振动控制

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南京航空航天大学 振动工程研究所
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振动控制
Vibration Control
1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
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隔力
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隔幅
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• 共振：激励频率与系统固有频率重合，系统将产生剧烈共 振，必须加以控制；
• 强迫振动下系统响应呈交变状（交变位移、交变应力）， 可能导致结构疲劳破坏；
• 各类机载设备在振动环境中可靠工作，乘员对交通工具舒 适性的要求等问题，均要求人们设法降低系统的振动水平； • 自激振动，如飞机机翼的颤振
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Vibration Control
振动控制 Vibration Control
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振动控制
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课程在学科体系中的位置
• 振动控制是联系振动理论和控制理论的一门交叉 学科。 • 结构动力学 • 振动数值分析(有限元计算) • 振动测试与分析、模态分析理论
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振动控制
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
• 阻尼减振的方法
– 采用象隔振、吸振一样增加附加子系统的形式 （阻尼减振器）； – 将粘弹性阻尼材料直接涂覆或粘贴于受控结构 的表面；
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振动控制
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
• 从控制理论的角度，隔振就是在振源和受控对象 之间串加一子系统，相当于在传递路线中串联了 一个环节。
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原系统
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隔振器
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振动控制
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
消振
隔振
振源
受控对象
2. 隔振：振源与受控对象之间串加一个子系统， 以减小受控对象对振源激励的响应。 • 两类隔振问题：
– – 对于产生激励力的振源，隔力； 对于产生运动激励的振源，隔幅；
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振动控制
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课程主要内容
• 绪论
• 被动控制
– 振动隔离、阻尼减振、动力吸振
• 主动控制
– 数学模型 – 控制律设计 – 典型的控制器设计：PID控制器,状态反馈控制 器
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• 计算机科学 • 自动控制理论 • 振动控制
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振动控制
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课程学习目标
• 理论目标
– 了解常用的振动控制的方法和原理； – 掌握振动控制的基本理论和基本方法；
• 实践能力
– 了解在实际工程中的应用； – 解决工程中实际振动问题的能力。
受控对象
H s
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控制系统
传递函数变化： H(s)
H(s) G(s)
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
消振
隔振
振源
受控对象
吸振
3. 吸振：又称动力吸振。在受控对象上附加一个子系 统称之为动力吸振器，用它产生吸振力以减小受控 对象对振源激励的响应。
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振动控制
Vibration Control
1.2 振动控制的分类
第 一 章 绪 论
• 从能量交换的角度，振动控制可分为被动控制、主动控制 和半主动控制；
– 振动控制或振动抑制，是尽量减小有害的振动，从能量的角度看， 其本质是振动控制系统是否与外界发生能量交换的关系。
• 振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，是 振动研究的出发点和归宿。
• 两方面内容：
– 振动的抑制，尽量减小有害的振动以保证系统正常工作， 延长使用寿命。 – 振动的利用，利用有利的振动实现某种工程目的；
• 如振动筛，夯土机
• 地面振动环境试验
• 振动控制的任务：
– 通过一定的手段使受控对象的振动水平满足人们预定的 要求。
课件交流邮箱： vc_nuaa@126.com，
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振动控制
Vibration Control
第一章 绪论
第 一 章 绪 论
第一章
绪论
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振动控制
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主要内容
第 一 章 绪 论
• • • • • •
振动控制的任务 振动控制的分类 振动被动控制的原理和方法 振动主动控制的原理和特点 振动控制的实现途径 振动控制问题的几个实例
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振动控制
Vibration Control
1.1 振动控制的任务
第 一 章 绪 论
振动主动控制类型： 开环控制
开环控制又称程序控制，控制器中的控制律预 先按规定的要求设置好，与受控对象的振动状态无 关。
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振动控制
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振动控制
Vibration Control
1.2 振动控制的分类
第 一 章 绪 论
• 按不同性质的振动区分，振动控制包括动力 响应的控制和动稳定的控制。
• 受控对象对外界随时间变化的扰动都会引起 动力响应，如共振导致结构的变化或破坏； • 动不稳定是由于受控对象内部出现正反馈而 引起随时间增长越来越大的振动，在短时间 内导致产品或结构的严重破坏。
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振动控制
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考核方法
• 闭卷考试（80%） • 平时成绩（20%）
– 作业：迟交或缺一次作业扣10分，两次取消考试资格 – 缺席处理：无故缺席一次扣10分，三次取消考试资格
推荐两个论坛：
SIMWE仿真论坛：http://www.simwe.com/ 振动论坛：http://www.chinavib.com/forum/index.php
1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
• 被动控制的特点：
– 无需外界能量，装置结构简单，易于实现，经济性可靠性好，许多 场合下减振效果满意，已广泛应用在实际工程中；
• 被动控制的局限：
– 被动控制主要针对某种特定振动现象加以控制，性能单一，难以实 现宽带控制； – 无阻尼动力吸振器适用于频率不变或变化很小的简谐外扰，但不适 用于频率变化较大的简谐外扰；且吸振器质量块的重量和振幅受到 限制； – 低频隔振难以实现，有静变形过大和失稳的问题；
• 振动主动控制的特点：
– 适应性强，应用面广，减振效果好，对受控对 象的结构改动不大； – 对振动控制中每项被动控制技术，几乎都有与 之对应的主动控制技术；
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1.4 振动主动控制的原理和特点
第 一 章 绪 论
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受控对象
H s
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受控对象
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吸振器
G s
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振动控制
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
消振
隔振
阻振
振源
受控对象
吸振
4. 阻振：又称阻尼减振。在受控对象上附加阻 尼器或阻尼元件，通过消耗能量使响应减小。
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振动控制
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
消振
受控对象
振源
1. 消振：从能量的角度看，振源是系统产生过度振动的根 源，若能减小振源的激励能量，则系统过度的振动就不 会发生。
– – – 治本的方法，但是一般无法使振源的激振能量减小到理想的程 度； 减小旋转机械的偏心度，飞轮动平衡； 车刀颤振，添加冷却剂。
– 从能量的角度，使激励能量分配到受控对象和子系统上，并 使分配到受控对象上的能量最小，以达到减振目的。
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振动控制
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
• 从控制理论的角度阐述吸振的原理：
– 吸振器产生的吸振力p(t)，使受控对象的输入变为f(t)p(t)，从而达到减振目的。
• 被动控制（Passive Control）：除外界振动源或干扰外， 无其他外部能量输入或交换的振动系统； • 主动控制（Active Control）：除外界振动源或干扰外，有 其他外部能量输入或交换的振动系统；
• 半主动控制（Semi-Active Control）：是一种振动系统的 参数控制技术。根据系统输入的变化和对系统输出的要求， 实时调节某些环节的刚度、惯性以及阻尼特性，从而使系 统获得优良的振动特性。
– 受控对象：各类产品、结构或系统的总称。
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1.1 振动控制的任务
第 一 章 绪 论
• 振动工程中的振动问题
– – – – 飞行器重大事故中，40%与振动有关； 建筑物的抗震、抗风设计； 交通工具如汽车的舒适性； ……
– 阻尼是降低隔振效率的因素，但又是减小共振响应所必不可少的；
– 对于航空航天工程中的大型柔性结构，被动控制已无法满足诸多振 动控制要求。
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振动控制
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1.4 振动主动控制的原理和特点
第 一 章 绪 论
• 振动主动控制是主动控制技术在振动控制领 域中的应用。
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
消振
隔振
结构修改
阻振
振源
受控对象
吸振
5. 结构修改：通过修改受控对象的动力学特性参数使 振动满足一定的要求。
– – – –
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这是一种不需要附加任何子系统的振动控制方案； 动力学参数：指影响受控对象质量、刚度与阻尼特性的参数， 如惯性元件的质量、转动惯量及分布； 对已有的受控对象，是结构修改的问题； 对处于初始设计阶段的受控对象，是动态设计的问题。
– 利用各种形式的阻尼来耗散结构的振动动能，大 多是从机械能转化为热能，由结构周围空气吸收。
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
• 阻尼减振的效果
– 一般来说，增大阻尼可抑制系统响应，尤其在 共振区附近，效果特别明显。
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参考书籍
• • • • 顾仲权, 振动主动控制 张阿舟, 振动控制工程 张阿舟, 实用振动工程2 -- 振动控制与设计 Richard C. Dorf, 现代控制系统(第八版中译 版) • Wodek K. Gawronshi, Advanced Structural Dynamics and Active Control of Structures • Sigurd Skogestad, Multivariable Feedback Contro control: analysis and design
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1.3 振动被动控制的原理和方法
第 一 章 绪 论
• 五种典型的振动抑制的方法：
– 消振；
– 隔振；
– 吸振；
– 阻振；
– 结构修改；
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