[發明專利]柔性結構主動減振裝置及其控制方法

無效

• 申請號: 200910033173.2
• 申請日: 2009-06-15
• 公開（公告）號: CN101576752A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 邵敏強;陳衛東;徐慶華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D19/02
• 分類號: G05D19/02;B06B1/04;F16F15/03
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種主動減振裝置，適用于柔性結構的振動主動控制，特別是適用于被控結構參數未知的情形，功能包括參數識別和振動控制。具體涉及信號采集、處理及使作動器有效工作的方法和裝置。

背景技術

振動控制是振動工程領域內的一個重要分支，可以分為被動控制與主動控制兩類。被動控制由于不需要外界能源，裝置結構簡單，在許多場合下減振效果與可靠性較好，已經得到廣泛應用。但隨著科學技術的發展，人們對振動環境、產品與結構振動特性的要求越來越高，振動被動控制的局限性就逐漸暴露出來。特別是對結構的低頻振動控制，被動式控制方法已經不能起到很好的效果。而主動控制技術除了能夠在很大程度上彌補被動控制的不足之外，還具有控制效果好、適應性強等優點。因此，主動控制很自然地成為國內外振動工程界的研究熱點。振動主動控制技術的研究始于上世紀50年代末60年代初。到上世紀70年代，這一研究已進入廣泛探索階段，并開始在工程領域得到初步應用。上世紀80年代后，振動主動控制技術進入蓬勃發展階段，并取得了豐富的理論研究成果。從上世紀90年代至今，振動主動控制技術得到了更進一步發展。目前，振動主動控制已經在航空航天、土木、機械、車輛及環境等工程領域得到廣泛應用。

對于大多數柔性結構，具有一階固有頻率低，阻尼小，低頻共振時振動幅值大等特點。如大型天線、太陽能電池板等大型柔性結構在太空運行時，一旦受到外界干擾，會出現長時間大幅度的自由振動，對航天器的正常工作造成不利影響，嚴重時會導致結構產生破壞，明顯縮短使用壽命。在實際生活中也存在許多類似的結構，如高樓、大跨度橋梁，在風載或地震波作用下會產生大幅度晃動，存在重大的隱患。

目前，國內外針對小阻尼柔性結構的振動主動控制問題已有廣泛研究，如高層建筑、大跨度橋等的減振問題都是熱門的研究課題。柔性梁是小阻尼柔性結構中最典型的力學模型之一，現實生活中有許多結構可以簡化為梁式結構模型，如高樓，大跨度橋梁，尾撐式風洞模型等。在實際工程應用中，經常會遇到帶有集中質量的柔性梁式結構，R.F.Fung等在《Journal?of?Sound?and?Vibration》2005.288(4-5)：957-980上發表的“Dynamicmodel?of?an?electromagnetic?actuator?for?vibration?control?of?a?cantilever?beam?with?a?tipmass”中針對該結構采用非接觸式電磁作動器進行主動控制研究，減小了作動器附加質量對模型的影響。S.B.Choi等在《Journal?of?Sound?and?Vibration》2004.273(4-5)：1079-1086中發表的“Beam?vibration?control?via?rubber?and?piezostack?mounts：Experimental?work”結合被動式橡膠基座和主動式壓電作動器對柔性梁進行主被動聯合控制，分別利用了橡膠基座對非共振及高頻振動隔振效果和壓電作動器對共振頻率有效及響應迅速的特點，從而增加了系統控制頻率帶寬。通常采用的控制方法基本適用于梁式結構，PID控制、直接速度反饋控制、最優控制以及自適應控制等多種控制方法都曾用于柔性梁的振動主動控制，并且從理論仿真到實驗研究，都取得了不同程度的研究成果，對實際工程應用起到實際指導作用。

工程實踐中應用最廣泛的是PID控制和與其相關的混合控制方法，PID控制的效果相當于改變系統原有的質量、剛度和阻尼特性，在抑制系統共振方面具有很好的控制效果。Yun-Hu?Liu在《Journal?of?Low?Frequency?Noise》上發表的文章“Application?of?aproportional?feedback?controller?for?active?control?of?a?vibration?isolator”中采用速度反饋控制即可將系統共振情況下振動能量降低99％。但是，當系統受復雜激勵(如隨機激勵)作用時，采用單純的PID或其它經典控制方法都無法取得理想的控制效果，其主要問題在于無法準確獲得激勵信號或外擾的信息。

目前針對柔性結構振動的控制問題已有深入的研究，但是大多數成果多偏重于控制算法的研究，雖然從數值仿真的角度可以得到很好的控制效果，但實際應用中如果遇到系統激勵條件復雜，傳感器檢測信號存在較嚴重干擾的情況時，許多控制方法將無法實現控制的目的，相反，嚴重時還會導致系統不穩定，使被控對象振動加劇。目前，柔性結構振動在復雜激勵條件下的控制方法在實際應用過程中主要包含以下問題：