现代驱动技术提要.doc

15现代驱动技术提要 叶云岳浙江大学电气学院2003年前 言随着科学技术的不断进步，新颖的驱动技术在社会各领域中得以不断发展，形成了全新的现代驱动技术。这对当代动力工程与自动化工程的学生提出了新的要求，即不仅要掌握传统的驱动技术，更要掌握现代的驱动技术。只有这样，才能适应现代科技发展的需要。本课程内容包括现代社会中的新颖驱动技术，这些技术与系统所具有的特点，掌握这些技术与系统的一些基本方法,目前国内外各个领域对这些新颖驱动技术的应用状况及发展趋势。通过对现代驱动技术课程的学习，基本掌握现代驱动技术的特点，它的应用场合，一般设计技巧与方法。并能了解当前国内外对现代驱动技术的应用状况与发展趋势。目 录第1章 现代驱动技术 1第2章 智能材料与智能化 第3章 现代驱动技术的种类、原理 第4章 现代交通运输业中的驱动技术 4.1地面交通运输系统 4.2 水中航运系统 4.3 空中运输系统 第5章 现代物料输送与搬运系统中的驱动技术 5.1 智能物流输送线 5.2 现代电梯与升降机 5.3 自动化、立体化仓库 第6章 现代工业设备中的驱动技术 6.1 各种现代新颖机床设备 6.2 其它现代生产设备 第7章 现代信息、自动化设备中的驱动技术 7.1 计算机、打印机等 7.2 扫描仪、复印机等 7.3 摄象、拍照等 第8章 现代民用与建筑业中的驱动技术 8.1 家用设备 8.2 办公用品 8.3 建筑物与建筑设备 第9章 现代军事中的驱动技术 第10章 现代医学及其它领域中的驱动技术 第1章 概述1.1 现代驱动技术概述驱动技术是人类生存不可缺少的一个重要组成部分。随着现代社会、科技的日益发展，驱动技术也在向着现代化的方向发展。形成了现代先进的驱动技术，现代先进的驱动技术主要由现代驱动器与现代控制系统组成。它被广泛地应用于航天领域、地面交通、水上运输、工业、信息设备、系统工程与自动化、军事、民用、医疗与其它各个方面。其中的部分先进驱动技术是从传统驱动技术中进一步展开而来，而另一部分先进驱动技术则往往是全新的原理或概念，是原始创新性的驱动技术。这些驱动技术所展示给人们的是一片全新的领域与天地。现代先进驱动技术是随着人类科技进步的发展而发展的，同时，它本身又将进一步有力地促进人类社会与科技的不断发展和进步。现代先进的驱动技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成，它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器。它们中有旋转的、直线的、磁浮的、电磁发射的等等。非电磁类的现代先进的驱动技术则由现代非电磁类驱动器与相应的控制系统组成，它的驱动器包括压电的、磁致伸缩的、记忆合金的、超导的、静电的、光驱的、金属氢化物的等等。1.2现代驱动技术智能化系统概述 自从1932年奈魁斯特（HNyquist）发表反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论学科的发展已走过60年的历程，其中前30年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后30年是现代控制理论的形成和发展阶段。它和其它学科一样，也是由于社会发展的需要，从解决重大工程和技术问题的实践中产生发展起来的，经典控制理论是一种单回路线性控制理论，只适用于单输入单输出控制系统。主要研究对象是单变量常系数线性系统，系统数学模型简单，基本分析和综合方法是基于频率法和图解法，60年代前后，由于计算机技术的成熟和普及，促使控制理论由经典控制理论向现代控制理论过渡。现代控制理论的形成使控制理论从深度上和广度进入一个崭新的发展时期，控制理论研究不再局限于简单常数系数线性系统模式，而是研究更为复杂的各类系统。由于航天技术、信息技术和制造工业技术的革命，要求控制理论能处理更加复杂的系统控制问题，提供更加有效的控制策略。这些大型复杂的系统有大型工业生产过程、计算机集成制造系统、柔性机器人系统和空间飞行的各类复杂设施等。这些系统既有系统运行行为和特性上的复杂性，也有不确定性导致的复杂性，同时也有系统多模式集成和控制策略方面的复杂性。对这类系统的研究涉及到非线性、鲁棒性、具有柔性结构的系统和离散事件动态系统等，并且需要对它们进行相对独立研究，也必须按照具体工程问题把他们中几个方面集成加以研究。对上述复杂系统的控制理论已进行了不同程度的研究，但从总体来看，其研究十分有限，有的问题甚至还难以研究，特别是那些难以用数学模型描述的问题，单纯的数学工具显得无能为力，这对控制理论应用无疑是一个新的挑战。当代科学技术的重大变革和发展，已突破旧的自动控制系统框架向复杂的自动控制系统框架发展。这些复杂的自动控制系统凭单一控制模式，仅采用数学工具或计算机仿真都难以解决。人们在实践中看到，许多复杂的生产过程难以实现的目标控制，可是熟练的操作工、技术人员或专家却操作自如，可以获得较满意的控制效果。而这些熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识若能和控制理论结合，把它作为控制理论解决复杂生产过程的一个补充手段，那将使控制理论解决复杂生产过程有一个突破性进展。事实上，计算机控制技术的发展为其提供一个有效的工具。计算机在处理图象、符号逻辑、模糊信息、知识和经验等方面的功能，完全可以承担起熟练的操作工、技术人员和专家的知识经验。操作方法等付诸对生产过程的操作和控制。使之达到或超过人的操作水平。这相当于人的知识经验直接参与生产过程的控制，这样的自动控制系统称为智能控制系统。 随着人类科技的不断发展，受控对象越来越复杂，自动化技术经历了从开环控制、闭环控制、最优控制、随机控制、自适应控制和学习控制，直到当前的研究热点智能控制。20世纪80年代中期，人们提出了智能材料的概念。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具有自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。智能材料组成的现代驱动器是现代先进驱动技术中的一个重要组成部分，现代先进驱动技术与现代智能控制系统组成了智能化的现代先进驱动系统。第2章 智能材料与智能化2.1 概述 1988年9月，美国陆军研究办公室组织了首届智能材料结构和数学的专题研讨会，1989年日本航空电子技术审议会提出了从事对环境变化作出响应能力的智能型材料的研究。从此，这样的会议在国际上几乎是每年一届。随着这种材料的出现，人们已逐渐接受“智能材料”这一概念。那么，什么是智能材料？智能材料来自于功能材料。功能材料有两类。一类是对外界（或内部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的材料，通称感知材料，用它可做成各种传感器；另一类是对外界环境条件（或内部状态）发生变化作出响应或驱动的材料，这种材料可以做成各种驱动（或执行）器。智能材料是利用上述材料做成传感器和驱动器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而作出灵敏、恰当的反应，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状态。这种集传感器、驱动器和控制系统于一体的智能材料，体现了生物的特有属性。智能材料的提出是有理论和技术基础的。20世纪因为科技发展的需要，人们设计和制造出新的人工材料，使材料的发展进入从使用到设计的历史阶段。图21简示了材料发展的趋势。可以说，人类迈进了材料合成阶段。图21材料是时代进步的标志示意图高技术的要求促进了智能材料的研制，原因是：材料科学与技术已为智能材料的诞生奠定了基础，先进复合材料（层合板、三维及多维编织）的出现，使传感器、驱动器和微电子控制系统等的复合或集成成为可能，也能与结构融合并组装成一体；对功能材料特性的综合探索（如材料的机电耦合特性、热机耦合特性等）及微电子技术和计算机技术的飞速发展，为智能材料与系统所涉及的材料耦合特性的利用、信息处理和控制打下基础；军事需求与工业界的介入使智能材料与结构更具挑战性、竞争性和保密性，使它成为一个高技术、多学科综合交叉的研究热点，而且也加速了它的实用化进程。例如，1979年，美国国家航空航天局(NASA) 启动了一项有关机敏蒙皮中用光纤监测复合材料的应变与研究，此后就大量开展了有关光纤传感器监控复合材料固化，结构的无损探测与评价，运行状态监测、损伤探测与估计等方面的研究。表21列出常见的感知材料和执行材料。表中有些材料兼具感知和执行功能，如磁致伸缩材料、压电材料和形状记忆等。这种材料通称为机敏材料（smart materials），它们能对环境变化作出适应性反应。图22为机敏材料的双重功能对环境变化作出的反应示意图。表21应用于机敏材料与结构中的感知材料和执行材料名称感 知执 行声发射材料电感材料电流变液电致伸缩材料光导纤维磁致伸缩材料压电材料形状记忆材料电阻应变材料 X感光材料 反馈系统环境响应机械响应液体运动电流流动物理性能功率控制化学行为生理行为感知温度电场压力磁场湿度声位置光辐射速度化学辐射加速度生物环境图22机敏材料的感知功能和执行功能通过对生物结构系统的研究和考察，机敏或智能材料有了可借鉴的设计和建造思想、模型和方法。从仿生学的观点出发，智能材料内部应具有或部分具有以下生物功能。（1）有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。（2）有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。（3）有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动。（4）有响应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。（5）有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损。（6）有自诊断功能，能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。（7）有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应。2.2 材料的智能化生物品种的存在取决于它们的动态能力，这些能力是自养育(新陈代谢)、自诊断、自修复、自调整、自繁殖这些能力的产生是为了适应环境变化，所以通称为自适应。假如仔细且认真地观察一下，就会发现材料中也存在以上所述相似的某些现象。这种功能在材料中被归纳为所谓的“S特性”，即自诊断（self-diagnosis）、自调整（self-tuning）、自适应（self-adaptive）、自恢复（self-recovery）和自修复（self-repairing）等。图23中的曲线1所示，随着时间的延续，由于腐蚀、磨损、疲劳等原因，材料的强度不断下降。当这种下降超过材料能忍受的极限时便会断裂，此时对应的时间便是寿命。材料能否有“自适应”的能力，从而出现如图23中曲线2所示的“延年益寿”的情况呢？回答是肯定的。例如，利用控制论的反馈概念，可以设计电热智能开关。有些陶瓷材料，如ZnO的电阻率（r）有正的温度系数(a=dr/dT0)，温度（T）升高，则r增加，通过的电流（I）就下降，随之T下降；而T下降，则r下降，I又增加，使T升高。如此反复，就会达到一个恒定的温度。因此，通过适当调整材料的r及a，在同一种材料上就能完成元件加热和温控的双重作用，具有自我适应的功能。这种电热智能开关就能提高用电设备的安全性，延长设备的使用寿命。强度分布应力或强度安全余量12应力分布失效时间t图23应力或强度与时间模型实际生活中，能见到许多自适应实例，例如，水结冰的现象。一般的物质，液态转变成固态时都是密度增加、体积减小。但水结冰正相反，比水还轻的冰块浮在水的表面，起到隔热作用，有效地防止了水体的继续固化，保护了水下生物。铝锅和不锈钢餐具也具有自修复功能，因为它们表层被氧化或被刻划出沟漕后，次内层的材料会迅速氧化形成与表层一样致密的耐高温抗氧化层，对内部起到了保护作用。光致变色材料包括玻璃、釉、高分子材料等，由于光引起的可逆结构变化，导致颜色也发生可逆变化。这种特性可用于防辐射、光化学开关、数字显示。可擦除的光信息存储、防伪、装饰等。若能充分利用这些材料的特异功就会在材料智能征途中取得很好的成果。假如用上述观点重新审视材料中的内禀特性，就会发现，具有这类自适应的材料不少。表22列出一些常见的材料。表22某些材料的自适应物质或材料环境作用材料的自适应不锈钢含氧的化学介质钝化膜保护基体相变诱生塑性钢外力相变提高抗断能力氧化锆（ZrO2）外力相变陶瓷增韧发汗材料热降低材料的温度钢铁水介质及外加电源阴极保护结构消振材料声减振降噪2.3智能材料的几种基本组元2.3.1 光导纤维光导纤维是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件。通过分析光的传输特性（光强、位相等）可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场、成分和X射线等参数的变化，因而广泛用作传感元件或智能材料中的“神经元”，具有反应灵敏、抗干扰能力强和耗能低等特点。早在1979年，Claus就曾在复合材料中嵌入光纤，用于测量低温下的应变。从那时起，光纤被广泛用作复合材料固化状态的评估、工程结构的在线监测、材料的非破坏性评定、内部损伤的探测和评估等。光纤波导管可埋入复合材料内，通过测定光的折射和对折射信号的处理，确定二维动态应变，其电吸附效应还可用于感知磁场的变化。光的干涉效应可用于测量变形和振动，光纤和光传感器还用于极端恶劣条件下的推进系统。2.3.2压电材料压电材料包括压电陶瓷（如BaTiO3 、Pb(ZrTi)O3、 K(Na)NbO3、PbNb2O6等）和压电高分子。压电材料通过电偶极子在电场中的自然排列而改变材料的尺寸，响应外加电压而产生应力或应变，电和力学性能之间呈线性关系，具有响应速度快、频率高和应变小等特点。此种材料受到压应力刺激可以产生电信号，可用作传感器。压电材料可以是晶体和陶瓷，但它们都比较脆。还有一种高分子压电材料，称为PVDF或PF2（Polyvinyldene Fluoride），可制成非常薄的膜，附着于几乎任意形状的表面上，其机械强度和对应力变化的敏感性优于许多其他传感器。美国弗罗里达大学的Nevill等研制了一种压电触觉传感器，几乎能够100%准确地辨识物体，如它能识别盲文字母及砂纸的粒度。比萨大学的研究者们利用压电材料研制出类似于皮肤的传感器，能模仿人类皮肤对温度和应力的感知能力，还能探知边缘、角等不同几何特征。Nakamura等研制了一种超薄（200mm300mm）膜传感器，辅之以数学分析和数字模拟，用于机器人。它还具有热电效应，能对温度变化作出响应。压电材料有单轴极化膜和双轴级化膜。前者只对一个方向的应力作出响应，而后者可以感知两个方向的应力。压电材料还能用作执行器，接受电信号后输出力或位移。压电高分子产生较少的热量，能储存能量，可用于精确定位，例如用作打印机的打印头。目前正在研究利用压电陶瓷控制结构的振动及探测结构的损伤等。2.3.3电（磁）流变液电（磁）流变液可作为一种执行器。流体中分布着许多细小可极化粒子，它们在电场（磁场）作用下极化时呈链状排列，流变特性发生变化，可以由液体变得粘带直至固化，其粘度、阻尼性和剪切强度都会发生变化。在石黑树脂空心悬臂梁内填入电流变液，加上电压时梁的阻尼增大，振动受到抑制，因此电流变液用于飞行器机翼和直升机转子等时可抑制振动。利用其粘度的变化，可调节结构的刚度，从而改变振动的固有频率，达到减振的目的。2.3.4 形状记忆材料这种材料包括形状记忆合金、记忆陶瓷以及聚氨基甲酸等形状记忆聚合物。它们在特定温度下发生热弹性（或应力诱发）马氏体相变或玻璃化转变，能记忆特定的形状，且电阻、弹性模量、内耗等发生显著变化。NiNi形状记忆合金的电阻率高，因此可用电能（通电）使其产生机械运动，与其他执行材料相比，NiNi记忆合金的输出应变很大，达8%左右，同时在约束条件下，也可输出较大的恢复力。它们是典型的执行器材料。由于其冷热循环周期长，响应速度慢，只能在低频状态使用。2.3.5 磁致伸缩材料磁致伸缩材料是将磁能转变为能的材料。磁致伸缩材料受到磁场作用时，磁畴发生旋转，最终与磁场排列一致，导致材料产生变形。该材料响应快，但输出应变小。最近研制的Terfenal-D可输出1400mm，故又称为超磁致伸缩材料。磁致伸缩材料已应用于低频高功率声纳传感器、强力直线型电机、大转矩低速旋转电机和液压机执行器，目前正在研究采用磁致伸缩材料主动控制智能结构中的振动。2.3.6智能高分子材料智能高分子材料是指三维高分子网络与溶剂组成的体系。其网络的交联结构使它不溶解而保持一定的形状；因凝胶结构中含有亲溶剂性基因，使它可被溶剂胀而达一平衡体积。这类高分子凝胶溶胀的推动力与大分子链和溶剂分子间的相互作用、网络内大分子链的相互作用以及凝胶内和外界介质间离子浓度差所产生的渗透压相关。据此，这类高分子凝胶可感知外界环境细微变化与刺激，如温度、pH值或电场等刺激而发生膨胀和收缩，对外作功。2.4智能材料和结构的应用前景1997年1月6日华盛顿邮报以“智能材料可能产生奇迹”的标题描述了智能材料与结构的未来。文章就：过不了多久，智能飞机的机翼可以像鸟的翅膀一样弯曲，自动改变形状，从而提高升力和减小阻力；桥梁和电线杆在快要断裂时可以发出报警信号，然后自动加固自身的构造；空调机可以抑制振动而寂静工作；手枪只有在主人使用时才能开火；轮胎需要充气时会礼貌地通知司机；反应灵敏的人工肌肉可以使机器人以假充真。以下分别举例说明。2.4.1用于航空、航天飞行器在美国和加拿大，目前的研究主要集中在飞行器结构上，尤其是那些采用复合材料的结构上。弗吉尼亚理工学院及州立大学的智能材料研究中心承担了两项有关飞机结构智能化的研究项目。飞机或其他飞行器中的一些关键构件是由先进的复合材料制造的，而这些部件要同金属相连接，由于结构的不连续性，在结点处通常存在很高的应变能。若采用智能复合材料及自适应结构就可调节结构内的应变能，并可将其从结点集中处转移，从而提高结构疲劳寿命10倍以上。用智能复合材料来降低或减弱振动及声发射也被证明是可行的。例如：用嵌入法制得的形状记忆材料纤维及热固、热塑性复合材料对于控制声发射、振动及挠曲有很好的效果；在飞机座舱壁上使用智能材料，可减弱振动及噪音，同时又能使飞机更加平衡稳，飞机结构更轻。堪萨斯大学的Brarrett等人通过将压电驱动智能材料定向排列，可获得40静偏转或扭转弯曲。而要控制高速飞行的导弹，只需表面偏转20就已足够。加拿大多伦多大学光纤智能材料及自适应结构实验室的科学家正试图给机翼、桥梁等一些关键结构件装上自己的“神经系统”、“肌肉”及“大脑”，使其能感觉即将出现的故障。他们在构成机翼的复合材料中嵌入了纵横交错的细小的光纤，就能像“神经”那样感受从机翼上不同部位受到的不同压力，一旦出现裂纹，光纤就会断裂，从而发出报警信号。密执安州立大学Mukerjee教授正在研究能自动加固的直升飞机旋翼叶片，在飞行中叶片一旦遇到恶劣气候而发生剧烈振动，分布在叶片中的电流变体就会变成固体，从而自动加固。多数的研究者们认为，未来的飞机机翼系统将由智能材料（如形状记忆合金和压电材料等）结构部件复合而成。近期内，有可能在飞机控制、在线监控、无损检测及安全防护等方面的智能材料研究上取得突破。2.4.2用于建筑和工程结构中美国的一些建筑学家正在研究能自动加固的建筑结构。伊利诺大学建筑研究中心的Dry博士正在研制一种可自行愈合的混凝土。他把大量的空心纤维埋入混凝土中。当混凝土开裂时，事先装入裂纹修补剂的空心纤维就会断裂，释放出粘结修补剂，从而把裂纹牢牢地焊在一起，防止混凝土断裂。由于电流变体可在通入很小的电流后几秒时间内固化，因而它在要求自动回复或修补的自适应结构中有极其重要的作用。北卡罗林纳大学的Conrad等人正在研究用电流变体充注的智能板梁结构。当板梁振动时，用传感器探头探测振动信号，并输送给计算机，由计算机根据振动情况对梁施加电压，使液体固化，从而使板梁更加强韧。振动减弱后，电压消除，电流变体恢复液态，梁又变得很有柔性。可以设想，如将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经过设计后复合在结构体中，变有可能研制出带有感知及判断力，可自动加固及防护的自适应性智能结构。这样结构的桥梁或一些重要建筑物的支撑体遭受到突然冲击（如地震）时，能防止灾难性事故。另外，形状记忆合金和电流变体还可用于汽车冲撞吸收器等防护装置。在潜艇外壳上使用电流变体，由于可做成表面复杂的形状从而容易逃避敌方声纳的探测，使潜艇隐形。2.4.3用于机器人中形状记忆合金能够感知温度或位移的变化，可将热能转换为机械能。如果控制加热或冷却，可获得重复性很好的驱动动作。用SMA制作的热机械动作元件具有独特的优点，如结构简单、体积小巧、成本低廉、控制方便等。近年来，随着形状记忆合金逐渐进入工业化生产应用阶段，SMA在机器人中的应用（如在元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分的应用）十分引人注目。2.4.4用于日常生活中随着高技术的发展，智能控制和智能生活方式已逐步进入日常生活。家电的控制及高级摄影设备均有智能结构，它们均包含有智能材料的组元，从而大大提高了人们的生活质量。最近美国盖特技术公司研制出的OUTLAST是可相变的轻质纤维。所选择的材料的相变温度在320C380C之间。它可随人体和环境温度的变化发生相变。当身着这种纤维服装的人活动量少时，这种服装会起保暖作用；当身着这种纤维服装的人秒停地活动时，这种服装会起降温作用。这种新型“智能”纤维材料为站在冰雪中的人们驱寒，为运动的人们散热。最近美国佐治亚理式学院把压电激励的材料放置在吉他上面的一个边角时，它能吸收一部分振动，与电子控制器联用就可以改变吉他木质部件振动方式，因而提高了吉他的音色。电致色玻璃就更具有智能特色。它在电场控制，可以改变玻璃对不同波长的光的透过能力，从而构成智能窗。智能材料在医学领域中的应用更造福人类，利用这些材料可制成人造骨或人造胰脏。例如，东京女子医学院和东京科学大学研究了一种在葡萄糖溶液中根据葡萄糖浓度扩张或收缩的聚合物。浓度低时聚合物单股自动卷曲，缠绕成球，能密封胰岛素分子。按照这一思路，把这些载有胰岛素的小球注射进血液，它就可能模拟健康的胰腺细胞。当血糖水平上升时小球渗漏出胰岛素，一旦血糖水平稳定小球就再次闭紧。智能材料与结构的应用细节请参阅本书第10章。2.5智能材料与结构展望当前国际上智能材料与结构领域的研究主要集中在机敏材料的智能化复合(集成)技术与方法、智能材料系统及结构的数学和力学模型及控制等方面，其他相关的基础理论问题则研究得极少。这种基础研究的滞后已在不同程度上制约了这一领域的纵深发展。根据现已发表的资料，以下六个方面将成为今后研究的重点：(1) 智能材料概念设计的仿生学理论研究；(2) 材料智能内禀特性及智商评价体系的研究；(3) 耗能结构理论应用于智能材料的研究；(4) 机敏材料的复合集成原理及设计理论；(5) 智能结构集成的非线性理论；(6) 仿人智能控制理论。智能材料的定义及内涵是十分广泛的，涉及的材料从无机到有机，结构层次从宏观(如大型工程结构件)至微观(如纳米组装材料)。智能材料的重要性体现在两个方面：一方面，由于智能材料是多学科交叉的一门科学，与物理、化学、力学、电子学、人工智能、信息技术、材料合成及加工、生物技术及仿生学、生命科学、控制论等诸多前沿科学及高技术领域紧密相关，一旦有所突破将推动或带动许多方面的巨大技术进步；另一方面，智能材料与结构有着巨大的潜在应用背景，例如材料的智能和器件集成一体化更容易实现结构微型化，由于能在线“感觉”，并可通过预警、自适应调整、自修复等方式，预报以至消除危害性“病兆”，从而极大地提高关键工程结构件的安全性和可靠性，避免灾害性事故的发生。正是由于智能材料与结构的重要性，因而引起了各工业发达国家的重视。预计在21世纪智能材料将引导材料科学的发展方向，其应用和发展将使人类文明进入更高的阶段。第三章 现代驱动技术的种类、原理与智能化 现代驱动技术主要分为两大类, 一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。3.1 现代先进的电磁驱动技术3.1.1传统改进型在这一类的现代驱动技术中，以原有的电磁驱动技术为基础，进行部分改进，获得了新的结构或机理变化型式。1）、高、低速电机技术。高速电机现在世界上有一些国家已研制达到20万转/分以上，这种电机是一种系统技术，他包括电机本体结构、材料、以及控制系统等。低速电机则可达到10转/分以下。2）、不同型式转子电机技术。诸如实心转子、外转子、双转子、盘式、杯式、锥形等。3）、各种新型步进式电机等。3.1.2 新发展型除了上述以电磁原理为基础，在一般通用电机技术基础上改进获得的电机技术外，还有更多的是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术，如直线电机技术、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术，各种新型永磁电机技术等。1）直线电机技术直线电机技术是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中间任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机技术几乎都有相对应的品种。也可谓门类齐全，品种繁多。其应用范围正在不断扩大。在一些它所能独特发挥作用的地方，取得了非常令人满意的效果。2） 无刷直流电机技术 无刷直流电机集有刷直流电机和交流异步电机优点于一体，效率高、调速方便、结构简单，在电力电子技术、交流伺服驱动技术及光机电一体化技术的日趋快速发展的今天，它将进一步促进无刷直流电机的更快更广泛的发展。3） 开关磁阻电机技术 开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，作为调速驱动应用呈现了很低的电机制造成本，在宽调速范围内均具有高的效率，在许多需要调速和高效的场合，从小功率到大功率范围，均能提供所需性能要求。随着电子技术的发展和开关磁阻电机的进一步研究，其应用领域在得到更大的拓展。 4）各种永磁电机技术永磁电机本身它所具有的一些特性、优点以及我国稀土原料在世界上所占有绝对优势的特点，使得永磁电机成为一种专门研究的种类而被业内人士所重视。其应用也在不断扩大，效果明显。 5）磁悬浮驱动技术作为高速电机可以把它作为传统电机的改进型来看，但这种一般在几十万转分的情况下，高速电机的轴承已无法承受高速所带来的机械磨擦，并产生发热、振动、噪音等。目前，采用磁悬浮来支承电机转轴，并将磁浮系统与电机定子绕组系统的磁场合成一体进行控制，组成了一种新型的高速电机。同样，在直线运动时速超过500公里时，也必须采用磁浮驱动。磁浮驱动根据不同材料的组合以及不同驱动方式有许多种型式,但总体上归结为两大类,即相吸型与相斥型。在一些需要高速运动的场合，磁悬浮驱动技术将会得到很好的应用。6）电磁发射驱动技术军用和航天以火药为发射能源进行物体发射，但由于受到比推力或推力/质量比的限制以及成本高，技术复杂。而用电磁能直接转变为动能，（实际上是直线电机技术的一种），电磁力作功，其速度高，结构相对简单。控制相对方便，易于达到人们期望的要求。国外已在军用上尝试发射飞机。虽然目前尚未到产业化程度，但前景诱人。3.2 现代其它非电磁式驱动器 除电磁驱动技术以外，近年来，其它各种非电磁类（所谓非电磁类，指的是该类装置不按通常的电磁定律来运动），的驱动技术也不断出现，尤以压电材料和磁致伸缩材料制成的驱动装置最为红火，发展较快。此外，其它如光驱动技术、超导驱动技术、静电驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合金驱动技术，橡胶驱动技术、高分子凝胶驱动技术、微驱动技术等，也在不断发展。 1). 压电驱动器 压电驱动技术以压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动，具有结构简单，低速、大力矩的优点。这种电机有三种类型，分别为超声式、蠕动式和惯性式。超声波式是利用逆压电效应的基础上，以超声频域的机械振动为驱动技术在电能的控制下通过机械变换产生运动，这种电机国内外已研究较多，已在不少场合得到了应用，至于蠕动式与惯性式主要用于直线运动，结构也很简单，目前也在一些场合得到应用。 2）磁致伸缩驱动器 某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发生变化，这种由焦耳发现的焦耳效应（Joule effecf）被称作为磁致伸缩现象。利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。虽然该现象发现早在100多年前，但一直以来由于能产生这种现象的材料其应变量很小，所需磁场强度又很大，且在低温下。因此，一直末能得到应用。70年代人们研制了常温超磁致伸缩材料，80年代又开发了外部弱磁场的超磁致伸缩材料，90年代终于有了实用性的超磁致伸缩材料并制成了超磁致伸缩驱动器。超磁致伸缩材料比如特伏诺合金，能量密度是压电陶瓷材料的12倍，可见，使用特伏诺合金制作的驱动器，其体积要比压电材料做的驱动器小的多。目前，在