振動主動控制、半主動控制技術(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)

對機械振動進行主動控制方面的嘗試已有三十多年歷史,但早期的進展比較緩慢。近年來,隨著信息技術(shù)、測控技術(shù)的發(fā)展,振動主動控制技術(shù)有了長足進步,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)的振動主動控制為例,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。一個成功的主動控制作動器應(yīng)具有:緊湊的結(jié)構(gòu),大的作動力,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頻率)。

目前常見的幾種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動主動控制手段有:磁軸承、壓電作動器、記憶合金作動器、液壓作動器、主動可傾瓦軸承、主動油膜(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,如磁軸承的不足在于軸承參振質(zhì)量大、承載力小、需附加保護軸承等;記憶合金和液壓作動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)計可以基于已有的控制理論,但很大程度上取決于作動器。

振動主動控制技術(shù)最引人注目的進展是集傳感器、控制器、作動器與結(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,研究的熱點是基于壓電傳感器和作動器的智能結(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)計和實驗,這類智能結(jié)構(gòu)已有許多成功的應(yīng)用。大到對空間可展天線、太陽能帆板等張開時的振動進行主動控制,小到對提琴和吉他的音箱進行振動控制以改善其音響效果。

在智能結(jié)構(gòu)進一步走向工程化、實用化的過程中,控制效果與測控系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性、重量等因素的矛盾正日益顯現(xiàn)。因此,智能結(jié)構(gòu)動力學(xué)尚有許多開放的問題。

對于大型結(jié)構(gòu)和機械,達到振動主動控制所需推力的作動器通常價格昂貴、能耗巨大、體積和重量也很可觀。通過局部地、主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)動特性的方法來實現(xiàn)振動控制通常稱為振動半主動控制,所需能耗低、也勿需對原系統(tǒng)作大修改。例如,通過實時調(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。具體實現(xiàn)時,可通過步進電機和絲杠來調(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拉索,即通過液壓作動器調(diào)節(jié)拉索的張力,進而改變索系結(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,針對轉(zhuǎn)子軸承、車輛懸架、橋梁拉索等開發(fā)了半主動控制技術(shù)。

此外,采用半主動控制的動力吸振器技術(shù)也有新的進展。已有的半主動控制策略可分為幾類:第一類是通過求解系統(tǒng)動力學(xué)問題,獲得可控減振環(huán)節(jié)的參數(shù)對系統(tǒng)動特性的影響,進而形成的控制策略;第二類是根據(jù)系統(tǒng)的動力學(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)動力學(xué)模型的情況下,基于在線辨識并以自適應(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,后兩類的實用性好,也是目前研究的重點。

隨著對振動控制要求的提高,非線性控制和時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;針對液壓系統(tǒng)存在的時滯,利用時滯反饋對船載吊車的擺動進行控制;采用時滯反饋控制非線性系統(tǒng)的混沌運動等。時滯會使控制系統(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《動力學(xué)、振動與控制學(xué)科未來的發(fā)展趨勢》一文,略有修改,該文刊登于《力學(xué)進展》2002年第2期。

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