[分享]振动主动控制技术的研究及发展

simon21 · 发表于 2005-9-27 00:30

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吕　鑫 (贵州省电子工业学校机电科　贵阳, 550025) 摘要　简要说明了振动主动控制技术的研究意义和发展现状, 详细阐述了振动主动控制方法的原理及存在的问题, 指出了振动主动控制技术发展的若干趋势。 关键词: 振动主动控制, 控制方法, 研究及发展 中图分类号:O 328, TH113. 1 引言 科学技术的发展对结构与产品的动态性能要求越来越高, 传统的被动控制技术难以满足 要求, 迫使人们进一步寻求新的振动控制途径。振动主动控制是当前振动工程领域内的高新技术, 是动力学、控制、计算机、测试技术与材料科学等诸多学科的综合。由于它具有效果好、适应性强等潜在的优越性, 目前已成为国内外振动工程界的研究热点, 并在航空航天、土木建筑、车辆工程及机械工程等领域得到了初步应用。因此, 开展振动主动控制方法的研究, 对促进振动主动控制理论的发展和提高工程抗震技术的水平有着重要的理论意义和实用价值。 1　振动主动控制的发展现状[ 1—3 ] 振动主动控制技术的研究始于50 年代末60 年代初。到了70 年代, 这一研究便进入广泛 探索阶段, 并开始在工程领域得到初步应用。80 年代后, 振动主动控制技术进入蓬勃发展阶段, 不仅取得了丰富的理论研究成果, 而且成功应用于航天结构振动控制、土木工程结构抗震、高速车辆隔振及其他机械设备振动控制。 1. 1　大柔性结构的振动主动控制 随着空间技术的发展, 大柔性结构的振动主动控制日益受到广泛重视, 已成为振动主动控 制研究最活跃的领域。为适应大柔性结构的特点, 人们探索了控制器设计的各种途径, 对简单构件(如梁、桁架等) 进行了模型实验。然而实验结果与理论计算相差甚远, 其原因在于理论计算模型阶数太低, 忽略了实验模型的非线性因素。若增加模型阶数、考虑非线性因素必将导致维数灾难, 增大计算量。因此空间柔性结构主动减振的设计仍需进一步研究。 1. 2　巨型土木工程结构振动主动控制 随着材料强度提高和施工技术改进, 巨型土木工程结构的尺度越来越大, 刚度显著降低, 舒适性和抗震性随之恶化。70 年代初, 人们提出了结构控制的新思想, 随后发表了许多工程结构振动控制系统设计的论文。1979 年国际理论和应用力学协会召开了首次振动主动控制学术讨论会, 波士顿、纽约、悉尼和多伦多的四座巨型土木工程结构相继安装了主动调频消振器, 抑制了风致振动, 改善了舒适性。自80 年代中期起, 振动控制的重点转移到巨型土木工程结构的主动抗震。由于巨型土木工程结构振动控制系统是具有时滞的非定常非线性控制系统, 需用实时辨识技术进行在线建模, 因此土木工程结构振动自适应控制尚需深入研究。 1. 3　车辆半主动隔振 被动隔振系统不能满足高速车辆驾驶稳定性与乘坐舒适性的要求, 早在60 年代就已探讨 高速车辆的伺服隔振, 到70 年代中期, 所有汽车工业发达国家都在开发车辆的伺服减震技术。为了简化主动减振系统、降低成本, 人们提出了“开关式”半主动隔振系统。半主动隔振系统由于采用开关控制, 因而具有强非线性。目前此类系统的强迫振动问题研究较少, 它有复杂的运动规律。因此建立合理的简化数学模型揭示其运动规律, 为商品化奠定基础, 是目前车辆半主动隔振研究的重要课题。 1. 4　机械设备的主动减振 从70 年代中期已经开始研究挠性转子、镗杆和锯盘等挠性结构减振, 近年来转子振动主 动控制已取得了一些新进展。随着机器人及各种操作手向高速、精密、重载、轻量化方向发展,柔性机械臂的振动控制日益受到重视, 正成为机器人学研究领域的热点。此外, 利用主动控制技术减轻高速传送带的横向振动、隔离锻锤的冲击振动和预报控制金属切削颤振, 以及抑制往复式内燃机振动都不乏有成功的范例。 2　振动主动控制的基本方法[ 4—44 ] 振动主动控制通常包括两类控制方式: 开环控制与闭环控制。目前研究与应用较多的是主 动闭环控制, 它的基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈, 产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或结构参数, 从而使系统满足预定的动态特性要求。其中, 反馈控制律设计方法基本上是沿用控制理论中已有的成果, 几乎涉及到控制理论的所有分支, 诸如极点配置、最优控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、学习控制与智能控制等多种方法。下面简要介绍结构振动主动控制采用的主要方法及其存在的问题。 2. 1　独立模态空间方法[ 7—10, 37 ] M eirovitch 等人提出的独立模态空间控制方法在分布参数系统的振动控制领域应用最为 广泛。它的基本思想是利用模态坐标变换把整个结构的振动控制转化为对各阶主模态控制, 目的在于直接改变结构的特定振型和刚度。这种方法直观简便, 物理概念清楚, 充分利用了模态分析技术, 使控制设计得到了简化, 但先决条件为被控系统完全可控和完全可观, 且必须预先知道应该控制的特定模态。在实际控制中, 由于模态截断引起“控制溢出”和“观测溢出”, 前者将影响实际系统的性能, 而后者有可能导致残余模态的不稳定, 因而独立模态空间控制要求观测器数目和作动器数目等于被控模态数, 这极大地限制了其实际应用。为此,A Baz 与S Pah等人提出了修正独立模态空间控制(M IM SC) 方法[ 10 ] , 在一定程度上克服了“模态溢出”问题。 2. 2　极点配置法[ 11—15 ] 极点配置法, 也称特征结构配置, 包括特征值配置和特征向量配置两部分。系统的特征值 决定系统的动态特性, 特征向量影响系统的稳态特性。根据对被控系统动态品质的要求, 确定系统的特征值与特征向量的分布, 通过反馈或输出反馈来改变系统极点位置, 从而实现规定要求。但是, 极点配置在工程实际中极难调整到合适的位置, 通常需将极点配置退化为极点区配置[ 13 ]。为了克服普通极点配置法仅能配置频率的缺点, 文献[14 ]提出了频率、模态向量的特征结构配置法, 同时兼顾了零、极点的分布。由于传感器&#710;作动器的最优位置不仅与受控结构的模态频率和振型有关, 还与系统极点位置有关, 文献[15 ]在常规极点配置法基础上, 提出了同时优化系统极点和传感器&#710;作动器位置的联合优化设计方法。 2. 3　最优控制方法[ 16—21, 38 ] 最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解结构振动最 优控制输入的一种设计方法。最优控制问题可表达为有约束非线性规划问题, 通常采用受控结构的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标, 以便同时保证受控结构的动态稳定性和控制经济性。如何根据特定的控制要求适当选择加权矩阵, 目前尚无成熟的理论, 只能采用试凑法, 因而限制了这一方法在工程中的应用。 最优控制规律均是建立在系统理想数学模型基础上, 而实际结构控制中往往采用降阶模 型且存在多种约束条件, 因此基于最优控制理论设计的控制器作用于实际受控结构时, 大都只能实现次最优控制。结构振动的最优控制可将反馈矩阵的整定转化为对Raccat i 方程的求解, 随着状态方程阶数增加, 求解将有很大困难, 因此不适于自由度较多的系统。为此, 文献 [19 ]应用遗传基因算法提出了结构振动时间最优控制的随机鲁棒设计方法。文献[20 ]中将极点区配置与最优控制方法相结合, 提出了一种低阶控制器的设计方法。文献[9 ]应用最优控制理论, 导出了结构受迫振动物理空间下的最优响应控制规律与模态最优控制规律, 能直接有效地控制结构受迫振动。文献[21 ]还讨论了悬臂梁随机振动的最优控制。 2. 4　自适应控制方法[ 22—31 ] 模态控制、极点配置和最优控制方法都是基于受控结构精确模型的振动控制方法, 而工程 中存在大量的结构及参数具有严重不确定性的振动系统, 对这类系统则不能按照上述三类方法设计一个定常反馈系统来达到预定的控制性能要求。于是, 自80 年代初开始了结构振动自适应控制的研究[ 23 ]。所采用控制策略大致有自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三大类。结构振动前馈自适应控制通常假定干扰源可测且作为前馈控制器的参考输入, 然后采用LM S 滤波器算法自适应调节控制器参数[ 24 ]。S D Snyer 等人运用窄带自适应前馈控制系统抑制结构整体振动[ 25 ]。C R Fu ller 运用LM S 自适应算法实现宽带结构振动的主动控制, 对飞机壁板的振动控制试验中获得了12dB 的降噪效果[ 26 ] , 孙嘲晖等人以薄板结构为模型,采用自适应滤波技术实现了振动主动控制[ 27 ]。这种控制方式不仅假定干扰可测, 而且需要在线辨识干扰通道传递函数或控制误差通道传递函数, 极大地限制了这一方法在工程中的应用。 结构振动自校正控制是一种将受控结构参数在线辨识与控制器参数整定相结合的控制方式, 通常采用的方法是在参数辨识的基础上, 利用极点配置或最优控制策略设计控制器。文献 [28 ]结合工程结构控制的实际问题, 提出了在地震输入下结构主动自校正控制方法。为了简化计算, 文献[ 29 ]将前者与模态控制相结合, 提出了地震作用下结构振型组合的自校正控制方法。由于自校正控制引入参数辨识机制, 需要持续干扰, 这与振动抑制相矛盾。而模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受控制结构, 使受控结构的输出跟踪参考模型的输出。为了便于实现多模态结构的模型参考自适应控制, K Sobel 等提出了简化自适应控制方法[ 30 ] , 顾仲权等人进一步研究了这一方法, 通过引入符号参考模型和符号跟随器, 解决了受控结构正实性难以满足的难题[ 22, 31 ]。 2. 5　鲁棒控制方法[ 32—36 ] 虽然自适应控制可用于具有不确定性结构振动系统, 但自适应控制本身并不具备强的鲁 棒性。鲁棒控制设计即是选择线性反馈律使得闭环系统的稳定性或性能对于扰动具有一定的抵抗能力。顾仲权等人提出了基于容限性能指标的控制设计准则, 研究了一种直接满足控制性要求的结构振动鲁棒控制的常增益反馈优化设计方法。滑模变结构控制近年来在结构振动鲁棒控制得到了成功应用, 其实质为一种模型参考自适应控制,“参考模型”是一条预先设计好的流形, 用开关控制法迫使系统沿着这条轨迹滑动, 由于开关切换频率高, 易于引起系统出现颤振。周军等人将变结构控制与模型参考自适应控制相结合, 建立了具有极强鲁棒性的变结构模型参考自适应耦合主动控制系统[ 34 ]。H∞控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下, 使相对于噪声干扰的输出取极小的一种优化控制法。它将鲁棒性直接反映在系统控制性能指标上, 设计出的控制律具有其他控制方法无可比拟的稳定鲁棒性。顾家柳等人用H∞控制理论研究了实现转子系统振动鲁棒控制的最优对策[ 35 ] , 给出了转子动力系统鲁棒H∞控制器的设计方法[ 36 ]。

simon21 · 发表于 2005-9-27 00:32

2. 6　智能控制[ 37—44 ] 工程中存在着大量的复杂振动系统, 其复杂性表现为系统的本构非线性与模型结构不确 定性, 传统的控制方法难以满足这类系统的控制需要。智能控制理论的产生与发展, 为结构振动主动控制提供了新的方法。目前这一研究才刚刚起步, 仅有少量文献报道。M Tom izuka 等人应用学习控制方法抑制周期时变系统的强迫振动[ 39 ] , 以补偿未知周期干扰。S Zheng 在此基础上做了进一步改进, 提出了转子振动学习控制方法[ 40 ]。这一学习控制方法假设系统运动与外界干扰均具有周期性, 又称为重复控制。T Go rdon 应用学习自动机理论提出了车辆主动悬挂随机优化控制方法, 这种方法无需在线建模, 可直接用于实时控制[ 41 ]。闻邦椿等人将模糊控制与优化方法相结合, 提出转子系统横向振动的模糊控制方法[ 42 ] , 其模糊控制器的两个可调节参数可用最优化方法来选取。模糊控制规则的确定与选取是这一方法的困难所在。已有的研究表明, 神经网络因其具有非线性映射能力与自学习功能, 故在结构振动智能控制中有着广阔的应用前景[ 43—44 ]。 3　未来发展趋势[ 45—48 ] 3. 1　对象复杂化: 非线性振动控制 　　尽管非线性控制一直是控制领域的研究热点, 但迄今仅涉及运用反馈线性化策略研究系统的输出调节问题, 且均依赖于被控对象的解析模型[ 45 ]。相应的建模与辨识方法主要有基于函数逼近的非参数方法和基于时序分析的参数化方法两类, 均存在一定的局限性[ 46 ]。因此, 对于复杂的非线性振动系统, 基于模型的反馈线性控制策略将受到极大的限制。神经网络因其自身的非线性逼近能力, 在非线性振动系统的辨识与控制方面具有极大的潜力。 3. 2　方法智能化: 学习控制 现有较为成熟的振动主动控制方法仅能处理线性灰箱系统的振动控制问题。然而工程中 存在大量黑箱系统, 它们表现为几何、本构非线性和时变不确定性, 难于用参数模型定量描述,对于这类系统一般需借助智能工程理论加以解决, 其中基于在线学习的振动智能控制(如神经网络控制) 是实现控制方法智能化的重要途径[ 47 ]。 3. 3　系统集成化: 智能结构 随着航空航天技术的发展和新型智能复合材料的产生, 人们提出了智能结构的新构想, 为 结构振动主动控制提供了新的途径。所谓智能结构是将传感器、作动器、控制器有机地与结构集成在一起, 主动改变结构自身的质量分布和刚度阻尼的大小, 自适应实现振动控制的目标。目前这一研究正蓬勃发展、方兴未艾, 主要集中在传感器与作动器的研制和振动控制规律的设计两个方面[ 48 ]。 参　　考　　文　　献 1　丁文镜, 王和祥. 主动减振技术评述. 力学与实践, 1984, 6 (6) : 2—7 2　顾仲权, 朱德懋. 振动控制过程评述. 噪声与振动控制, 1988, (1) : 5—13 3　丁文镜. 振动主动控制当前的主要研究课题. 力学进展, 24 (2) : 173—180 4　马扣根, 顾仲权. 结构振动主动控制技术的现状与发展趋势. 南京航空学院学报, 1991, 23 (2) : 97—108 5　李桂青, 邹祖军. 结构振动控制评述. 地震工程与工程振动, 1987, 7 (1) : 83—93 6　吴淇泰. 结构的主动控制. 力学进展, 1987, 17 (4) : 83—93 7　M erirovitch L , Baruh H. 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Beijing: 1994. 823—827 43 刘　华, 黄　田, 曾子平. 一类非线性振动的智能主动控制方法. 非线性动力学报, 1994, 1 (3) : 288- 292 44 黄　田, 刘　华, 曾子平. 基于神经网络的振动主动控制方法的研究. 机械科技的未来——国家自然科学基 金机械科技青年科学家论坛. 北京: 机械工业出版社, 1993 45 陈香馥. 控制理论的现状及对它的期望. 信息与控制, 1992, 23 (1) : 55—59 46 傅志方, 周　炎. 非线性结构系统的模态分析、建模及参数辨识——研究综述. 振动与冲击, 1992, (1—2) :100—114 47 苗永锋. 人工神经网络与自动控制. 计算技术与自动化, 1992, 11 (3) : 55—59 48 Craw ley E F. Intelligent sturcture fo r aero space: overview and assessment. A IAA Journal, 1994, 32 (8) :1689—1699 Research and Developmen t in Act ive Vibra t ion Con trol Technology L u X in (Guizhou Elect rical Indust rial Schoo l　　Guiyang, 550025) Abs tra c t　In t roduces b rief ly the scien t if ic value and developm en t statu s of act ive vib rat ion con t ro l techno logy and describes in mo re detail it s p rincip les and ex ist ing p rob lem s. The t rends of the developm en t of the techno logy are also po in ted ou t. Ke yw o rds: act ive vib rat ion con t ro l, con t ro lm ethodo logy, research and developm en t 作者简介: 吕　鑫　男, 1965 年5 月生。1989 年7 月毕业于华北电力学院机械制造及工艺专业, 获工学学士学位, 现在贵州省电子工业学校任教。通讯地址: 贵州省电子工业学校机电科。邮编: 550025。

frogfish · 发表于 2005-10-26 09:47

好文章，建议加分

john_hu · 发表于 2007-11-11 08:50

非常感谢

guodongzd · 发表于 2009-2-24 21:55

学习了好东西 3Q

fishhit · 发表于 2009-2-27 15:02

学习了好东西 3Q

xxgg777 · 发表于 2009-3-5 19:56

初来就见此好文章,真是值啊!!!!

hhrzhj · 发表于 2009-3-15 09:48

论文写的不错，收藏了谢谢分享

flying-lin · 发表于 2009-3-18 11:35

谢谢分享！

gx010510930 · 发表于 2009-4-12 18:33

tnank you very much

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