电材料在机敏结构振动控制中的应用

的前6阶模态进行了控制，希望通过这种方法降低大型空间结构的振动响应。Hanagud对压电耦合系统的动态耦合系数进行了实验辨识，使学术界对压电层与受控结构的能量传递效率有了初步的认识。Luis采用石墨／环氧树脂设计了一个嵌入压电材料的机敏结构模型。在应变、速度测量的基础上，利用最优调节器（Optimal　Regulator）实现了结构模型的振动控制，并将实验结果与有限元模型分析结果进行了比较。Lazarus采用Rayleigh-Ritz方法对一个压电平板进行了动力学建模，并利用LQG方法设计了该MIMO系统的控制律，实验结果验证了作动器的控制能力。Hagood尝试利用同一个压电元件充当传感器与作动器，对机敏结构的振动进行控制。1991年，Hagood首次提出了压电被动控制阻尼的思想。文章对具有不同的外部并联电路的压电耦合系统进行了分析，并就一个悬臂梁模型进行了振动控制实验。1994年，Baz提出了机敏约束层阻尼控制的方法，并立即引起了学术界关注。为了改善控制效果，Fakhroo对机敏结构中的压电作动器的位置进行了优化。另外，路等对离散PZT控制的悬臂梁进行了极点配置，使机敏结构的振动响应得到了有效控制。

4　研究中存在的问题

　　采用压电材料实现机敏结构的振动控制是一项极具吸引力的研究领域，对它的深入研究可能会导致材料工业的一场变革。目前美、日、法等许多发达国家都已投入了大量人、财、物力开展这方面的工作，并已在某些特定场合，诸如空间桁架结构、飞机的弹性外壳或蒙皮等的减振降噪中得到了成功的应用。近来更有一批学者致力于以压电材料作为传感器与作动器的柔性机构，如高速柔性连杆机构及柔性机械臂的振动控制研究。
　　笔者认为，就目前的研究状况而言，仍存在着一些亟待解决的关键问题。

    4.1　压电耦合壳元的深入研究
　　受模型精细化思想的影响，压电耦合系统的单元模型已由梁元、板元发展到了更为复杂的壳元。为满足实际复杂的机敏结构振动控制的需要，有关壳元的有限元研究应该继续开展。

    4.2　压电材料性能的改进
　　实验研究表明，机敏结构振动控制效果好坏主要取决于压电作动器的性能。受压电元件性能（如压电常数等）的限制，压电作动器所需的驱动电压信号有时竟高达几百伏，这无疑给实际工程应用带来了的困难。因此现有的压电材料的性能急需改进。另外，为了适应温度变化显著的环境，具有机—电—热耦合特性的压电材料的理论与应用研究也应该逐步开展。

    4.3　传感器与作动器形状、位置的研究
　　压电元件的形状、位置同样也是影响机敏机构减振效果的重要因素。已有的一些研究表明，在相同的外部激励下，在机敏结构的不同位置集成压电传感器与作动器，其控制效果有很大的差别。因此有必要对此进行更加深入的研究。

    4.4　机敏约束层阻尼控制的研究
　　由于采用机敏约束层阻尼控制技术不仅可以提高控制系统的鲁棒性，而且相当一部分结构能量可由被动阻尼层吸收，这将在一定程度上减轻压电约束层的负担，因此受到了许多控制学者的重视。目前关于这种压电混合控制技术的有限元建模研究刚刚起步，应尽快开展。

5　结论

　　利用压电材料的机—电耦合特性可以设计压电传感器与作动器并应用于振动工程。本文对近年来压电材料在机敏结构振动控制中的应用情况进行了简要介绍，并指出了一些在今后研究中亟待解决的关键问题。