结构主动控制的研究与应用

Science &Technology Vision
科技视界1振动主动控制研究现状
20世纪50年代末,由美国科学家率先提出了振动主动控制技术的研究报告,进入20世纪70年代振动主动控制才进入广泛的探索阶段,20世纪80年代,现代控制理论———尤其是随着信号处理技术的成熟,振动主动控制技术得到蓬勃发展。

发展到20世纪90年代,振动主动控制技术已日趋成熟,其研究对象己经从简单的线性系统发展到复杂的非线性系统,控制系统从简单的单输入单输出发展到多输入多输出系统,控制方法也在不断改进,已成功应用于航空航天结构振动控制、土木工程结构抗震、车辆结构隔震以及其他机械设备振动控制等领域,并且后来出现的模糊控制、神经网络控制等智能控制新型方法也已在振动主动控制中得到应用。

2结构主动控制在各领域的应用
形状记忆合金是一种材料,它在较低的温度(或马氏体的)条件下,塑性成形并消除外部应力,当加热时能够恢复最初(记忆)形状。

文献[1]对磁控形状记忆合金材料进行了磁力学性能试验研究,建立了预加压力-磁场-应变等磁力学本构模型;结果表明,研发的磁控形状记忆合金主动控制系统可有效控制网壳结构的地震响应。

转子的振动控制一直是机械工程领域较重要的研究领域,文献[2]建立了主动弹支干摩擦阻尼器在线控制转子突加不平衡振动响应的方法,在对实际转子系统参数未知或掌握不准确的情况下,仅根据所测转子的特速和振动信号,利用连续增益调度(GSPI)控制方法,对转子系统突加不平衡响应实施在线控制。

文献[3]压电智能材料以其优良的机电耦合特性被越来越多的应用于航空、航天结构的振动主动控制当中,首先分析了压电材料的应用和配置,最后对振动主动控制技术算法的研究现状进行了分析,总结了主动控制发展趋势和急需发展的关键技术。

在航空航天工程领域中,对于大柔性结构(如空间站、大型天线、太阳能电池板、光学系统等)的振动控制已受到广泛重视,已成为振动主动控制最活跃的领域。

研究的中心问题是提高结构的模态阻尼与减少外扰的影响。

新型智能材料及主动结构的出现,为大柔性结构的振动主动控制开辟了新的途径。

文献[4]针对大柔性空间珩架结构的振动主动控制问题,提出一种根部测控一体化方案,即采用CCD 相机在珩架根部对和架振动进行非接触式测量和采用Stewart 六杆并联平台固连在柔性精架根部作为主动设备进行振动控制。

文献[5]针对航天器在进行姿态机动时挠性附件的主动振动控制问题,提出一种基于自适应鲁棒方法和H∞理论相结合的控制方案。

在土木工程领域,对于高层建筑及大跨度桥梁等,为保证结构完整性与其他要求(如建筑中人的舒适性等),都要对随机性外载(如风、地震等)引起的响应进行控制。

近年来研制的主动式有阻尼动力吸振器取得了很好的减振效果。

由于巨型土木工程振动控制系统大都属于时滞的非定常线性系统,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技术尚需深入研究和探讨。

文献[6]为研究扰动影响下梁式结构动力学响应与主动控制,基于Timoshenko 梁理论,采用行波方法建立悬臂梁结构的动力学模型并获得扰动下的精确动力学响应及结构中传播的功率流。

文献[7]研究表明,主动控制效果与结构参数和布置位置关系密切,而与地震波关系不大;通过控制作用,结构各层的位移和加速度特别是响应剧烈的峰值得到了很大程度的抑制;主动控制时,基于遗传算法的优化可以高效的实现全局优化,而避免陷入局部优化。

机械工程领域,对于精密、超精密机床以及精密测量仪器和电子
加工设备等,由于对振动的要求极为严格,单纯的被动隔振已不能满足要求,必须采用主动振动控制技术。

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,已成为机器人学研究领域的另一热点。

文献[8]针对一种新型两自由度柔性并联机械手,在含有压电元件的有限元模型基础上,基于模态理论和滑模变结构理论,研究其振动主动控制问题。

在交通运输工程领域内,为改善乘坐品质,需要对车辆进行主动隔振、半主动隔振。

车辆悬架振动控制系统的研究和开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题。

在船舶海洋平台领域,为改善在波浪、风载荷激励下容易产生的有害的振动,主动控制可以在全频域范围内有效地抑制海洋平台的振动。

由于传统的主动控制是基于精确数学模型的控制,对海洋平台这种具有非线性、强耦合、多变量和不确定性的时变复杂系统,以及控制过程中存在信号传输延时等原因,使得控制效果并不理想,因此,不依赖计算模型的神经网络、支持向量机等智能控制方法具有很强的稳定性、鲁棒性和处理非线性的能力,可以有效地解决传统控制方法难以解决的振动控制问题。

文献[9]以海洋平台为对象,开展时域低阶建模与主动控制的研究。

文献[10]是关于从模态空间控制的角度研究由压电智能结构的主动控制的实验。

它证明了耦合模态控制可以用更少的驱动器控制更多的模态,尤其是当主动控制模态接近其他模态,它的比较优势更加明显。

文献[11]对于难于确定LOR 算法中加权矩阵Q 的问题,提出了一种用遗传算法优化权重矩阵的方法,并达到了全局最优的目的。

最后,在MATLAB/Simulink 环境下,采取模拟三自由度建筑结构,研究其在EICentro 地震波下的动态响应,并给这种控制方法的有效性的证据和实用性。

文献[12]提出了将结构模块化的有限元方法。

通过这种方法,悬架智能结构离散成许多单元自然杆和压电致动器与纵向调整索杆单元的一般形式,包含了驱动电源的主动杆单元。

3主动控制技术的展望
现有的振动主动控制技术的发展虽然取得了一些成果,但是还有一些理论和技术问题需要进一步的研究和探索。

(1)研究智能主动控制算法,如连续分布系统的控制方法、存在非线性特性和结构的时变不确定性系统的控制方法。

随着系统越来越复杂,传统控制算法受到很大限制,需要发展智能控制技术,如神经网络、模糊控制等,而智能控制技术在振动主动控制中亦尚有许多问题亟待解决。

(2)要实现更精确的控制,开发高精度、智能化传感器、作动器和集成化传感作动部件已成必然之势,而压电材料具有正逆压电耦合效应,这使得其既可作为感知外部环境变化的传感器,又可作为对外部环境变化作出迅速反应调整结构自身适应能力的致动器,压电材料是发展的趋势。

(3)结构控制一体化优化技术,即将传感器、作动器、控制器等有机地与结构集成。

主动改变结构自身刚度和阻尼分布,自适应实现振动控制的目标。

智能结构设计应综合结构设计,传感器、作动器设计及其配置、控制器设计等环节联合进行。

这种智能结构在航空、航天、建筑等工程中有着广泛的应用前景。

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(下转第185页)
结构主动控制的研究与应用
王猛
(上海海事大学,中国上海201306)
【摘要】科学技术的发展以及工作环境变得复杂恶劣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现如今应用的要求,迫使人们进一步寻求新的振动控制途径。

作为振动工程领域的一个重要分支,振动控制按对振动控制机理的不同可分为被动控制和主动控制两大类。

但是,结构主动控制具有控制效果好、适应性强和目标选择灵活的优点,受到了国内外大批科研人员的重视。

本文就将振动主动控制在一些领域的发展现状、振动主动控制在各个领域的应用和主动控制的发展趋势进行阐述。

【关键词】发展现状;主动控制;发展趋势
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界的颗粒稀释作用明显,浓度较低。

特别的,在N2竖直方向1.5至2.5米高度的区域,由于在施放位置正上方,浓度分布相对较高,在2.5米以上,才开始下降变低。

在N10、N12水平方向的颗粒浓度变化较小,普遍较低。

而在N11水平方向S2上方的一个区域,由于施放源的存在,出现了一个升高区域和峰值。

总体来看,混合通风形式下舱室内的颗粒扩散,由于混合通风有很强的稀释作用,浓度分布较均匀普遍较低。

3总结
总的来看混合通风下,舱室内气溶胶颗粒扩散特性:N10~N12人体呼吸高度处水平方向颗粒浓度分布,较大区域和峰值都是出现在防暴弹施放位置上方的区域附近,但是该区域的大小和峰值的大小又有所不同,施放位置离通风口越远,颗粒扩散浓度较高的区域就越大。

结合舱室内的气流场分析,舱室内底部的回流区在颗粒扩散过程中将其输运至通风出口,所以,施放位置离通风口越远,这种作用越弱。

即气溶胶颗粒在气流的路径中所处的相对位置,例如离通风出口的相对位置,使得颗粒在人体呼吸高度水平面的浓度分布有所差异[4]。

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[责任编辑:薛俊歌]
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图4各观测点颗粒浓度分布
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[责任编辑:汤静]
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