主动振动控制技术的发展和应用

变增 益变 相位 P ID 控制 算法
由表看出, AHF 在低频段( < 30Hz) , 效果较好。 本实验 只讨论了基波 , 二次 以上的谐 波, AHF
图 2 AHF 的实验控制框图
效果不明显 , 有时比不加 AHF 还差。好在脉动的大 部能量集中在基波上, 只要基波衰减明显 , 整个脉动 能量就被大部消耗了。如果能量最大 载波不是基 频 , 而是其他谐波 , 也可通过滤波法主要抑制那次谐 波 , 并可对二到三个频率的脉动滤波。 3 车辆悬架主动隔振控制 ( AIVC) 3. 1 主动隔振原理 本文讨论的对象是一个 1/ 4 车辆悬架的双自由 度主动隔振系统, 系统简化物理模型见图 3。图中, 输入信号 y 。相当于路面对车轮的激励。 AIVC 的 任务就是使这种激励和车身隔开 , 使 y 2 尽量小。工 作时 , 装于底盘和车身上的传感器检测出它们的运 行状态 , 并将信号放大后送给控制器 5, 经信号处理 后 , 通过伺服放大器 6 和伺服阀 7 来控制伺服油缸 产生需要的主动控制力 , 用以抵消激励力的影响 , 起 到隔振的作用。传感器 2 只在特征结构配置的控制 方案时应用。 3. 2 AIVC 的控制算法 实验时 , 首先比较了以下几种控制策略。 ( 1) ( 1) 变增益、 变相位 PD 控制方案 ; ( 2) P ID 自动 变参数控制方案; ( 3) 系数自校正的 F C 控制方案和 ( 4) FC+ P ID 复合控制方案。其实验结果如表 2 所 示。
P max ( t ) b. 相位调节
有三种方法: 程序自调法、 外中断调节法和模拟 电路调节法 [ 2、 3] 。此时采用的目标函数为
n
J =
k= 1
| e( k) |
( 2)
令 J 最小。 2. 3 实验结果( 见参考文献 [ 2、 3] ) 表 1 列出了主动执行器 ( 伺服阀 ) , 分别安装在 P1 、 P 2、 P3 三点时的实验结果。
式中 Q = [ Q 1 Q 1 A Q 1 A Q1 A ] Q 1 = [ 0 0 0 1] [B AB A 2B A 3B ] 1
采用这种控制方案的实验结果见图 5。 采用 AIVC, 装置复杂、 耗能大、 价格高, 因而在 很多情况下宁肯用半主动控制来实现车辆的振动控 制。
A =
k1+ k2 c m1 m1 0 1 m1 k1 m1 0 0] ( 4) ( 5) 4
图5 37. 5Hz 时的实验结果
T T
1 0 - m 2 0 0 0
C= [1 0 所采用的控制律为Hale Waihona Puke Baidu
= KX u = - KX + r 所以 X = ( A - BK ) X + Br 状态变量反馈系统如图 4 所示。
用于降低车内噪声的主动振动控制支承[10] 发动机安装到车辆上的传统方法是通过橡胶或
2003年 8 月
周
文 : 主动振动控制技术的发展和应用
25 加入 AHF 后合成脉动最大幅值。
脉动。用控制 器的输出控制二 次脉动的幅值 和相 位。某点压力脉动可近似为一次和二次脉动的叠加 结果。压力传感器拾取的信号就是合成信号。理论 上, 一次和二次脉动幅值相同, 相位相反 ( 相位差为 ) 时 , 合成脉动为零, 但由于脉动并不是简谐振动 , 而是多次谐波组成的周期信号 , 再加其他干扰因素 的影响 , 实际是不可能为零的。脉动的时变性使合 成结果也在变化 , 控制器中增益和相位必然要随之 变化 , 才会使合成脉动的幅值在期望的范围内变动。 根据管道传输特性 , 管道内不同位置的衰减效果是 不一样的。 讨论 AH F 的数学模型时 , 首先可把管内流看作 一维流动 , 然后应用特征线法建模 , 并通过特征网络 和空间 插值法 对系统 进行 仿真 , 仿真 结果 见文 献 [ 1] 。 2. 2 AH F 的控制算法 AH F 系统的实验控制框图见图 2。
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液
压
气
动
与
密
封
2003 年第 4 期
图4
状态变量反馈系统框图
目标函数为
1 - 加速度计 2 - 位移传感器 3 - 电荷放大 器 4 - 电压 放大 器 5 - 控制器 6 - 伺服放大器 7 - 电液伺 服阀 8 - 示 波器 9 - 输入信 号发 生器 , m 1 、 m 2- 悬架 下和 上 质量 ; k 1、 k 2输胎和 悬架弹 簧刚 度 ; c - 粘 性阻 尼系 数 ; y 0 、 y1、 y2 - 轮底、 底盘和车身的位移 图 3 AIVC 的简化物理模型 [ 9] 表2 控制方案 PD PI D FC FC+ PID AIVC 的实验效果 衰减度 dB 2Hz 20. 5 21. 0 22. 8 22. 9 8Hz 17. 9 19. 1 21. 3 22. 3
第 4 期 ( 总第 100 期 ) 2003 年 8 月
液
压 气 动 与 密 Hyd. Pneum. & Seals
封
No. 4( Serial No. 100) Aug . , 2003
主动振动控制技术的发展和应用*
周 文 030024) ( 太原理工大学机械工程学院, 太原
摘 要 : 介绍 了主动振动控制技术的现状 , 讨论了 它在主动液 压滤波 ( AHF ) , 主动 隔振控 制 ( A IV C) 和 主动噪 声控制 ( A NC) 等方面的应用。 关键词 : 主动控制 ; 液压滤波 ; 隔振 ; 降噪 中图分类号 : TH39 文献标识码 : B 文章编号 : 1008 - 0813( 2003) 04 - 0024 - 04
2003年 8 月
周
文 : 主动振动控制技术的发展和应用
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液压支承 , 隔振效果不理想, 也未降低车内噪声。 德国 Canl F reudeberg 振动控制技术部开 发一 种主动振动控制支承, 使发动机通过主动支承和底 盘隔开 , 避免了振 动的互扰 , 降低了车 内噪声[ 10] 。 主动控制支承如图 6 示。
表 1 AHF 的实验结果 控制 算法 一次脉动 基波频率 Hz 19 30 40 50 60 80 衰减效果 dB P1 19. 9 11. 1 10. 1 10. 2 10. 7 P2 22. 6 18. 5 11. 7 11. 0 10. 9 9. 6 P3 19. 8 18. 2 11. 5 10. 2 10. 2 9. 7
。一个正常的系统应是动稳定的, 且其动力响
应须限定在可接受的范围内, 有时要求其振荡愈小 愈好。当系统不满足上述要求时, 例如 , 飞机的颤振 ( 动不稳定性问题) , 液压管道中流体振动和车辆对 地面激励的响应过大( 系统动力响应问题 ) 等, 可以 采用结构和参数的动力修改方法解决, 也可在系统 上附加被动补偿器来抑制振荡的幅值。被动补偿方 法简单易行, 无源价廉, 已获广泛应用。但补偿频带 窄, 只对特定情况有较好效果 , 因此多用于工况变化 较小的场合。对一些工况变化大、 性能要求高的宽 频系统, 可采用有源的主动或半主动振动控制技术。 其缺点是系统复杂、 耗能稍大、 成本较高。 主动控制技术在振动控制领域内的应用, 主要 在三个 方面 : 主动 振 动 控制 ( AVC) ( 机械 振 动 控 制) , 主动液压滤波 ( AHF ) ( 管内流体振荡 控制 ) 和 主动噪声控制 ( ANC) ( 空气声振荡控制 ) 。AVC 又 可分为主动或半主动吸振控制、 隔振控制、 阻振控制 和消振控制等。 主动控制系统主要由受控对象、 传感元件、 控制 器和主动执行器 ( 又称作动器 ) 等组成。 传感元件决 定于被控参数 , 常用的 有, 加速 度 计、 速度计、 位移传感器、 力传感器、 压力传感器和噪 声传感元件等。 控制器多采用微处理系统 , 可根据工作要求实 现适应的控制策略。常采用的控制律有 : 变增益、 变 相位 P ID 算法、 自适应控制、 模糊控制 ( FC) 、 PID+ F C、 神经网络算法、 特征结构配置法、 最优和次最优
4
J =
i= 1
(
i-
Si ) (
i
- Si ) * Wi
( 6)
式中 J
最小; i- 闭环系统第 i 个特征值;
S i - 期望的特征值 , 依系统要求而定; W i - 第 i 个特征值的加权因子 ; ( ) * - ( * ) 的复共轭。 根据 | I- A| 可得 的四次特征方程, 根据期望 的 S i 可得到 S 的四次期望特征方程。 从上两个方程得补偿系数 K c K c = [ K c1 再依式 K = K cQ 得到反馈增益矩阵 K = [ K 1
1 引言 一个系统除应满足特定功能外, 还应考虑两个 重要的 动力学 问题 , 即系 统的 动稳定 性和 动力 响 应
[ 4]
算法、 模态控制法和预测控制法等。 主动或半主动控制器可依带宽和工况选择。常 见的有 : 电液伺服油缸、 电液伺服阀、 电机械转换器 ( 如比例电磁铁等 ) 、 压电式执行器、 形状记忆材料执 行器、 磁致伸缩材料执行器 , 反作用式执行器和电流 变液体等 下面举例说明它们的应用。 2 主动液压滤波 ( AHF) 液压系统中常存在流量脉动和压力脉动。其幅 值过大时 , 会影响系统的正常工作 , 必须加以抑制。 脉动衰减常称为滤波。除设计上考虑外 , 也可采用 被动滤波 ( PH F) 方法来衰 减脉动。 PHF 法是在系 统中附加一个特定形状 , 结构和尺寸的容积来衰减 脉动幅值 ( 如 H 、 K 型滤波器等 ) , 它具有简单易 实现等优点 , 已广泛用于液压系统中。但 PHF 频带 窄 , 低频段时需附加较大的容积 , 从而降低了系统液 压刚度 , 使动特性变坏 , 不能满足系统要求。应用主 动液压滤波 ( AH F) 可较好地解决上述问题。 2. 1 AHF 的原理 AHF 的简化物理模型如图 1 所示。
* 国家自然科学基金 ( 59175197) 和山 西省 留学归 国人 员基 金 ( 9544) 资助项目。 收稿日期 : 2000- 06- 17 作者简介 : 周文 , 教授 , 太原理工大学工程学院
图 1 AHF 简化物理模型
脉动源产生的流量脉动在管道中传播 , 遇到液 阻时形成压力脉动 , 并产生反射和干涉。常把源脉 动称为一次脉动, 主动执行器产生的脉动称为二次
2
K c2
K c3
K c4 ] K2 K3
3
( 7) ( 8) K 4] ( 9) ( 10) ( 11)
由表看出, FC+ P ID 控制时 , 效果稍好。 本文还采用全状态反馈极点配置法对 AIVC 系 统进行了实验。 设状态变量为: x 1 = y 2 ; x 2 = y 2 ; x 3 = y 1 ; x 4 = y 1 其动态模型为 X = A X + Bu + Dy 0 y = y 2 = cX ( Fc = u ) 式中 Fc 控制力 0 1 k2 c m2 m2 0 k2 m1 B= D= 0 c m1 0 k2 m2 0 0 c m2 1 ( 3)
图中, P 1 ( s) 为一次脉动传 递函数; P 2 ( s) 为二 次脉动传递函数 ; E ( s) 为合成脉动传递函数 ; M ( s) 为压力传感器和电荷放大器传递函数; W ( s) 为伺服 放大器和伺服阀 ( 主动执行器 ) 的传递函数; 制算法有关) 。 电液伺服阀和系统的连接方式有分流式、 入流 式和分流入流式等三种, 为简化装置, 本实验采用分 流式。此时, 伺服阀必须加偏流, 其值应等于或大于 最大二次脉动峰值, 以避免二次脉动波形失真。 控制器选用 M CS - 8098, 实验时编 制了五种 控 制算法: ( 1) 常规 P ID 算法 ; ( 2) 变增盖 P ID 算法 ; ( 3) 变积分常数 P ID 算法; ( 4) 变增益、 变积 分符号 PID 算法和 ( 5) 变增益、 变相位 PID 控制算法。实 验表明 , 前四种算法效果不甚理想 , 只有 ( 5) 收到显 著效果。 a. 幅值调节 系统变增益系数为 K ( t ) = P omax / P max ( t ) 式中 P o max 值, 近似为常数 ; 加入 AH F 前测得的一次脉动最大幅 ( s) 为 管道传递函数; C ( z) 为控制器脉冲传递函数 ( 和控