1.2　基于智能结构的振动控制研究现状

随着科学技术的迅猛发展，飞行器、船舶、车辆等运载工具以及机床等机电产品都需要在短时间内不断的更新换代，以适应市场经济下的产品竞争和人们对可靠性、经济性和舒适性等方面不断增长的要求。由于环境日趋复杂，结构日趋轻柔，机械日趋精密高速，振动以及由此产生的噪声、疲劳等问题制约了许多设备的发展[21-23]。

船舶在航行过程中会受到螺旋桨和波涛等外界干扰激励的作用，这些干扰会使得船身产生不同程度的振动，从某种程度上破坏船舶的舒适性[24]。对于船上的船员或者乘客而言，过大的振动可能会引起身体的不适，危害其身体健康，而影响工作效率。持续的振动还会导致局部结构甚至整个船体的疲劳裂纹，影响到一些精密仪器设备的正常运转，破坏整个船舶的稳定性能。另外，振动产生的噪声会使得战舰尤其是潜水艇暴露在敌方的火力之下，破坏船体的安全性能。为了提高船舶的安全性、舒适性和稳定性能，必须要对其进行振动控制。

在机械工程结构中，包括各种用途的机械臂结构、硬盘驱动装置、运动伺服控制系统、工业磁悬浮控制系统、各种用途的加工机床以及高精度的测量仪器等，这些系统的精度往往会受到本身结构的振动的影响引起诸如位置不确定转矩、磁头的抖动、载荷转矩变化、列车轨道水平位置振动以及加工精度和仪器灵敏度下降[25-27]。此外，机械控制系统还会受到运行工况以及复杂外界干扰激励带来的振动影响[28]。

在汽车工程领域，汽车由于道路的实际情况，颠簸将产生垂直方向的振动[29]。组成汽车的大量元件都或多或少地影响到它的性能，并且长期的颠簸会让人感觉不舒服，极大地影响乘客舒适度。另外由于发动机振动等外界干扰激励引起的噪声，给驾驶员和乘客造成最直接的影响，不仅仅影响乘客的舒适感，而且容易使得驾驶员产生疲劳甚至产生交通事故，给人们的生命财产安全带来诸多不利的后果。为了改善驾驶舒适性和安全性，对车辆悬架振动控制系统的研究和开发是车辆动力学和控制领域的国际性前沿课题[30]。

在航空航天领域，随着航空航天技术的不断发展与进步，为了降低结构重量，提高飞行器的有效载荷比重，设备的大型化、轻型化和高度集成化成为各类航空航天结构的一个重要发展趋势[31]。另外，随着各种精密仪器设备在飞行器中的广泛应用，这也给飞行器的动力学环境提出了更高的要求[32]。然而，飞行器的特殊性决定了其内部的动力学环境非常恶劣。诸如太阳能帆板电池、卫星天线等结构在太空中工作时，一旦受到外部的某种干扰激励，如太阳风、对接碰撞、结构伸展等，都将引起结构激烈且持续的振动，这不仅会直接影响航天结构姿态的稳定性而影响运行精度，还会过早引起结构产生疲劳裂纹而降低结构的使用寿命[33-35]。另外，随着国产大型客机研发如火如荼的进行，飞机在高空快速飞行时，流经机身的高速气流作用在垂尾上，引起垂尾的振动，以及飞机发动机引起的振动等将破坏客机的安全性、经济性、舒适性、环保性[36，37]。

如果不采用振动控制措施，长期的结构振动将使飞行器结构出现疲劳损伤破坏结构的安全性，并传递到精密仪器，导致其精度降低甚至破坏设备。为了提高精密设备的精度和可靠性，避免精密仪器设备的测量失效，需要抑制飞行器传递的振动和冲击载荷[38，39]。

工程中尤其是航空、船舶和汽车行业为了提高板的刚度和强度，广泛用加强框、长桁和铆钉等组成的板结构即加筋板[40-42]。这种结构具有重量轻和刚度大的优点，能提高整个结构的稳定性，而且节省材料，而增加的重量一般很小。所以加筋壁板是船舶、汽车的甲板、车身，尤其是飞机舱体及翼面结构中最具有代表性的组成部分。这些加筋壁板，一旦由于振动产生疲劳裂纹，将会使结构的其他各主要部件也会迅速失去承载能力，在极短时间内就会使得整个结构崩溃，其后果将是灾难性的。因此为了避免发生有害振动，因此必须在不改变飞行器结构布局及工作环境的前提下设计合理的振动抑制技术，有效地降低加筋壁板结构和结构所组成的构件上所放置精密仪器设备的振动强度。

传统的板结构是一种被动的结构，按照一定的动力学要求设计完成以后，不能实施动态监测和控制，性能难以改变，当外部环境的剧烈变化时，构件不易做出适当的调整，不能适应不断发展的运输工具，尤其是飞行器高速环境下的要求。传统的主动控制需要在原结构上附加传感器和驱动器以及控制系统，增加了原结构的复杂程度，使得整个系统的可靠性难以保证，这也严重限制了主动控制的应用。

智能结构的出现为板结构的振动抑制提供了理想的解决方案，它是材料科学、电子技术、微处理器技术以及现代控制理论等多学科交叉发展的前沿领域。其基本思想是集传感器、驱动器和控制器三部分于一体，材料或结构能感知外界环境的变化，并能针对这种变化作出恰当的响应，以实现实时主动振动控制的目的[43，44]。其中，压电智能结构由于具有体积小、易于制作、响应快、易于分布式处理、质量轻且同时具有传感和驱动功能等特性，是行之有效的振动控制的典型结构之一[45，46]。另外，由于压电智能可以对受控结构直接进行能量输入，因此特别在力学环境要求苛刻的场合，使用压电主动控制系统可以在较宽的频带内对振动进行精确的控制。压电材料的出现对工程领域的发展产生了重要的影响，基于压电智能结构的振动主动控制也成为研究的热点之一，有着极大的应用前景。航空、航天领域，压电器件可以用于减少高速飞行时系统的有害振动，延长结构的疲劳寿命，减轻对电子系统和精密仪器的干扰，提高系统的可靠性[47-49]；土木工程中，压电器件能实时测量结构内部的应变、温度，探测桥梁、道路等的疲劳裂纹和受损情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测[50]；此外，压电材料在汽车、船舶、机械系统和医学等领域也有着广泛的应用[51-55]。