科学中的一个重要研究领域。“智能化”的另一个方面是研究如何使某个结构具有获取信息，并对信息进行分析判断后做出适当的响应等能力，这就是具有“仿生”功能的“智能结构”。这是一个处于材料科学、控制科学和机械科学交叉领域前沿的重要研究方向，本书的内容即属于这一领域。
　　关于智能材料，在一些书中已有详细的论述［2，3］。我国大百科全书中有关智能材料有这样的阐述［4］：“智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。”
　　含有智能材料的结构称为智能结构，它与一般结构的主要区别在于：①在构成方面，除了一般的结构材料外，还含有“智能材料”，故智能结构也称为智能材料结构；②在功能方面，除了承载等一般的机械功能外，还具有获取结构外部或内部信息并对该信息进行分析、判断后做出适当响应的能力。事实上，这一功能是由智能结构中的控制系统实现的，而智能材料则起到了控制系统中传感器或作动器的作用。
　　”译成中文为：“一般认为，一个智能结构是集结构、传感器、作动器和控制模块为一体的系统。当前大量的兴趣在于在各种物理系统中应用智能结构技术，如主动振动、噪声、气弹性稳定性、阻尼、形状控制、健康监测、过程监测和损伤与分层的探测等。”
　　以上的这些定义和概念，将作为本书的基矗
　　20世纪80年代以来，智能材料和智能结构的研究一直方兴未艾，形成了一个材料、控制和机械等学科交叉的相关研究领域。图0.1为材料、控制和机械三学科的交叉示意图。
　　由于篇幅所限，本书主要论述采用智能材料的结构的设计、动力学分析和建模与控制，即本书的内容主要为图0.1中的区域2和区域1中的部分。换而言之，主要涉及机电一体结构动力学与自动控制的交叉领域。至于智能材料的性能与研制等内容，仅对论述与本书有关的压电和磁致伸缩作动器的原理时有所涉及，更多的详情未能尽述。
　　近30年来，在微位移和微振动的控制等领域开辟了一条传统方法所不及的全新的技术途径。例如，对于低频（100Hz以下）的微振动，传统的抑振方法已力所不及，而此类振动又往往是飞行器飞行时经常遇到的，借助智能结构的主动振动控制技术便是解决这一问题的有效途径。诸如此类，使得智能结构的应用范围不断扩大，据国内外已发表的资料所述，有的智能结构已用于超精密定