浅论结构主动控制

　　主动控制就是在振动控制过程中,根据检测的振动信号,应用一定的控制策略,经过实时计算,通过驱动作动器对控制目标施加一定的影响,达到抑制或消除振动的目的。主动控制是一种以动制动的控制方式,又称有源控制[1],它可对任意结构进行控制,具有极强的适应性和调节性,可通过动态修改系统结构参数实现高水平的振动控制。

　　对机械振动进行主动控制方面的尝试已有30多年的历史,但早期进展缓慢。振动主动控制研究包括控制的目标函数、控制器的设计和施加控制力的方法等。近年来,随着信息技术、测控技术的发展,振动主动控制技术有了长足的进步,一些控制方法和相应的测控系统正日趋成熟,并开始在航天、航空、机械和土木工程领域得到成功的应用。

　　1振动主动控制在结构中发展概况及构成与分类

　　振动主动控制装置的雏形可追溯到19世纪20年代出现的采用电磁阀控制的缓冲器振动。主动控制技术的研究始于20世纪50年代末期。20世纪70年代振动主动控制研究进入广泛探索阶段。20世纪80年代后,随着科学技术的迅速发展,振动主动控制技术进入蓬勃发展阶段,用以提高抗震性能面上和舒适性的高挠性大型土木工程结构振动的主动控制,及用以提高平稳性和舒适性的车辆主动和半主动控制等方面,得到进一步发展[2]。

　　主动控制根据控制律是否依赖结构响应或外界激励可分为闭环控制、开环控制和开闭环控制。目前,研究和工程应用较多的是闭环控制。3类控制可用图1系统框图来表示。

　　根据控制器的不同,主动控制又有主动调频质量阻尼器(简称AMD或A-TMD)、主动拉索和主动支撑之分。

　　2振动主动控制运动方程与状态方程[3][4]

　　如图2所示,对于典型支撑式AMD系统,图中:1为受微机和伺服系统控制的作动器;2为质量块,质量为mT;3为AMD的弹簧系统,弹簧刚度为kT;4为AMD的阻尼系统,粘阻系数为cT。由动静法写出每个质量块mT的运动方程:

　　3振动主动控制常用控制算法[5]

　　结构主动控制的研究以各种控制算法为主线,近30年提出的典型算法有经典线性最优控制、线性瞬时最优控制、极点配置控制、界限状态控制、预测控制、自适应控制、非线性瞬时最优控制、随机最优控制和模糊控制等等。主动控制系统的效益由如下几个性能指标来衡量从性能指标J出发,在满足状态方程式(4)条件下寻求其最小。利用拉格朗日乘子法将式(4)并入最优评价函数中,令其一阶变分为零,可推得控制力规律,从而设计控制系统,实现振动控制。

　　4振动主动控制的工程应用