主动振动控制技术的发展和应用

　　1　引言

　　一个系统除应满足特定功能外,还应考虑两个重要的动力学问题,即系统的动稳定性和动力响应[4]。一个正常的系统应是动稳定的,且其动力响应须限定在可接受的范围内,有时要求其振荡愈小愈好。当系统不满足上述要求时,例如,飞机的颤振(动不稳定性问题),液压管道中流体振动和车辆对地面激励的响应过大(系统动力响应问题)等,可以采用结构和参数的动力修改方法解决,也可在系统上附加被动补偿器来抑制振荡的幅值。被动补偿方法简单易行,无源价廉,已获广泛应用。但补偿频带窄,只对特定情况有较好效果,因此多用于工况变化较小的场合。对一些工况变化大、性能要求高的宽频系统,可采用有源的主动或半主动振动控制技术。

　　其缺点是系统复杂、耗能稍大、成本较高。主动控制技术在振动控制领域内的应用,主要在三个方面:主动振动控制(AVC)(机械振动控制),主动液压滤波(AHF)(管内流体振荡控制)和主动噪声控制(ANC)(空气声振荡控制)。AVC又可分为主动或半主动吸振控制、隔振控制、阻振控制和消振控制等。

　　主动控制系统主要由受控对象、传感元件、控制器和主动执行器(又称作动器)等组成。传感元件决定于被控参数,常用的有,加速度计、速度计、位移传感器、力传感器、压力传感器和噪声传感元件等。

　　控制器多采用微处理系统,可根据工作要求实现适应的控制策略。常采用的控制律有:变增益、变相位PID算法、自适应控制、模糊控制(FC)、PID+FC、神经网络算法、特征结构配置法、最优和次最优算法、模态控制法和预测控制法等。

　　主动或半主动控制器可依带宽和工况选择。常见的有:电液伺服油缸、电液伺服阀、电机械转换器(如比例电磁铁等)、压电式执行器、形状记忆材料执行器、磁致伸缩材料执行器,反作用式执行器和电流变液体等下面举例说明它们的应用。

　　2　主动液压滤波(AHF)

　　液压系统中常存在流量脉动和压力脉动。其幅值过大时,会影响系统的正常工作,必须加以抑制。脉动衰减常称为滤波。除设计上考虑外,也可采用被动滤波(PHF)方法来衰减脉动。PHF法是在系统中附加一个特定形状,结构和尺寸的容积来衰减脉动幅值(如“H”、“K”型滤波器等),它具有简单易实现等优点,已广泛用于液压系统中。但PHF频带窄,低频段时需附加较大的容积,从而降低了系统液压刚度,使动特性变坏,不能满足系统要求。应用主动液压滤波(AHF)可较好地解决上述问题。

　　2.1　AHF的原理

　　AHF的简化物理模型如图1所示。

　　脉动源产生的流量脉动在管道中传播,遇到液阻时形成压力脉动,并产生反射和干涉。常把源脉动称为一次脉动,主动执行器产生的脉动称为二次脉动。用控制器的输出控制二次脉动的幅值和相位。某点压力脉动可近似为一次和二次脉动的叠加结果。压力传感器拾取的信号就是合成信号。理论上,一次和二次脉动幅值相同,相位相反(相位差为π)时,合成脉动为零,但由于脉动并不是简谐振动,而是多次谐波组成的周期信号,再加其他干扰因素的影响,实际是不可能为零的。脉动的时变性使合成结果也在变化,控制器中增益和相位必然要随之变化,才会使合成脉动的幅值在期望的范围内变动。根据管道传输特性,管道内不同位置的衰减效果是不一样的。