智能材料及其在振动控制中的应用

智能材料及其在振动控制中的应用

张海岩

(华北电力大学动力系，北京，102206)

摘要：智能材料是当今世界上正在发展的新兴边缘学科，属前沿性研究领域，它是多学科交叉的，材料科学，力学，机械学，仿生学，微电子学与计算机科学，控制理论，光学及信号处理技术，结构制造工艺技术等众多科学理论和工程技术。而在工程应用方面，压电智能材料在振动控制中的应用可称为智能材料应用的典范。

关键字：智能材料, 压电智能材料, 振动控制

1. 引言

智能材料，就是在基体中嵌入或粘贴智能材料以作为传感器和驱动器，并且具有对驱动器有控制作用的控制电路，从而能够感知外界环境的变化，及自身的实际状态，并能够通过自身的感知，作出识别与判断，发出指令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下的自检测，自诊断，自监控，自修复及自适应功能[1]。基于此，一个完整的智能材料组成的系统应具有四种主要功能：

(1)有效的感知环境参数的变化。

(2)对参数变化信息的传输。

(3)对参数变化信息的分析与判断。

(4)及时的自修复与自适应。

目前国内关于智能材料的研究工作主要集中在各种不同的智能材料特性的探索上，并研制出多种具有不同特点的智能材料，但对智能材料应用的研究还相对较少，究其原因，智能材料是一个多学科相互交叉的，需要有广泛的知识面来处理设计及应用过程中各个方面的问题。智能材料的基本特性依赖于结构设计和动力学分析，而具体结构的应用又对基本材料和复合方法提出了许多特殊要求。

2. 特性

2.1 敏感特性

敏感特性是指融入材料从而使新的复合材料能感知环境的各种参数及变化。我们在设计智能材料的过程中，首先应考虑的就是智能材料对环境不同参数的敏感特性。它是完成智能结构四大功能的关键环节，也是后续工作的基础。目前常用的具有敏感特性的智能材料主要有压电智能材料、光纤传感器及形状记忆合金。在后面的内容中将着重介绍压电智能材料。

2.2 传输特性

传输特性是指在将智能材料在第一个环节中得到的环境参数及变化的内容传回到控制

电路中去，再将控制电路处理后的信息传回到驱动器中，进行执行功能。目前国内外的智能结构设计中还主要是采用有线的传输。其中比较成功的主要是光纤传导网络，它集成了感知与传输功能，并能够采取较有效的算法。但是可以预见，未来的传输方式的主流将向无线传输的方式发展，以利于智能材料的更广泛的应用。

2.3 相容特性

相容性是指埋置的材料性质与原构件的材料基质的性质的相容特性。这是影响智能材料的设计的关键，因为如果埋置材料的性质与原构件的性质不相容，则埋置材料本身就已经对基体结构产生了破坏，这有违智能材料设计的原则。因此采用有效设计以避免对基体材料的破坏是智能材料设计的一个重要内容。相容性包括以下几方面：强度相容、界面相容、尺寸相容、场分布相容。

2.4 智能特性

智能特性是指控制电路对感知信息的处理能力。这种特性的优越与否主要依赖于设计人员对控制方法的理解与应用，这也是系统的核心部分。目前的处理控制电路的方法主要有两种：一，利用普通计算机的芯片进行控制。二，将智能材料埋入超小型芯片，从而将智能材料的四大功能集成。其中第二种方法是当今世界智能材料研究的发展趋势。但是它也面临着重重困难，如控制电路的微小化设计，电源的处理，及驱动机构的执行能力不够等问题，这些问题正逐步得到解决。

2.5 驱动特性

驱动特性是指驱动器对由控制电路发出的驱动信号的反应及处理能力。它由智能材料中的各种微型驱动系统来实现，使智能材料自动适应环境中应力振动、温度等变化或自行修复各种构件的损伤。

3. 压电智能材料

压电智能材料是一类具有良好压电效应的材料，在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷，若将这类电解质晶体放在电场中，电场的作用将使电解质内部正负电荷中心发生相对位移而导致形变，反过来，在压电介质发生形变时，其电解质内部的正负电荷也会向两端集聚，我们可以通过它的积聚电荷的多少来推算材料的形变程度，这分别是压电材料的正逆压电效应。根据这个原理，可有效的将系统的传感器与驱动器集成为一体。目前的压电智能材料主要应用于材料的损伤诊断与自适应、振动控制等方面。在材料的损伤诊断中主要是采用压电材料的正效应进行诊断，采用逆效应进行自适应。而在振动控制方面的研究则主要集中在以下四个方面；

(1) 力学研究：在基体结构中镶嵌或粘贴压电材料，及其作动和传感原理。

(2) 控制研究：控制算法和控制效果的研究，包括主动和被动控制。主动控制又包括开环和

闭环两类。此外还包括压电元件优化布置问题。

(3) 压电智能材料的应用。

(4) 压电智能材料的实验研究，验证理论与实际是否符合。

4.压电智能材料在振动控制中的应用

对于以振动控制为目的的压电智能材料而言，它的研究重点是以材料的动力响应为目标的主动控制，它有两种形式，主动阻尼控制和主动消振控制[4]。这项研究的基本问题集中在压电智能材料动力学建模，动力学问题的数值解法及其实验验证，振动控制中的优化问题及其计算方法上，对控制方法进行改进，提出分布压电单元法对控制对象的振动进行控制，并与人工智能和神经网络等高新技术综合集成，赋予结构系统辨识、故障诊断和定位、故障元件的自隔离、修复和功能重构、在线自适应学习[7]。

因此，可知主动控制的重点在于算法及控制的鲁棒性、实时性和在线性。关于算法，即采用模态函数法讨论其最优化配置问题，采用数值算法求出应变值，从理论上得出各阶模态下的贴片位置，采用阻尼控制对阻尼结构进行了优化设计。

在这方面比较成功的例子是应用埋入材料中的压电陶瓷检测材料破坏时的声发射来确定故障发生的地点和类型[5]。应用埋入材料中的一组压电陶瓷为驱动器，由它发出激振信号，另一组压电陶瓷作为传感器检测信号，然后利用埋入材料中的另一组压电陶瓷既作为传感器又作为驱动器，由它对结构激振，同时它的某些参数（比如阻抗）变化情况反映了结构的故障情况。通过检测统计决策模式识别或利用神经网络方法来判断故障的位置和类型。最后控制电路通过相应算法对这些参数信息进行处理作出驱动信号，由驱动器，即压电陶瓷来执行。

另一个比较经典的应用是通过对压电元件施加电场等，使结构本身的固有频率发生改变，避开或远离外界激励频率，从而降低结构的振动水平。

根据振动控制的研究重点，可大致得到压电智能材料的设计流程：建立模型，进行智能结构的有限元分析、得到模型的各阶模态，进行动力学分析、瞬态响应分析，得到振动控制对象的各阶模态下驱动器放置的最优布局及减振结果[6]。

5. 结束语

当前国际上研究热点还主要集中在理论研究方面，包括：智能结构数学力学、智能材料、智能传感器、智能执行器、智能控制的理论与关键共性技术、智能设计理论与方法、智能材料的应用基础研究。

在工程应用方面，通过采用合理的控制策略以及适当的反馈增益，最大程度的发挥压电