二自由度振动系统的简单主动控制[设计+开题+综述]

开题报告机械设计制造及其自动化二自由度振动系统的简单主动控制一、选题的背景与意义振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，可分为被动控制与主动控制两类。

被动控制由于不需外界能源，装置结构简单，许多场合下减振效果与可靠性较好，已经获得广泛应用。

但随着科学技术的发展，以及人们对振动环境、产品与结构振动特性越来越高的要求，被动控制已难以满足要求。

本文将通过对车辆的振动特性进行分析，建立二自由度分析模型，选取适当的简单的控制方法，对其进行控制，使之平顺性更好。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1研究的基本内容（1）了解车辆平顺性和控制理论的相关背景知识；（2）建立二自由度系统，能够进行仿真分析；（3）在模型中建立作动器，对模型进行改进；（4）对分析结果进行总结，分析控制前后模型的加速度均方根值的变化；2.2拟解决的主要问题对二自由度振动系统进行仿真模拟并对其动态特性进行研究，并加入控制系统，根据振动控制系统仿真结果，控制能达到良好的隔振效果。

三、研究的方法与技术路线本课题的技术路线主要是通过分别建立1/4车辆振动系统的被动和主动悬架，并进行相应的仿真，最后通过对比来说明主动悬架和被动悬架对于车辆的减震效果的差异。

课题的技术路线如下：图3-1 技术路线图四、研究的总体安排与进度（1）了解车辆平顺性和控制理论的相关背景知识（1周）；（2）建立二自由度系统，能够进行仿真分析；（3周）；（3）在模型中建立作动器，对模型进行改进；（4周）（4）对分析结果进行总结，分析控制前后模型的加速度均方根值的变化（2周）；（5）整理、撰写毕业论文（2周）。

参考文献[1] 冯崇毅．汽车电子控制技术[M]，北京：人民交通出版社，2005．[2] 蔡兴旺．汽车构造与原理下册[M]，北京：机械工业出版社，2004．[3] 王加春，李旦，董申．机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述[J]，机械强度，2001，23 (2)：156-160．[4] 蔺玉辉，靳晓雄，肖勇．振动主动控制技术的研究进展[J]，上海汽车，2006，7：29-31．[5] 耿瑞．基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J]，信息技术，2007．(4)：43-46.[6] 王加春，李旦，董申．超精密机床溜板的模糊-PID振动主动控制研究[J]，2001．1：57-60．[7] 王辚，张科．基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统[J]，探测与控制学报，2008．4(30)：73-76.[8] 阮观强，叶本钢．基于MATLAB仿真的汽车主动悬架与被动悬架的研究[J]，上海电机学院学报，2007．10(4)：284-287．[9] Dave Crolla，喻凡．车辆动力学及其控制[M]，北京：人民交通出版社，2004．[10] 李迪，郭忠菊，王军方，等．利用MATLAB的汽车主动悬架动力学仿真[J]，山东理工大学学报，2003．17(6)：21-25．[11] Mariano Febbo and Sergio A．Vera．Dynamic characteristics of 1 and 2degrees-of-freedom systems acting as dynamic vibration absorbers on continuum systems [J]，Mecánica Computacional Vol XXIX，2010：747-765．[12] Rabih Alkhatib and M．F．Golnaraghi，Active structural vibration control：a review[J]，The Shock and Vibration Digest，2003．35：367-384．毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化二自由度振动系统的简单主动控制摘要：为了改善车辆的平顺性，本文建立了车辆的二自由度振动模型。

并阐述了振动主动控制中主要控制方法和策略及应用中存在的问题。

同时，介绍了国内的部分学者对振动主动控制方面的研究。

最后，并对其进行了相应的总结。

关键词：二自由度振动主动控制1、引言振动主动控制主要应用主动闭环控制，其基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。

控制规律的设计几乎涉及到控制理论的所有分支，如极点配置、最优控制、自适应控制、鲁棒控制、智能控制以及遗传算法等。

本材料主要参考了《振动主动控制技术的研究进展》、《基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统》等论文的相关方法。

2、1/4单轮车辆模型它是由车身质量ms、车轮质量mt、悬架弹簧刚度ks、车轮刚度系数kt、作动器组成。

其中，xg路面位移，Xb车身位移，Xw车轮位移。

3、控制系统简介3.1独立模态空间法独立模态空间法的基本思想是利用模态坐标变换把整个结构的振动控制转化为对各阶主模态控制，目的在于直接改变结构的特定振型和刚度。

这种方法直观简便，充分利用模态分析技术的特点，但先决条件是被控系统完全可控和可观，且必须预先知道应该控制的特定模态。

3.2极点配置法极点配置法也称特征结构配置，包括特征值配置和特征向量配置两部分。

系统的特征值决定系统的动态特性，特征向量影响系统的稳定性。

根据对被控系统动态品质的要求，确定系统的特征值与特征向量的分布，通过反馈或输出反馈来改变极点位置，从而实现规定要求。

3.3最优控制最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解结构振动最优控制输入的一种设计方法。

由于最优控制规律是建立在系统理想数学模型基础之上的，而实际结构控制中往往采用降阶模型且存在多种约束条件，因此基于最优控制规律设计的控制器作用于实际的受控结构时，大都只能实现次最优控制。

3.4自适应控制自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分为自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三类。

自适应前馈控制通常假定干扰源可测；自校正控制是一种将受控结构参数在线辩识与受控器参数整定相结合的控制方式；而模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受控制结构，使受控结构的输出跟踪参考模型的输出。

3.5鲁棒控制虽然自适应控制可用于具有不确定性振动系统，但自适应控制本身并不具备强的鲁棒性。

鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。

3.6智能控制智能控制理论的产生与发展为振动主动控制带来了新的活力。

模糊控制作为智能控制的一个重要分支，它不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观经验和直觉纳入控制系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段。

神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。

神经网络以对信息的分布式存储和并行处理为基础，它具有自组织、自学习功能，对于非线性具有很强的逼近能力。

4、国内外研究现状王加春，李旦，董申[1]研究了振动主动控制技术在机械工程领域的应用。

整机的振动主动控制和转子的振动主动控制是该领域的两个主要方面。

在简单介绍振动主动控制原理和常用的传感器与作动器的基础上，概述了整机振动主动控制的发展情况，较系统地总结了转子常用的控制技术，并综述了主动控制常用的控制方法，同时简要介绍了振动主动控制在机械工程领域其他方面的应用情况。

对微幅振动主动控制亦作了介绍。

最后，对振动主动控制的发展作了简短评述和展望。

蔺玉辉，靳晓雄，肖勇[2]研究了振动主动控制技术的研究现状作了简要评述，介绍了主动控制技术中常用传感器和作动器以及其应用情况，阐述了振动主动控制中主要控制方法和策略及应用中存在的问题，并提出了振动主动控制技术的发展趋势。

沈承，黄光宏，曹世宏，李源[3]研究PID控制系统的参数调节技巧。

研究指出PID控制器参数调节的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算来确定控制器参数，这种方法可能会由于系统模型的不精确性使得所得到的PID参数不能直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，该方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

1王加春，李旦，董申．机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述[J]，机械强度，2001，23 (2)：156-160．2蔺玉辉，靳晓雄，肖勇．振动主动控制技术的研究进展[J]，上海汽车，2006，7：29-31．3沈承，黄光宏，曹世宏，李源．PID控制系统的参数调节技巧[J]，机械工程与自动化，2008．8(4)：155-158．耿瑞[4]研究基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真。

其原理为在传统PID控制的基础上，将控制规则的条件和操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整。

研究指出，模糊自调整PID突破了传统方法需要编制大量程序的做法。

用模糊推理的方法在动态过程中改变PID的参数，能够发挥两种控制方式的优点，克服两者的缺点，提高控制质量。

王辚，张科[5]研究基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统。

研究针对常规PID 控制器参数整定不良、适应性差、控制精度不理想的现状，提出了动态过程中参数自动整定的模糊PID控制系统。

并利用MATLAB的SUMLINK工具箱，对系统进行仿真，仿真试验结果表明模糊PID控制鲁棒性好、控制精度提高。

卫明社，李国勇[6]研究基于可编程控制器的PID控制系统开发。

可编程控制器是当代工业自动化的三大支柱(包括计算机辅助设计与加工、机器人和可编程控制器) 之一。

在其产生初期，主要用于逻辑控制的场合；而如今已进入包括过程控制、位置控制等场合的控制领域。

针对可编程控制器的发展现状，他们研究了一种利用西门子公司的S7-300系列PLC的编程软件STEP 7 及组态软件WinCC开发并实现PID控制的方法，结果表明该方法操作方便，画面直观，且可靠性高。

李秀娟，甄冒发[7]研究基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用。

他们以NI公司生产的M系列数据采集卡PCI-6221为硬件，以LAB VIEW 7．1软件为开发平台，设计出具有实时温度信号控制的系统。

系统调试结果表明，该系统具有界面友好，测量控制精度高、工作安全可靠、易于操作等特点。

续欣莹，谢琚，谢克明[8]针对传统二自由度PID控制中用Ziegler—Nichols稳定边界法整定干扰抑制参数K，Kl，K0，其对外界扰动敏感性较强，难以达到系统控制要求这一问题，给出了一种基于模糊逻辑的二自由度PID 的实现，运用模糊4耿瑞．基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J]，信息技术，2007．(4)：43-46．5王辚，张科．基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统[J]，探测与控制学报，2008．4(30)：73-76．6卫明社，李国勇．基于可编程控制器的PID控制系统开发[J]，电气电子教学学报，2009，2(31)：43-45．7李秀娟，甄冒发．基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用[J]，测控技术，2007．(36)：49-51．8续欣莹，谢琚，谢克明．一种基于模糊逻辑的二自由度PID的实现[J]，太原理工大学学报，2004．35(5)：520-524．逻辑算法对KP，Kl，K0三参数进行整定，较好地改善了系统的抗干扰性能。