1機敏結(jié)構(gòu)與壓電材料

　　機敏結(jié)構(gòu)(Smart Structures)是指在內(nèi)部集成了傳感器與作動器的結(jié)構(gòu)，是集成型智能結(jié)構(gòu)(Intelligent Structures)的雛形。機敏結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等特點而倍受青睞。目前在振動工程中應(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敏結(jié)構(gòu)的離散控制，而壓電高分子聚合物常用在機敏結(jié)構(gòu)的分布控制當中。

　　壓電材料實際上是一種能量轉(zhuǎn)換材料。壓電材料的機—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械應(yīng)力會轉(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能轉(zhuǎn)化為機械應(yīng)變的現(xiàn)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(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，故集成后不會對原結(jié)構(gòu)的動力學特性產(chǎn)生明顯影響。比較而言，表面粘貼方式易于實現(xiàn)，但工作當中可能因受損而報廢。內(nèi)部嵌入方式去除了表面粘結(jié)劑對結(jié)構(gòu)的影響，能夠在壓電元件與結(jié)構(gòu)之間建立良好的機電聯(lián)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(jié)構(gòu)的振動控制，控制系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)，通過在壓電元件的電極之間并聯(lián)適當?shù)耐獠侩娐穪砗纳⒒蛭諌弘娫袘?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，壓電被動控制適于機敏結(jié)構(gòu)的高頻振動控制。對于低頻振動，控制系統(tǒng)需要較大的電感元件，給實際工程應(yīng)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(xiàn)代控制理論為主要工具，設(shè)計出的控制系統(tǒng)具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力。壓電主動控制的基本方法是以壓電材料作為受控結(jié)構(gòu)的傳感器與作動器，由傳感器感受因振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，并通過一定控制律產(chǎn)生控制信號，經(jīng)放大后施加于作動器，由作動器將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而實現(xiàn)機敏結(jié)構(gòu)的振動控制。壓電主動控制方法具有修正設(shè)計方便、適于低頻振動控制等特點，目前已在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)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(xiàn)控制失穩(wěn)的現(xiàn)象。

　　被動控制與主動控制相結(jié)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?zhèn)鹘y(tǒng)的約束阻尼控制中的不可控約束層，通過反饋控制主動調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)施加控制力，以抑制機敏結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。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(jié)構(gòu)的高頻振動響應(yīng)，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(tǒng)的反饋增益與相位裕度，降低了系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)參數(shù)攝動的敏感性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。

　　3壓電材料在機敏結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用

　　利用壓電材料實現(xiàn)振動控制的研究最早出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進行有效控制的研究迅速發(fā)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(tài)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(yīng)信號的處理，產(chǎn)生控制電壓并作用于PVDF層。由于施加的控制信號與響應(yīng)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(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。Dimitriads將Crawley的研究成果推廣到了2維壓電耦合薄板。Wang則對嵌入式壓電復合層板系統(tǒng)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。#p#分頁標題#e#

　　上述工作多是以靜力分析方法為基礎(chǔ)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(tǒng)，有限元方法無疑是機敏結(jié)構(gòu)模型分析的重要工具。Pan給出了表面粘貼壓電作動器的簡支梁的振動響應(yīng)，表明作動器附近的應(yīng)變場明顯不同于靜態(tài)應(yīng)力分析的結(jié)果，并指出為了獲得準確的振動響應(yīng)，必須采用動力分析方法建立機敏結(jié)構(gòu)的單元模型。之后，Ha采用變分原理對壓電復合層板系統(tǒng)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(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(huán)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(yīng)調(diào)節(jié)。Crawley對壓電耦合系統(tǒng)的構(gòu)成及實現(xiàn)可行性開展了深入研究。結(jié)果表明，壓電材料可以實現(xiàn)機敏結(jié)構(gòu)的振動、姿態(tài)及噪聲控制，在工程界具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　為了驗證理論分析結(jié)果的有效性，學術(shù)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(tài)進行了控制，希望通過這種方法降低大型空間結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。Hanagud對壓電耦合系統(tǒng)的動態(tài)耦合系數(shù)進行了實驗辨識，使學術(shù)界對壓電層與受控結(jié)構(gòu)的能量傳遞效率有了初步的認識。Luis采用石墨／環(huán)氧樹脂設(shè)計了一個嵌入壓電材料的機敏結(jié)構(gòu)模型。在應(yīng)變、速度測量的基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)調(diào)節(jié)器(OptimalRegulator)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模型的振動控制，并將實驗結(jié)果與有限元模型分析結(jié)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(shè)計了該MIMO系統(tǒng)的控制律，實驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(lián)電路的壓電耦合系統(tǒng)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(shù)界關(guān)注。為了改善控制效果，F(xiàn)akhroo對機敏結(jié)構(gòu)中的壓電作動器的位置進行了優(yōu)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(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)得到了有效控制。

　　4研究中存在的問題

　　采用壓電材料實現(xiàn)機敏結(jié)構(gòu)的振動控制是一項極具吸引力的研究領(lǐng)域，對它的深入研究可能會導致材料工業(yè)的一場變革。目前美、日、法等許多發(fā)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(jié)構(gòu)、飛機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(gòu)，如高速柔性連桿機構(gòu)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(guān)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(tǒng)的單元模型已由梁元、板元發(fā)展到了更為復雜的殼元。為滿足實際復雜的機敏結(jié)構(gòu)振動控制的需要，有關(guān)殼元的有限元研究應(yīng)該繼續(xù)開展。

　　4.2壓電材料性能的改進

　　實驗研究表明，機敏結(jié)構(gòu)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(shù)等)的限制，壓電作動器所需的驅(qū)動電壓信號有時竟高達幾百伏，這無疑給實際工程應(yīng)用帶來了的困難。因此現(xiàn)有的壓電材料的性能急需改進。另外，為了適應(yīng)溫度變化顯著的環(huán)境，具有機—電—熱耦合特性的壓電材料的理論與應(yīng)用研究也應(yīng)該逐步開展。#p#分頁標題#e#

　　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(gòu)減振效果的重要因素。已有的一些研究表明，在相同的外部激勵下，在機敏結(jié)構(gòu)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(shù)不僅可以提高控制系統(tǒng)的魯棒性，而且相當一部分結(jié)構(gòu)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(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)盡快開展。

　　5結(jié)論

　　利用壓電材料的機—電耦合特性可以設(shè)計壓電傳感器與作動器并應(yīng)用于振動工程。本文對近年來壓電材料在機敏結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)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(guān)鍵問題。