现代控制理论在内燃机振动主动控制中的应用_王宝林

第37卷　第6期2008年12月

小型内燃机与摩托车

S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE

Vol.37No.6

Dec.2008

现代控制理论在内燃机振动主动控制中的应用

王宝林1　于镒隆2　王　爽3

(1-天津大学内燃机研究所　天津　300072　2-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

3-天津朝霞摩托车技术开发有限公司)

摘　要:内燃机的振动是有害的,为了克服这类有害的振动,人们已经开始研究主动控制振动的途径。本文简述了现代控制理论在内燃机振动主动控制领域的应用现状,阐述了各种控制理论与内燃机振动系统的关系。本文以现代控制理论中有代表性的最优控制、自适应控制、鲁棒控制为重点分析了现代智能控制理论在振动系统控制中应用的可能性与发展,指出了内燃机振动主动控制领域今后一段时间内的研究重点与方向。

关键词:内燃机振动　主动控制　现代控制理论　现状与发展

中图分类号:TK411.6 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2008)06-0092-05

The Appli ca ti on of M odern Con trol Theory on

Acti ve Con trol of Eng i n e V i bra ti on

W ang Baoli n1,Y u Y ilong2,W ang Shuang3

1-Tianjin I nternal Co mbusti on Engine Research I nstitute,Tianjin University(Tianjin,300072)

2-State Key Laborat ory of Engines,Tianjin University

3-Tianjin Zhaoxia Mot orcycle Technol ogy Devel opment Co.,L td.

Abstract:Engine vibrati on is har mful.To avoid this kind of vibrati on,peop le are l ooking f or the way t o con2 tr ol the vibrati on actively.This paper intr oduces the app licati on status of modern contr ol theory on active con2 tr ol of engine vibrati on,and expounds the relati onshi p bet w een vari ous contr ol theories and the engine vibra2 ti on syste m.Taking op ti m al contr ol,adap tive contr ol and r obust contr ol as rep resentatives of modern contr ol theory,the p r obability and devel opment of modern contr ol theory’s app licati on on vibrati on syste m contr ol are analyzed,and the research e mphasis and directi on of active contr ol of engine vibrati on are put f or ward. Keywords:Engine vibrati on,Active contr ol,Modern contr ol theory,Status and devel opment

引言

内燃机的振动是有害的。对于有害的振动,人们总是在想方设法将其消减甚至消除。消减振动一般从两个方面着眼:一是耗散振动能,二是抑制激振力。耗能的方法有加装阻尼摩擦片、附带质量冲击块;抑制激振力的方法有提高系统刚度、加装动力减振器或是主动对振动系统施加同频反向的抑振力。通过控制系统对振动主体主动施加抑振力即振动的动态控制(也称有源控制、主动控制)。该控制系统一般由振动体(内燃机振动系统如曲轴)、振动信息采集器(对于旋转振动系统多用涡流传感器和光电传感器,对于整机多用弹簧质量加速度传感器)、变送器、处理器、控制器、执

作者简介:王宝林(1953-),男,工程师,主要从事摩托车检测与控制技术研究。

行器、显示与调节器等部件组成。其中控制器是系统的核心,控制器的设计应依据振动体即被控对象的特性进行。本文将依据内燃机的振动的特性探讨控制器设计中运用的各种控制理论问题以及在振动动态控制上各种现代控制理论应用的可能性。

众所周知,二十世纪是一个自动化控制技术飞速发展的时代;随着技术的发展,自动控制理论不断得到完善;技术的发展、理论的完善也使得各个领域中的控制方式得到丰富和健全。就内燃机的振动控制领域而言,控制方式已由早期的运用经典控制理论的单输入单输出的P I D调节方式(只适合设计简单的被动减振、隔振装置)发展到运用现代控制理论的最优控制(使用线性二次型LQ/线性高斯二次型LQG算法方式居多)、自适应控制(最小方差LMS算法最具代表性)。而运用智能控制理论中的鲁棒性控制(使用H -infinite控制律)、是振动噪声动态控制的主动控制理论现代研究的发展方向,包括理论分析、系统设计与仿真都有待于深入研究。由于内燃机的振动频率变化范围大、振动幅值高,而且内燃机工作环境极其恶劣,使得在内燃机上应用主动控制减振技术具有一定的难度和复杂性,因此,振动的主动控制技术应用于内燃机的控制方面尚不多见。

1　控制理论的发展与内燃机振动的控制

以传递函数为基础的经典控制理论是一种将控制系统的分析与设计建立在某种近似和试探的基础上的控制理论,控制对象一般是单输入单输出(SI S O)系统、线性时不变系统(LTI);对多输入多输出(M I M O)系统、时变系统、非线性系统等,则无能为力。经典控制理论主要的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法等。控制策略仅局限于反馈控制、P I D控制等。这种控制不能实现最优控制。人类利用控制技术已有相当漫长的历史,然而真正形成理论是在二十世纪上半叶。随着《控制论》(W.R.Evans,1948年)与《工程控制论》(钱学森, 1954年)两文的发表,社会与国民经济的各个领域都掀起应用自动控制技术的波澜,这也标志着经典控制理论的成熟。可是,正由于经典控制理论只能对付单输入单输出时不变系统,对复杂的内燃机的振动与噪声(通常是多输入多输出时变系统)无能为力,所以此时振动动态控制这一领域几乎没有什么理论与实践成果。

以状态空间为基础的现代控制理论是一种基于状态方程数学模型的分析综合理论,控制系统的分析与设计是精确的,控制对象可以是单输入单输出控制系统,也可以是多输入多输出(M I M O)控制系统,可以是线性定常控制系统,也可以是非线性时变(NLT)控制系统,可以是连续控制系统,也可以是离散或数字控制系统。主要的建立在已知系统的基础之上的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。由于现代控制理论的分析与设计方法的精确性,因此,现代控制可以得到根据被控对象状态空间模型来综合的最优控制、也可以发展为自适应控制。但它们都要求系统已知;可是,严格来说,大部分的控制系统是一个完全未知或部分未知系统,这里包括系统本身参数未知、系统状态未知两个方面,同时被控制对象还受外界不确定的干扰、环境变化等的因素影响。这一阶段,人们已将控制理论运用到振动动态控制领域。也就是说,振动动态控制已有五十余年的历史,首先是C・E・Crede,R・D ・Cavanaugh[美]等人做了直升飞机回转轴动态隔振的可行性研究[1]。针对内燃机振动控制研究起步较晚,始自上个世纪80年代,但发展较快,最优控制理论、自适应控制理论等很快便得到研究与应用。

以模仿人类智能达到目标性能最优为出发点的智能控制理论是一种非传统的综合自动控制理论、人工智能和运筹学等学科分支的控制理论。内容包括自适应控制、鲁棒性控制、神经网络控制、模糊控制、粗糙集合、遗传算子、拟人控制、等。其控制对象可以是已知的确定型系统也可以是未知系统(只需知道系统所属的模型集合),其控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响,且能有效地消除模型化误差的影响。内燃机是大型系统,其振动特性又相当复杂,因而要得到它的精确的数学模型是不可能的。内燃机的振动系统是复杂的非线性系统,以智能控制理论分析处理非线性系统的有效性,采用智能控制理论及方法,对大型复杂振动系统的扭振、弯振、耦合振动进行预测和控制。根据耗散结构论分析振动的机理和规律,在此基础上应用现代非线性、分岔与混沌力学理论以及转子动力学理论研究振动形成吸引子的性质,进而应用鲁棒性控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法及粗糙集合等人工智能理论与技术研究一类智能控制规律抑制轴系振动;或者当出现振动先兆时进行科学准确地预测,并根据所获得的特征变量的信息进行实时智能控制,以避免振动失稳,抑制导致失稳的发散性振荡,加快收敛性振荡的收敛速度。所以,应用基于

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