1機(jī)敏結(jié)構(gòu)與壓電材料

　　機(jī)敏結(jié)構(gòu)(Smart Structures)是指在內(nèi)部集成了傳感器與作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，是集成型智能結(jié)構(gòu)(Intelligent Structures)的雛形。機(jī)敏結(jié)構(gòu)的傳感器與作動(dòng)器有多種類(lèi)型，如形狀記憶合金、光導(dǎo)纖維、電流變體、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、壓電材料等。其中壓電材料以其頻響寬、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)而倍受青睞。目前在振動(dòng)工程中應(yīng)用較為廣泛的壓電材料主要有三種，即壓電單晶體(如石英)、壓電功能陶瓷(如PZT)及壓電高分子聚合物(如壓電薄膜PVDF)。其中壓電功能陶瓷多用于機(jī)敏結(jié)構(gòu)的離散控制，而壓電高分子聚合物常用在機(jī)敏結(jié)構(gòu)的分布控制當(dāng)中。

　　壓電材料實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換材料。壓電材料的機(jī)—電耦合特性由它的正、逆壓電效應(yīng)決定。正壓電效應(yīng)指的是作用在壓電材料上的機(jī)械應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為材料上的束縛電荷，而逆壓電效應(yīng)則是作用在壓電材料上的電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)變的現(xiàn)象。利用這種機(jī)—電耦合特性，壓電材料既可作為傳感器，又可作為作動(dòng)器。

　　壓電元件集成機(jī)敏結(jié)構(gòu)的方式有表面粘貼與內(nèi)部嵌入兩種。由于壓電元件體積小、質(zhì)量輕，故集成后不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生明顯影響。比較而言，表面粘貼方式易于實(shí)現(xiàn)，但工作當(dāng)中可能因受損而報(bào)廢。內(nèi)部嵌入方式去除了表面粘結(jié)劑對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，能夠在壓電元件與結(jié)構(gòu)之間建立良好的機(jī)電聯(lián)系。其不足之處在于制造過(guò)程比較復(fù)雜，而且電絕緣相對(duì)困難。

　　2壓電振動(dòng)控制方法

　　壓電材料用于機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常有三種方法，即主動(dòng)控制、被動(dòng)控制及主被動(dòng)混合控制。

　　壓電被動(dòng)控制是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，通過(guò)在壓電元件的電極之間并聯(lián)適當(dāng)?shù)耐獠侩娐穪?lái)耗散或吸收壓電元件所感應(yīng)到的那部分結(jié)構(gòu)能量。按照消耗能量的方式，壓電被動(dòng)控制可分為壓電粘彈性阻尼器與壓電吸振器。前者的外部并聯(lián)電路為電阻元件，而后者的外部電路為電阻與電感元件。受壓電材料自身性能的限制，壓電被動(dòng)控制適于機(jī)敏結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)控制。對(duì)于低頻振動(dòng)，控制系統(tǒng)需要較大的電感元件，給實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。

　　主動(dòng)控制是當(dāng)前振動(dòng)工程中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。這種方法以現(xiàn)代控制理論為主要工具，設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。壓電主動(dòng)控制的基本方法是以壓電材料作為受控結(jié)構(gòu)的傳感器與作動(dòng)器，由傳感器感受因振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，并通過(guò)一定控制律產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)放大后施加于作動(dòng)器，由作動(dòng)器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。壓電主動(dòng)控制方法具有修正設(shè)計(jì)方便、適于低頻振動(dòng)控制等特點(diǎn)，目前已在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。當(dāng)然，這種方法也存在不足，例如當(dāng)壓電傳感器與作動(dòng)器非同位配置時(shí)，就可能出現(xiàn)控制失穩(wěn)的現(xiàn)象。

　　被動(dòng)控制與主動(dòng)控制相結(jié)合形成混合控制策略是當(dāng)前振動(dòng)工程的一個(gè)新興方向。機(jī)敏約束層阻尼控制是壓電主被動(dòng)混合控制中的一個(gè)代表。這種方法基本思想是以可控的壓電材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的約束阻尼控制中的不可控約束層，通過(guò)反饋控制主動(dòng)調(diào)節(jié)壓電約束層的軸向變形，既而影響被動(dòng)阻尼層(常為粘彈性阻尼)的剪切變形，并同時(shí)給機(jī)敏結(jié)構(gòu)施加控制力，以抑制機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。壓電主被動(dòng)混合控制方法中的被動(dòng)阻尼部分可以降低機(jī)敏結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)響應(yīng)，因而拓寬了主動(dòng)控制方法的減振頻帶。同時(shí)被動(dòng)阻尼部分還可以提高控制系統(tǒng)的反饋增益與相位裕度，降低了系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)攝動(dòng)的敏感性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。

　　3壓電材料在機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用

　　利用壓電材料實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的研究最早出現(xiàn)于本世紀(jì)50年代。80年代初期，隨著人們對(duì)壓電材料認(rèn)識(shí)的深入，以壓電材料作為傳感器與作動(dòng)器對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行有效控制的研究迅速發(fā)展起來(lái)。Forward以片狀壓電功能陶瓷PZT為傳感器與作動(dòng)器，對(duì)空間柱狀天線的兩階耦合正交模態(tài)進(jìn)行了控制。Bailey以單面粘貼PVDF層的柔性懸臂梁為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)自由端響應(yīng)信號(hào)的處理，產(chǎn)生控制電壓并作用于PVDF層。由于施加的控制信號(hào)與響應(yīng)速度成比例且反相，故稱(chēng)之為壓電主動(dòng)阻尼控制。Crawley提出了粘貼及嵌入式壓電元件的靜力分析模型，并利用這些模型預(yù)報(bào)機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。Dimitriads將Crawley的研究成果推廣到了2維壓電耦合薄板。Wang則對(duì)嵌入式壓電復(fù)合層板系統(tǒng)進(jìn)行了減振控制，并進(jìn)一步推導(dǎo)了復(fù)合層板單元的壓電方程。

　　上述工作多是以靜力分析方法為基礎(chǔ)的，研究的對(duì)象多是具有典型邊界條件、可獲解析解的簡(jiǎn)單單元模型。對(duì)于比較復(fù)雜的壓電耦合系統(tǒng)，有限元方法無(wú)疑是機(jī)敏結(jié)構(gòu)模型分析的重要工具。Pan給出了表面粘貼壓電作動(dòng)器的簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)響應(yīng)，表明作動(dòng)器附近的應(yīng)變場(chǎng)明顯不同于靜態(tài)應(yīng)力分析的結(jié)果，并指出為了獲得準(zhǔn)確的振動(dòng)響應(yīng)，必須采用動(dòng)力分析方法建立機(jī)敏結(jié)構(gòu)的單元模型。之后，Ha采用變分原理對(duì)壓電復(fù)合層板系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了可用于有限元計(jì)算的壓電彈性體動(dòng)力變分方程。Tzou提出了帶有內(nèi)部自由度的薄3維有限元模型，在一定程度上解決了壓電元件厚度方向剛度偏大的問(wèn)題。Guo以有限元方法及模態(tài)分析技術(shù)研究了具有一定徑厚比的壓電圓盤(pán)的振動(dòng)控制問(wèn)題。1992年，Tzou提出了智能殼(IntelligentShells)的概念，由嵌入式壓電傳感器感受物理、環(huán)境的變化，并由作動(dòng)器通過(guò)一個(gè)反饋控制律對(duì)這些變化予以自適應(yīng)調(diào)節(jié)。Crawley對(duì)壓電耦合系統(tǒng)的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)可行性開(kāi)展了深入研究。結(jié)果表明，壓電材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、姿態(tài)及噪聲控制，在工程界具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的有效性，學(xué)術(shù)界開(kāi)展了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。Fanson采用位置反饋控制方法，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)一個(gè)懸臂梁的前6階模態(tài)進(jìn)行了控制，希望通過(guò)這種方法降低大型空間結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。Hanagud對(duì)壓電耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)辨識(shí)，使學(xué)術(shù)界對(duì)壓電層與受控結(jié)構(gòu)的能量傳遞效率有了初步的認(rèn)識(shí)。Luis采用石墨／環(huán)氧樹(shù)脂設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入壓電材料的機(jī)敏結(jié)構(gòu)模型。在應(yīng)變、速度測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)調(diào)節(jié)器(OptimalRegulator)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)控制，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模型分析結(jié)果進(jìn)行了比較。Lazarus采用Rayleigh-Ritz方法對(duì)一個(gè)壓電平板進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，并利用LQG方法設(shè)計(jì)了該MIMO系統(tǒng)的控制律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了作動(dòng)器的控制能力。Hagood嘗試?yán)猛粋€(gè)壓電元件充當(dāng)傳感器與作動(dòng)器，對(duì)機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行控制。1991年，Hagood首次提出了壓電被動(dòng)控制阻尼的思想。文章對(duì)具有不同的外部并聯(lián)電路的壓電耦合系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并就一個(gè)懸臂梁模型進(jìn)行了振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。1994年，Baz提出了機(jī)敏約束層阻尼控制的方法，并立即引起了學(xué)術(shù)界關(guān)注。為了改善控制效果，F(xiàn)akhroo對(duì)機(jī)敏結(jié)構(gòu)中的壓電作動(dòng)器的位置進(jìn)行了優(yōu)化。另外，路等對(duì)離散PZT控制的懸臂梁進(jìn)行了極點(diǎn)配置，使機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)得到了有效控制。

　　4研究中存在的問(wèn)題

　　采用壓電材料實(shí)現(xiàn)機(jī)敏結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制是一項(xiàng)極具吸引力的研究領(lǐng)域，對(duì)它的深入研究可能會(huì)導(dǎo)致材料工業(yè)的一場(chǎng)變革。目前美、日、法等許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已投入了大量人、財(cái)、物力開(kāi)展這方面的工作，并已在某些特定場(chǎng)合，諸如空間桁架結(jié)構(gòu)、飛機(jī)的彈性外殼或蒙皮等的減振降噪中得到了成功的應(yīng)用。近來(lái)更有一批學(xué)者致力于以壓電材料作為傳感器與作動(dòng)器的柔性機(jī)構(gòu)，如高速柔性連桿機(jī)構(gòu)及柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制研究。

　　筆者認(rèn)為，就目前的研究狀況而言，仍存在著一些亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　4.1壓電耦合殼元的深入研究

　　受模型精細(xì)化思想的影響，壓電耦合系統(tǒng)的單元模型已由梁元、板元發(fā)展到了更為復(fù)雜的殼元。為滿(mǎn)足實(shí)際復(fù)雜的機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的需要，有關(guān)殼元的有限元研究應(yīng)該繼續(xù)開(kāi)展。

　　4.2壓電材料性能的改進(jìn)

　　實(shí)驗(yàn)研究表明，機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果好壞主要取決于壓電作動(dòng)器的性能。受壓電元件性能(如壓電常數(shù)等)的限制，壓電作動(dòng)器所需的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)有時(shí)竟高達(dá)幾百伏，這無(wú)疑給實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)了的困難。因此現(xiàn)有的壓電材料的性能急需改進(jìn)。另外，為了適應(yīng)溫度變化顯著的環(huán)境，具有機(jī)—電—熱耦合特性的壓電材料的理論與應(yīng)用研究也應(yīng)該逐步開(kāi)展。

　　4.3傳感器與作動(dòng)器形狀、位置的研究

　　壓電元件的形狀、位置同樣也是影響機(jī)敏機(jī)構(gòu)減振效果的重要因素。已有的一些研究表明，在相同的外部激勵(lì)下，在機(jī)敏結(jié)構(gòu)的不同位置集成壓電傳感器與作動(dòng)器，其控制效果有很大的差別。因此有必要對(duì)此進(jìn)行更加深入的研究。

　　4.4機(jī)敏約束層阻尼控制的研究

　　由于采用機(jī)敏約束層阻尼控制技術(shù)不僅可以提高控制系統(tǒng)的魯棒性，而且相當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)能量可由被動(dòng)阻尼層吸收，這將在一定程度上減輕壓電約束層的負(fù)擔(dān)，因此受到了許多控制學(xué)者的重視。目前關(guān)于這種壓電混合控制技術(shù)的有限元建模研究剛剛起步，應(yīng)盡快開(kāi)展。

　　5結(jié)論

　　利用壓電材料的機(jī)—電耦合特性可以設(shè)計(jì)壓電傳感器與作動(dòng)器并應(yīng)用于振動(dòng)工程。本文對(duì)近年來(lái)壓電材料在機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并指出了一些在今后研究中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。