振動(dòng)主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀概述

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

對(duì)機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制方面的嘗試已有三十多年歷史,但早期的進(jìn)展比較緩慢。近年來,隨著信息技術(shù)、測控技術(shù)的發(fā)展,振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)有了長足進(jìn)步,一些控制方法和相應(yīng)的測控系統(tǒng)正日趨成熟,并開始在航空、航天、機(jī)械和土木工程領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制為例,其研究包括:控制的目標(biāo)函數(shù),控制器的設(shè)計(jì)和施加控制力的方法等。其中,關(guān)鍵是如何施加控制力。目前,有兩類施加控制力的方法:一類是直接將力加在轉(zhuǎn)子上,另一類是通過軸承座來施加。一個(gè)成功的主動(dòng)控制作動(dòng)器應(yīng)具有:緊湊的結(jié)構(gòu),大的作動(dòng)力,大的調(diào)節(jié)距離(應(yīng)大轉(zhuǎn)子可能的最大振幅),寬的頻率范圍(至少應(yīng)包括要控制的最高振動(dòng)頻率)。

目前常見的幾種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制手段有:磁軸承、壓電作動(dòng)器、記憶合金作動(dòng)器、液壓作動(dòng)器、主動(dòng)可傾瓦軸承、主動(dòng)油膜(擠壓油膜)軸承以及電/磁流變阻尼器等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn),如磁軸承的不足在于軸承參振質(zhì)量大、承載力小、需附加保護(hù)軸承等;記憶合金和液壓作動(dòng)器的不足是反饋速度慢等。到目前為止,只有磁軸承得到了較廣泛的應(yīng)用?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)可以基于已有的控制理論,但很大程度上取決于作動(dòng)器。

振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)最引人注目的進(jìn)展是集傳感器、控制器、作動(dòng)器與結(jié)構(gòu)為一體,以減振和降噪為目標(biāo)的智能結(jié)構(gòu)。當(dāng)前,研究的熱點(diǎn)是基于壓電傳感器和作動(dòng)器的智能結(jié)構(gòu),控制策略則來自H∫控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、非線性控制、混合控制等控制理論的新成果。經(jīng)過大量的數(shù)值模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn),這類智能結(jié)構(gòu)已有許多成功的應(yīng)用。大到對(duì)空間可展天線、太陽能帆板等張開時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制,小到對(duì)提琴和吉他的音箱進(jìn)行振動(dòng)控制以改善其音響效果。

在智能結(jié)構(gòu)進(jìn)一步走向工程化、實(shí)用化的過程中,控制效果與測控系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、重量等因素的矛盾正日益顯現(xiàn)。因此,智能結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)尚有許多開放的問題。

對(duì)于大型結(jié)構(gòu)和機(jī)械,達(dá)到振動(dòng)主動(dòng)控制所需推力的作動(dòng)器通常價(jià)格昂貴、能耗巨大、體積和重量也很可觀。通過局部地、主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)特性的方法來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制通常稱為振動(dòng)半主動(dòng)控制,所需能耗低、也勿需對(duì)原系統(tǒng)作大修改。例如,通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中某些零部件的剛度和慣性來改變系統(tǒng)固有頻率,可避免共振。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),可通過步進(jìn)電機(jī)和絲杠來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中某些集中質(zhì)量的位置,使等效慣性或剛度發(fā)生變化,也可采用電磁、氣液等手段來調(diào)節(jié)彈性元件的剛度。目前,結(jié)構(gòu)工程界廣泛研究主動(dòng)拉索,即通過液壓作動(dòng)器調(diào)節(jié)拉索的張力,進(jìn)而改變索系結(jié)構(gòu)的等效剛度和固有頻率。

近年來,形狀記憶合金、電流變和磁流變等功能材料的出現(xiàn)為主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度、阻尼提供了新途徑。例如,已發(fā)展了多種電流變和磁流變可控阻尼器,針對(duì)轉(zhuǎn)子軸承、車輛懸架、橋梁拉索等開發(fā)了半主動(dòng)控制技術(shù)。

此外,采用半主動(dòng)控制的動(dòng)力吸振器技術(shù)也有新的進(jìn)展。已有的半主動(dòng)控制策略可分為幾類:第一類是通過求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題,獲得可控減振環(huán)節(jié)的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)特性的影響,進(jìn)而形成的控制策略;第二類是根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和控制理論建立的控制策略;第三類是在無法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的情況下,基于在線辨識(shí)并以自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等為代表的智能控制策略。顯然,后兩類的實(shí)用性好,也是目前研究的重點(diǎn)。

隨著對(duì)振動(dòng)控制要求的提高,非線性控制和時(shí)滯控制正日益引起人們的注意。例如,采用非線性控制策略可解決繩系衛(wèi)星展開過程的鎮(zhèn)定問題;針對(duì)液壓系統(tǒng)存在的時(shí)滯,利用時(shí)滯反饋對(duì)船載吊車的擺動(dòng)進(jìn)行控制;采用時(shí)滯反饋控制非線性系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)等。時(shí)滯會(huì)使控制系統(tǒng)的特性發(fā)生質(zhì)的變化。由此引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性、分岔等問題正引起重視。

本文摘抄自胡海巖、孟慶國等人撰寫的《動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制學(xué)科未來的發(fā)展趨勢》一文,略有修改,該文刊登于《力學(xué)進(jìn)展》2002年第2期。

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