振动主动控制、半主动控制技术发展现状概述

2017-02-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

对机械振动进行主动控制方面的尝试已有三十多年历史,但早期的进展比较缓慢。近年来,随着信息技术、测控技术的发展,振动主动控制技术有了长足进步,一些控制方法和相应的测控系统正日趋成熟,并开始在航空、航天、机械和土木工程领域得到了成功应用。

以转子系统的振动主动控制为例,其研究包括:控制的目标函数,控制器的设计和施加控制力的方法等。其中,关键是如何施加控制力。目前,有两类施加控制力的方法:一类是直接将力加在转子上,另一类是通过轴承座来施加。一个成功的主动控制作动器应具有:紧凑的结构,大的作动力,大的调节距离(应大转子可能的最大振幅),宽的频率范围(至少应包括要控制的最高振动频率)。

目前常见的几种转子系统的振动主动控制手段有:磁轴承、压电作动器、记忆合金作动器、液压作动器、主动可倾瓦轴承、主动油膜(挤压油膜)轴承以及电/磁流变阻尼器等。这些方法各有优缺点,如磁轴承的不足在于轴承参振质量大、承载力小、需附加保护轴承等;记忆合金和液压作动器的不足是反馈速度慢等。到目前为止,只有磁轴承得到了较广泛的应用。控制器的设计可以基于已有的控制理论,但很大程度上取决于作动器。

振动主动控制技术最引人注目的进展是集传感器、控制器、作动器与结构为一体,以减振和降噪为目标的智能结构。当前,研究的热点是基于压电传感器和作动器的智能结构,控制策略则来自H∫控制、自适应控制、神经网络控制、非线性控制、混合控制等控制理论的新成果。经过大量的数值模拟、优化设计和实验,这类智能结构已有许多成功的应用。大到对空间可展天线、太阳能帆板等张开时的振动进行主动控制,小到对提琴和吉他的音箱进行振动控制以改善其音响效果。

在智能结构进一步走向工程化、实用化的过程中,控制效果与测控系统的可靠性、经济性、重量等因素的矛盾正日益显现。因此,智能结构动力学尚有许多开放的问题。

对于大型结构和机械,达到振动主动控制所需推力的作动器通常价格昂贵、能耗巨大、体积和重量也很可观。通过局部地、主动调节系统动特性的方法来实现振动控制通常称为振动半主动控制,所需能耗低、也勿需对原系统作大修改。例如,通过实时调节系统中某些零部件的刚度和惯性来改变系统固有频率,可避免共振。具体实现时,可通过步进电机和丝杠来调节系统中某些集中质量的位置,使等效惯性或刚度发生变化,也可采用电磁、气液等手段来调节弹性元件的刚度。目前,结构工程界广泛研究主动拉索,即通过液压作动器调节拉索的张力,进而改变索系结构的等效刚度和固有频率。

近年来,形状记忆合金、电流变和磁流变等功能材料的出现为主动调节系统刚度、阻尼提供了新途径。例如,已发展了多种电流变和磁流变可控阻尼器,针对转子轴承、车辆悬架、桥梁拉索等开发了半主动控制技术。

此外,采用半主动控制的动力吸振器技术也有新的进展。已有的半主动控制策略可分为几类:第一类是通过求解系统动力学问题,获得可控减振环节的参数对系统动特性的影响,进而形成的控制策略;第二类是根据系统的动力学模型和控制理论建立的控制策略;第三类是在无法建立系统动力学模型的情况下,基于在线辨识并以自适应控制、模糊控制、神经网络控制等为代表的智能控制策略。显然,后两类的实用性好,也是目前研究的重点。

随着对振动控制要求的提高,非线性控制和时滞控制正日益引起人们的注意。例如,采用非线性控制策略可解决绳系卫星展开过程的镇定问题;针对液压系统存在的时滞,利用时滞反馈对船载吊车的摆动进行控制;采用时滞反馈控制非线性系统的混沌运动等。时滞会使控制系统的特性发生质的变化。由此引起的系统稳定性、分岔等问题正引起重视。

本文摘抄自胡海岩、孟庆国等人撰写的《动力学、振动与控制学科未来的发展趋势》一文,略有修改,该文刊登于《力学进展》2002年第2期。

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