结构振动控制的研究进展与展望

第20卷第4期2009年8月中原工学院学报

J OU RNAL OF ZHON GYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.20　No.4Aug.,2009

　收稿日期:2009-07-28　作者简介:黄大宇(1957-),男,江苏南京人,副教授.

文章编号:1671-6906(2009)04-0043-04

结构振动控制的研究进展与展望

黄大宇

(中原工学院,郑州450007)

摘　要:　围绕结构振动的被动控制、主动控制、一体化控制等几个方面对当前研究的现状和最新进展进行了介绍,提出了目前结构振动主动控制存在的问题,对有待进一步研究的问题进行了探讨.关　键　词:　结构振动;被动控制;主动控制

中图分类号:　V414.3;TP13 文献标识码:　A DOI :10.3969/j.issn.1671-6906.2009.04.013

任何一个工程结构受到激励或干扰时,都会产生响应,表现为结构的振动和噪声.振动和噪声不仅会降低机械系统的性能,而且会造成环境污染.因此,必须对它进行控制.

所谓振动控制,就是针对控制对象的性质、工作环境和控制要求,运用各种力学原理来减小对结构有害的振动效应.传统的振动控制方法主要有结构元件的刚化、谐振系统的解谐与解祸、普通振动隔离、阻尼隔振、动力吸振等,这些方法各有特点,通过一种或几种方法的综合应用,基本上可以满足一般结构的减振要求.然而,随着时代的发展,传统的振动控制方法在某些方面已不能满足人们对结构的性能越来越高的要求.例如,现代飞机是一个装有各种精密仪器的复杂系统,在发动机的振动和气动力的干扰下,经常被诱发振动和噪声,严重地影响了仪器的性能和可靠性,降低了乘客和机组人员的舒适程度.常规的减振降噪方法是在飞机上附加多种阻尼材料,这增加了飞机的重量,降低了飞机性能,减振降噪效果也十分有限.因此,人们就提出了结构振动主动控制这个概念.

1　结构振动主动控制技术的研究现状

结构的被动振动控制通常是指结构系统的被动阻

尼设计(Passive Damping St ruct ural Design ).所有的被动阻尼设计的目标都是最大程度地吸收并耗散所关心频段内模态的应变能[1].常用的阻尼系统包括杆式阻尼器(St rut/Link Damper )[2-3]、阻尼饺(Joint/In 2terface Damper )[4-6]、质量调谐阻尼器(Tuned 2Mass Damper 简写为TMD )[7]、自由阻尼层和约束阻尼层

结构[8]等.筒形粘弹阻尼器的原理和力学模型如图1所示:

图1　筒形粘弹性阻尼器示意图

中原工学院学报2009年　第20卷

伴随着主动振动控制技术的发展,被动振动控制

的概念已发生了值得注意的变化.被动振动控制的概念已由隔振器、约束阻尼层等的布置和参数选择等传统概念扩展为包括结构阻尼设计在内的所有结构设计和结构设计修改.可以认为以抑制结构振动和优化动力学特性为目的的结构设计和修改也是一种广义的被动控制.这样经过被动控制后,结构可以是阻尼增加了,也可以是频率匹配特性变好、结构的可控性(相对于以后可能采用的主动控制而言)增强等.主、被动一体化振动控制的概念即是建立在被动控制这种经拓展的概念基础上的.

主动振动控制是指通过作动器和外部控制作用抑制结构振动的方法,它与被动振动控制的主要区别是它是一种有源控制,具有明显的反馈控制回路[9-10].主动振动的反馈控制作用通常利用一些新型功能材料和元件的压电和电致伸缩材料[11]、磁致伸缩材料[12-13]、形状记忆[14]和电流变[15]等实现.近年来,主动元件,尤其是低驱动电压、大作动位移和作动力压电堆片作动器的研制工作取得了一定的进展[16-19],如图2所示.这为主动振动控制技术的实际应用提供了基础,同时也带动了主动振动控制技术研究的进一步深入[20-21]

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图2　压电堆作动器结构简图

2　目前结构振动主动控制存在的主要问题

结构振动主动控制方式,可以分为全局和局部结构控制.航空结构物和土木建筑结构智能控制研究已经有20多年的历史,这为结构振动主动控制提供了较多可以借鉴的资料.目前对于结构振动主动控制存在的问题主要有:一是需要的控制能量大;二是控制的时滞问题.由于时滞效应,对结构施加的主动控制力反而可能导致结构的不稳定;三是结构物的控制往往要求

同时实现多个控制目标.如海洋结构物中风和浪往往是同时发生的,这就要求结构在进行风振控制的同时进行波浪荷载的控制.此外,在实际工程中对控制器不免存在一些约束,如控制器能量限制、驱动器的范围限制以及结构的输出约束等,而且可能存在不同类型的外界干扰输入.因此结构振动主动控制一般属于组合多目标多约束的控制问题.然而目前的结构振动主动控制基本上都是针对单目标和单个荷载作用进行的.

3　结构振动控制的未来展望

近年来,结构控制这一课题受到了多个领域的学者与专家的高度重视,越来越多的控制专家投身于该研究中,在理论上取得了不少新结果,在应用上成功的例子也很多,但以下几个问题有待进一步深入探讨.

控制器设计角度的建模与模型简化:由于结构系统维数高,含有未建模动态特性及参数不确定性等,研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的,同时对于含智能材料的结构,由于材料的强非线性,对材料与结构间的非线性相互作用的辨识也需进一步研究.

研究一些较新的鲁棒控制器设计方法,如H ∞、

μ、L M I ,鲁棒变结构控制等在含有不确定性的结构控制中的应用.另外,研究基于某类特殊结构(如含磁致伸缩材料的稳定平台)的振动控制机理与鲁棒控制算法等都是有很强的工程应用前景的问题.

结构控制中的非线性控制:研究带有滞回环及饱和的非线性控制问题,这类问题本身在控制界有着广泛的兴趣;另外,智能控制如模糊控制等在非线性结构控制中会有很好的应用前景,也值得深入探讨.

结构控制中的混合控制:不同类型的控制算法集成的研究即混合(hybrid )控制方式目前是控制界极受关注的问题,在结构控制中研究主动与被动控制间的最优混合,具有实际意义.此外,利用一些主动控制算法进行结构设计参数的优化问题也值得进一步研究.

多目标及多约束下结构控制器设计问题.结构控制问题的一个显著特点是工程背景强,在实际工程应用中对控制器存在一些约束,如控制器能量限制、执行器的行程限制、结构的输出约束,而且可能存在不同类型的外界干扰输入,因此,组合多目标多约束的控制器设计的问题值得深入研究.

许多结构控制问题对于可靠性要求很高,而在正常条件下又无法对整个闭环系统进行实现证实控制方

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