第0章 绪论
1.智能结构与学科交叉
控制论的奠基人维纳在20世纪40年代末曾说：“如果我说，第一次工业革命是革‘阴暗的魔鬼的磨房’的命，是人手由于和机器竞争而贬值..；那么现代的工业革命就在于人脑的贬值，至少人脑所起的较简单的、较具有常规性质的判断作用将被贬值。”钱学森曾引用这一句话来说明控制论和自动化在人类生产力发展中的重要性［1］。
然而，人类并未满足于实现“人脑所起的较简单的、较具有常规性质的判断作用”。自从计算机问世以来，人工智能虽然经历了几起几落的发展历程，但科学家们仍未言弃，真可谓“上下求索”。例如，家喻户晓的国际象棋大师卡斯帕罗夫与超级计算机深蓝的对决，以及美国有46年历史的电视知识竞赛冠军Jeopardy与超级计算机沃森的竞赛都表明人脑和电脑谁更聪明、更机敏的角逐从未停止过。这便是20世纪以来自动控制领域中“智能化”兴起的背景。
顾名思义，“智能”是指人和动物具有的一种能获取外部或内部信息，对所获得的信息进行分析、判断后做出有目的的动作的高级能力。“智能化”中一个重要的方面是研究如何使计算机具有人类的逻辑推理、分析判断、语言，甚至情感等能力，即人工智能，它属于计算机科学中的一个重要研究领域。“智能化”的另一个方面是研究如何使某个结构具有获取信息，并对信息进行分析判断后做出适当的响应等能力，这就是具有“仿生”功能的“智能结构”。这是一个处于材料科学、控制科学和机械科学交叉领域前沿的重要研究方向，本书的内容即属于这一领域。
关于智能材料，在一些书中已有详细的论述［2，3］。我国大百科全书中有关智能材料有这样的阐述［4］：“智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。”
含有智能材料的结构称为智能结构，它与一般结构的主要区别在于：①在构成方面，除了一般的结构材料外，还含有“智能材料”，故智能结构也称为智能材料结构；②在功能方面，除了承载等一般的机械功能外，还具有获取结构外部或内部信息并对该信息进行分析、判断后做出适当响应的能力。事实上，这一功能是由智能结构中的控制系统实现的，而智能材料则起到了控制系统中传感器或作动器的作用。
”译成中文为：“一般认为，一个智能结构是集结构、传感器、作动器和控制模块为一体的系统。当前大量的兴趣在于在各种物理系统中应用智能结构技术，如主动振动、噪声、气弹性稳定性、阻尼、形状控制、健康监测、过程监测和损伤与分层的探测等。”
以上的这些定义和概念，将作为本书的基矗
20世纪80年代以来，智能材料和智能结构的研究一直方兴未艾，形成了一个材料、控制和机械等学科交叉的相关研究领域。图0.1为材料、控制和机械三学科的交叉示意图。
由于篇幅所限，本书主要论述采用智能材料的结构的设计、动力学分析和建模与控制，即本书的内容主要为图0.1中的区域2和区域1中的部分。换而言之，主要涉及机电一体结构动力学与自动控制的交叉领域。至于智能材料的性能与研制等内容，仅对论述与本书有关的压电和磁致伸缩作动器的原理时有所涉及，更多的详情未能尽述。
近30年来，在微位移和微振动的控制等领域开辟了一条传统方法所不及的全新的技术途径。例如，对于低频（100Hz以下）的微振动，传统的抑振方法已力所不及，而此类振动又往往是飞行器飞行时经常遇到的，借助智能结构的主动振动控制技术便是解决这一问题的有效途径。诸如此类，使得智能结构的应用范围不断扩大，据国内外已发表的资料所述，有的智能结构已用于超精密定位、激光微加工、原子力显微镜、飞机机翼的精密调节以及结构的主动振动控制，从而为在航空航天、能源、交通、医疗、建筑以及国防等领域的微位移与微振动主动控制问题的解决提供了一条可供选择的途径。
值得指出的是，智能材料和智能结构已被列入我国中长期科学发展规划中的重点研究领域之一，体现了我国发展国民经济的强烈需求。
众所周知，工程中常用的智能材料有压电陶瓷、超磁致伸缩材料、电致伸缩材料、形状记忆合金、磁（电）流变体材料、电活化聚合体等，它们都表现出电、磁、热、力场中的耦合特性，并利用这些特性设计出作动器或传感器［2，3，5］。
需要说明的是，本书中的智能结构除少数采用压电陶瓷外，大多数采用超磁致伸缩材料。
由于大多数智能材料在输入/输出关系上存在复杂的迟滞非线性，故在智能结构的控制中，控制对象的迟滞非线性是一个不可回避的问题，而已有的迟滞非线性系统建模与控制的经典理论与方法已不足以解决智能结构中的率相关、应力相关等动态迟滞非线性系统建模与控制问题。本书介绍了作者十几年来解决这一问题的探索和若干成果。
从机械学科的角度看，智能结构是一种包含结构、机构和系统动能的广义结构，故智能结构的动力学基础也必然是结构动力学、机构动力学和系统动力学三者的深度交叉与耦合。
2.智能结构中迟滞非线性系统的建模与控制
1）迟滞非线性概述
（1）历史的回顾与展望。迟滞一词起源于希腊，语源意味着“迟来的（lagbe-hind）”，由苏格兰物理学家AlfredEwing于1881年在铁磁学的研究中提出［2］。之后，人们发现铁磁学中的现象仅为迟滞非线性的一个特例。事实上，迟滞非线性普遍存在于科学技术的许多学科中，如物理、机械、生物、土木工程等。有关的一般性内容在本书的第2章中有些介绍。然而，重点则是讨论智能结构中的迟滞非线性。
半个多世纪以来，很多学者在迟滞非线性的研究领域做出了卓越的贡献，使其成为非线性动力学中一个独立的分支，也成为控制理论及应用的研究热点和难点之一。
（2）回忆发展的历史。首先提到的是苏联学者Krasnosel’skii。他于20世纪70年代在莫斯科自动控制和机械研究所工作期间，在研究多种实际的自动控制系统问题中发现迟滞非线性是一个重要的常见现象，对其产生了浓厚的兴趣，于是他和他的同事、学生们组织了研讨班，来研究这一问题。其中有一位学生Pokrovskii后成为他的同事。1983年Krasnosel’skii和Pokrovskii的专著Sistemys Rgis-teresisom问世［6］，由Publisher NAUKA出版，1989年由Niezgodka译成英文［7］。该书被公认为迟滞非线性研究领域的经典著作，为迟滞非线性系统的研究奠定了重要的基础，标志着这方面的研究进入了新的阶段。几乎在研讨班成立的同时，有一位青年学生首次听说了迟滞非线性和Preisach模型，在与Krasnosel’skii和Pokrovskii简短的讨论后，对此产生了浓厚兴趣。后来这位年轻人来到美国，得到了美国能源部的支持，在非局部记忆迟滞非线性的数学模型，特别是Preisach算子方法方面发表了一系列杰出的论文和著作，他就是Mayergozy。他1991年由Springer-Verlag出版的著作MathematicalModelsofHysteresis［8］和2006年主
编的TheScienceofHysteresis中对迟滞非线性的数学建模，特别是Preisach算子方法做出了重要的贡献，因而文献［8］也被公认为是Preisach算子方法研究的经典著作之一。在讲到迟滞非线性研究中的算子方法时，学者们公认德国教授Preisach于1935年用德文发表在ZeitschriftfürPhysik杂志上的论文［9］是经典的，该论文最早提出的算子被命名为Preisach算子。同样经典的还有德国教授Prandtl在1928年用德文发表的论文［10］。他在论文中提出的算子被命名为Prandtl算子，后也被称为PI算子。
Brokate教授在迟滞非线性系统的算子方法，特别是PI算子方面做出了卓越的贡献。Visintin［11］和Krejˇcí［12］等学者在具有迟滞非线性的波动方程和热传导方程的研究中也做出了重要贡献，从而完善了迟滞非线性的数学研究。值得一提的是，2000年左右，爱尔兰的一些数学家将Preisach算子的基本计算方法编成程序在互联网上公布，引起了更多研究者的兴趣。近年来，我国也有越来越多的关于迟滞非线性研究的论文与著作发表［13，14］。虽然近50年来，在国内外几代学者的努力下，迟滞非线性在非线性动力学研究领域已形成一个独立的分支，但应该说还处于起步阶段。这主要表现在：一方面的研究重点在于从物理和工程实际问题中发现和提出迟滞非线性现象和问题，另一方面的研究重点则在数学上对迟滞非线性的描述和各种性质的证明。比较起来关于如何将现有的理论方法应用于解决工程实际系统问题方面的研究成果较为鲜见。特别是在自动控制领域中，早期有关非线性理论的书中迟滞非线性系统建模与控制的内容涉及很少。所幸近十几年来，这方面的论著呈迅速上升趋势，其研究的主要背景是智能结构或智能作动器［14-20］，主要目的是对迟滞非线性系统进行建模和控制。由于实际的系统往往是非局部记忆的、率相关的，甚至与温度、磁场等相关，故一些学者在已有迟滞非线性系统理论与方法的基础上，在动态迟滞非线性的建模与控制等研究方面取得了卓越的成绩［16，17，20-22］。从而在进一步完善迟滞非线性理论的同时也对其在工程中的应用起到了促进作用。由此可见，迟滞非线性系统的理论与应用还存在相当大的发展空间，许多问题有待进一步的研究和解决。
如上所述，由于问题处于学科交叉领域，故引起国内外有关物理、控制、机电、数学等领域学者的兴趣。与之前50多年的发展相比，可以预期迟滞非线性系统的理论与应用将会迎来更大的发展。
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