1機敏結構與壓電材料

　　機敏結構(Smart Structures)是指在內部集成了傳感器與作動器的結構，是集成型智能結構(Intelligent Structures)的雛形。機敏結構的傳感器與作動器有多種類型，如形狀記憶合金、光導纖維、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、結構簡單、價格便宜等特點而倍受青睞。目前在振動工程中應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敏結構的離散控制，而壓電高分子聚合物常用在機敏結構的分布控制當中。

　　壓電材料實際上是一種能量轉換材料。壓電材料的機—電耦合特性由它的正、逆壓電效應決定。正壓電效應指的是作用在壓電材料上的機械應力會轉化為材料上的束縛電荷，而逆壓電效應則是作用在壓電材料上的電勢能轉化為機械應變的現象。利用這種機—電耦合特性，壓電材料既可作為傳感器，又可作為作動器。

　　壓電元件集成機敏結構的方式有表面粘貼與內部嵌入兩種。由于壓電元件體積小、質量輕，故集成后不會對原結構的動力學特性產生明顯影響。比較而言，表面粘貼方式易于實現，但工作當中可能因受損而報廢。內部嵌入方式去除了表面粘結劑對結構的影響，能夠在壓電元件與結構之間建立良好的機電聯系。其不足之處在于制造過程比較復雜，而且電絕緣相對困難。

　　2壓電振動控制方法

　　壓電材料用于機敏結構的振動控制，控制系統的設計通常有三種方法，即主動控制、被動控制及主被動混合控制。

　　壓電被動控制是利用壓電材料的正壓電效應，通過在壓電元件的電極之間并聯適當的外部電路來耗散或吸收壓電元件所感應到的那部分結構能量。按照消耗能量的方式，壓電被動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，壓電被動控制適于機敏結構的高頻振動控制。對于低頻振動，控制系統需要較大的電感元件，給實際工程應用帶來了一定的困難。

　　主動控制是當前振動工程中的一個研究熱點。這種方法以現代控制理論為主要工具，設計出的控制系統具有很強的環境適應能力。壓電主動控制的基本方法是以壓電材料作為受控結構的傳感器與作動器，由傳感器感受因振動產生的結構應變，將其轉變為相應的電信號，并通過一定控制律產生控制信號，經放大后施加于作動器，由作動器將電能轉化為機械能，從而實現機敏結構的振動控制。壓電主動控制方法具有修正設計方便、適于低頻振動控制等特點，目前已在許多領域得到了應用。當然，這種方法也存在不足，例如當壓電傳感器與作動器非同位配置時，就可能出現控制失穩的現象。

　　被動控制與主動控制相結合形成混合控制策略是當前振動工程的一個新興方向。機敏約束層阻尼控制是壓電主被動混合控制中的一個代表。這種方法基本思想是以可控的壓電材料代替傳統的約束阻尼控制中的不可控約束層，通過反饋控制主動調節壓電約束層的軸向變形，既而影響被動阻尼層(常為粘彈性阻尼)的剪切變形，并同時給機敏結構施加控制力，以抑制機敏結構的振動響應。壓電主被動混合控制方法中的被動阻尼部分可以降低機敏結構的高頻振動響應，因而拓寬了主動控制方法的減振頻帶。同時被動阻尼部分還可以提高控制系統的反饋增益與相位裕度，降低了系統對結構參數攝動的敏感性，提高了系統的穩定性與魯棒性。

　　3壓電材料在機敏結構振動控制中的應用

　　利用壓電材料實現振動控制的研究最早出現于本世紀50年代。80年代初期，隨著人們對壓電材料認識的深入，以壓電材料作為傳感器與作動器對柔性結構的振動響應進行有效控制的研究迅速發展起來。Forward以片狀壓電功能陶瓷PZT為傳感器與作動器，對空間柱狀天線的兩階耦合正交模態進行了控制。Bailey以單面粘貼PVDF層的柔性懸臂梁為研究對象，通過對自由端響應信號的處理，產生控制電壓并作用于PVDF層。由于施加的控制信號與響應速度成比例且反相，故稱之為壓電主動阻尼控制。Crawley提出了粘貼及嵌入式壓電元件的靜力分析模型，并利用這些模型預報機敏結構的振動響應。Dimitriads將Crawley的研究成果推廣到了2維壓電耦合薄板。Wang則對嵌入式壓電復合層板系統進行了減振控制，并進一步推導了復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的，研究的對象多是具有典型邊界條件、可獲解析解的簡單單元模型。對于比較復雜的壓電耦合系統，有限元方法無疑是機敏結構模型分析的重要工具。Pan給出了表面粘貼壓電作動器的簡支梁的振動響應，表明作動器附近的應變場明顯不同于靜態應力分析的結果，并指出為了獲得準確的振動響應，必須采用動力分析方法建立機敏結構的單元模型。之后，Ha采用變分原理對壓電復合層板系統進行了研究，建立了可用于有限元計算的壓電彈性體動力變分方程。Tzou提出了帶有內部自由度的薄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題。Guo以有限元方法及模態分析技術研究了具有一定徑厚比的壓電圓盤的振動控制問題。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、環境的變化，并由作動器通過一個反饋控制律對這些變化予以自適應調節。Crawley對壓電耦合系統的構成及實現可行性開展了深入研究。結果表明，壓電材料可以實現機敏結構的振動、姿態及噪聲控制，在工程界具有廣泛的應用前景。

　　為了驗證理論分析結果的有效性，學術界開展了廣泛的實驗研究。Fanson采用位置反饋控制方法，在實驗室條件下，對一個懸臂梁的前6階模態進行了控制，希望通過這種方法降低大型空間結構的振動響應。Hanagud對壓電耦合系統的動態耦合系數進行了實驗辨識，使學術界對壓電層與受控結構的能量傳遞效率有了初步的認識。Luis采用石墨／環氧樹脂設計了一個嵌入壓電材料的機敏結構模型。在應變、速度測量的基礎上，利用最優調節器(OptimalRegulator)實現了結構模型的振動控制，并將實驗結果與有限元模型分析結果進行了比較。Lazarus采用Rayleigh-Ritz方法對一個壓電平板進行了動力學建模，并利用LQG方法設計了該MIMO系統的控制律，實驗結果驗證了作動器的控制能力。Hagood嘗試利用同一個壓電元件充當傳感器與作動器，對機敏結構的振動進行控制。1991年，Hagood首次提出了壓電被動控制阻尼的思想。文章對具有不同的外部并聯電路的壓電耦合系統進行了分析，并就一個懸臂梁模型進行了振動控制實驗。1994年，Baz提出了機敏約束層阻尼控制的方法，并立即引起了學術界關注。為了改善控制效果，Fakhroo對機敏結構中的壓電作動器的位置進行了優化。另外，路等對離散PZT控制的懸臂梁進行了極點配置，使機敏結構的振動響應得到了有效控制。

　　4研究中存在的問題

　　采用壓電材料實現機敏結構的振動控制是一項極具吸引力的研究領域，對它的深入研究可能會導致材料工業的一場變革。目前美、日、法等許多發達國家都已投入了大量人、財、物力開展這方面的工作，并已在某些特定場合，諸如空間桁架結構、飛機的彈性外殼或蒙皮等的減振降噪中得到了成功的應用。近來更有一批學者致力于以壓電材料作為傳感器與作動器的柔性機構，如高速柔性連桿機構及柔性機械臂的振動控制研究。

　　筆者認為，就目前的研究狀況而言，仍存在著一些亟待解決的關鍵問題。

　　4.1壓電耦合殼元的深入研究

　　受模型精細化思想的影響，壓電耦合系統的單元模型已由梁元、板元發展到了更為復雜的殼元。為滿足實際復雜的機敏結構振動控制的需要，有關殼元的有限元研究應該繼續開展。

　　4.2壓電材料性能的改進

　　實驗研究表明，機敏結構振動控制效果好壞主要取決于壓電作動器的性能。受壓電元件性能(如壓電常數等)的限制，壓電作動器所需的驅動電壓信號有時竟高達幾百伏，這無疑給實際工程應用帶來了的困難。因此現有的壓電材料的性能急需改進。另外，為了適應溫度變化顯著的環境，具有機—電—熱耦合特性的壓電材料的理論與應用研究也應該逐步開展。

　　4.3傳感器與作動器形狀、位置的研究

　　壓電元件的形狀、位置同樣也是影響機敏機構減振效果的重要因素。已有的一些研究表明，在相同的外部激勵下，在機敏結構的不同位置集成壓電傳感器與作動器，其控制效果有很大的差別。因此有必要對此進行更加深入的研究。

　　4.4機敏約束層阻尼控制的研究

　　由于采用機敏約束層阻尼控制技術不僅可以提高控制系統的魯棒性，而且相當一部分結構能量可由被動阻尼層吸收，這將在一定程度上減輕壓電約束層的負擔，因此受到了許多控制學者的重視。目前關于這種壓電混合控制技術的有限元建模研究剛剛起步，應盡快開展。

　　5結論

　　利用壓電材料的機—電耦合特性可以設計壓電傳感器與作動器并應用于振動工程。本文對近年來壓電材料在機敏結構振動控制中的應用情況進行了簡要介紹，并指出了一些在今后研究中亟待解決的關鍵問題。