[转帖]主/被动混合隔振综述-杨文清

hyacinth

　　振动系统包括三部分：振动源，振动传播路径及振动接受结构。振动隔离指的是在振动的传播途径中加入适当的元件，以减小传递到接收结构的振动强度。隔振在土木、航空航天、精密制造与加工等领域广泛地使用隔振技术。
　　隔振大致分为被动隔振、主动隔振和主/被动混合隔振三类。被动隔振是在振动传播途径中加入被动元件，如弹簧，橡胶，空气弹簧等，以减小传递到接收结构的振动强度。结构简单、易于实现、工作可靠、不额外消耗外界能源是被动隔振的突出优点。鉴于此，被动隔振在工程中得到了广泛的应用。主动隔振[1]是在被动隔振的基础上，并联能产生满足一定要求的做作动器，或者用作动器代替被动隔振装置的部分或全部元件，通过适当控制作动器的运动，达到减振的目的。它特别适用于超低频隔振和高精度隔振。主动隔振按形式可分为完全主动隔振和主动/被动混合隔振。由于完全的主动隔振结构较复杂、需消耗大量的能源，因而限制了它的应用，混合隔振综合了主被动隔振的优点。为行文方便，以下出现的“主动隔振”，均指“主/被动混合控制。
　　当被动隔振引入主动元件后，隔振系统就构成了一个控制系统，如图1。该系统既可以是前馈，也可以是反馈，还可以是包含前馈和反馈的混合控制系统。本文的组织以图1为框架，介绍主动隔振的模型的工程背景及其分析方法，主要控制方法和当前文献中常用的作动器。
　　图1 主动隔振系统
　　1. 主动隔振模型
　　正如Goodwin[2]所指出的一样，一个好的控制设计由两个因素决定，一是对控制对象动态特性的了解;二是对信号、系统的了解。因此，在设计主动隔振中，对控制对象的建模与分析方法至关重要。在介绍这些方法之前，首先概括模型的工程背景，旨在说明主动隔振的广泛应用。
　　1.1 工程背景
　　航天 在航天工程中，大量使用高精密的仪器，以完成不同的任务。航天计划的任务之一，就是在微重力环境下进行各种基础研究。尽管在太空环境下仪器所受的变加速度极为微笑，一般为1-1000 ，但这足以破坏很多实验效果。由于微振动的频率范围介于0.01HZ~1HZ[3]，被动隔振已无能为力，因而人们提出了众多主动隔振方法，设计了实现隔振的结构。文献[4][5][6]提出了六自由度Steward平台，用于精密仪器的主动隔振动。
　　图2 六轴主动隔振平台
　　精密加工与制造 随着半导体、光学仪器工业的发展，越来越多的需要元器件在尺度为微米、亚微米级的精度上进行超精密加工;微机电系统(MEMS)是当前的研究热点，MEMS的制造同样离不开超微精密加工。上述加工对环境振动极为敏感，长期保持微幅振动处于低幅度是保证产品质量的关键，因此必须尽可能降低传到加工台上的振动[7-10]。
　　图3 振动源及传递到精密加工设备的路径[7]
　　由于振动源的多样性及某些振动的低频特性，传统的被动隔振不能取得预期的效果，人们提出了主动的微振动隔离方法。国内哈尔滨工业大学精密工程研究所、浙江大学现代制造研究所在方面开展了大量的研究工作[11-12]。
　　海洋结构 船舶的结构为大量的板壳结构，其振动源为各种动力元件，包括柴油发电机、内燃机组、气轮机组和各类泵。船舶上的各类精密设备包括：导航系统、雷达系统、声纳系统和武备系统。在舰船上开展隔振具有多方意义。首先，确保各类精密仪器正常工作，特别是在战时严酷的冲击环境下不失效;其次，减小各类工作机传递到船壳上的振动能量，从而降低相应的声辐射，减小被敌方声井或被动声纳检测到的可能性[13]，再次，隔振可以提高乘员的舒适性。
　　1.2 模型及分析方法
　　对于航天中的各类精密仪器，其分析模型常为六自由度的单刚体模型;在精密加工平台主动振动的分析模型中，多为两自由度模型，也有的采用三自由度和单自由度的分析模型。在多自由度模型中，地基被认为做整体移动的刚体质量。
　　图4 超精密加工平台的主动振动控制模型
　　双层隔振系统已经证明是一种有效的隔振系统，在船舶隔振中得到了广泛的应用。动力学建模常视工作机、中间公共质量和基础为刚体，中间公共质量和基础之间的支撑为质量的弹簧和阻尼[14]。
　　图5 浮筏系统动力学模型
　　即使采用浮筏隔振系统，船舶隔振中一个突出问题是结构共振。这种共振是由于船壳和动力装置支撑的柔性引起。结构共振将导致通过支撑的力非常之大，如图5。如果力和船壳的频率相当，将引起严重的振动问题。
　　图6 理想和实际结构的力传递率
　　Y. Du[15]等把隔振器视为一维连续杆，主质量建模为三自由度的刚体，指出隔振器的内部动力学，即波效应，将显著影响隔振系统的高频性能。
　　图7 三自由度刚体主质量通过三隔振器连接到柔性基础
　　D.Sciulli, D.J. Inman针对柔性基础，刚体设备(FBRE，Flexible Base, Rigid Equipment)的隔振，应用B.Yang发展的求解复杂分布参数系统的方法，指出转折频率介于基础模态之间时，基础模态之间存在相互作用，因而转折频率并非应尽可能低[16]。
　　2. 控制器设计
　　2.1 PID控制
　　自Ziegler和Nichols在1942年发表PID调节规则以来，PID控制保持了强劲的生命力，经历了各种先进控制理论的挑战，如LQG控制、 控制、自适应控制、神经网络控制和模糊控制的挑战。PID控制的生命力在于它清晰的物理含义和实际应用的有效性,其最大的优点在于实现的简单性[17]。
　　Luca Benassi使用惯性作动器，对安装在柔性基础上的精密设备进行主动隔振，分析了速度反馈，积分速度反馈，力反馈，积分力反馈和混合反馈的性能和稳定性，指出力反馈的性能远甚于速度控制，无条件稳定，可以镇定不稳定的速度反馈系统[18]。M.Serrand等研究了SKYHOOK阻尼反馈控制在设备隔振的实现问题，表明该方法可以极大的提高被动隔振的性能[19]。
　　2.2 鲁棒控制
　　图8 鲁棒控制系统
　　根据现代控制理论，所有的控制结构都可以纳入如图所示的一般控制框架内。该框架包含控制器 ，控制对象 ， 是包括所有受控信号和跟踪误差的矢量信号， 是包括噪声、扰动及参考信号的矢量信号， 为控制信号， 为测量输出，
　　若将从 到 的传递函数矩阵 表示为
　　控制问题就是寻求镇定控制器 ，使 极小，即
　　简言之， 控制表述为：设计的控制器即能镇定闭环系统，同时也能极小化闭环系统 传递函数的无穷范数[20]
　　M.R.Bai和W. Liu研究了带中间质量的主动双层隔振系统[21]。应用 综合方法设计了控制器，仿真和实验结果表明最优控制器在鲁棒稳定性的约束下满足预期的性能。
　　T. E. Pare等以 性能为优化目标，考虑前馈控制器中的噪声，研究了包括前馈和反馈的混合控制器的分析方法。该分析方法应用到主动隔振系统表明， 既能同时提高隔振性能，也能减小闭环的带宽[22]。
　　2.3 自适应控制
　　自适应控制由于具备学习能力，可以捕捉到受控系统动态的改变，因而在工业上获得了广泛的应用。自适应控制器是参数可调并带有调节参数机制的控制器，典型的自适应控制系统(图9)包含两个环节，一个为反馈控制环节，
　　图9 自适应控制系统
　　另一个为参数调节环节。反馈环节快于调节环节。自适应控制的主要优点在于其鲁棒性。
　　刘志刚[23]等利用LM S 自适应控制方法在一个双层隔振模拟试验台上进行了主动隔振试验研究, 取得了较好的隔振效果;杨铁军[24]等基于数字信号处理领域的RLM S 算法, 构造了一种适用于柴油机双层隔振装置有源控制的自适应x-2RLM S 算法。该算法可消除振动有源控制系统中存在的次级振源振动耦合通道和误差通道的影响。针对一个双层隔振模拟试验台架进行有源隔振仿真和试验, 取得了较满意的控制效果。
　　智能控制：近20 年来,智能控制理论( Intelligent Control Theory)发展十分迅速,智能控制理论被誉为最新一代的控制理论,代表性的理论有模糊控制 ,神经网络控制、遗传算法、混沌控制、小波理论、分层递阶控制、拟人化智能控制、博奕论等. 它广泛应用于复杂的工业过程控制、机器人与机械手控制、航天航空控制、交通运输控制等. 它尤其对于被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、耦合等难以控制的因素. 采用其它控制理论难以设计出合适与符合要求的系统时,都有可能期望应用智能化理论获得满意的解决.
　　由于主动隔振系统的设计难以回避不确定性、时变、非线性、时滞、耦合等因素，人们尝试把上述各种先进控制方法应用到主动隔振上。孙承顺[25]等将神经网络技术应用于柴油机振动主动隔离, 构造了一种振动主动控制(AVC) 系统, 并采用液压执行机构在柴油机双层隔振试验台上进行试验研究. 结果表明, 将神经网络控制技术用于振动主动控制具有一定的可行性, 在某些主要频率下振动可衰减8dB 左右;朱荣[26]等提出了基于BP的神经网络的主动控制;盖玉先，董申提出了以空气弹簧作为被动隔振元件、神经网络控制的电磁作动器作为主动隔振元件的隔振系统。将该系统应用到超精密加工机床的隔振，仿真表明是有效的。孙涛等[27]针对电流变液智能阻尼器的力学特性，从激励信号频域的角度，提出了一种新的前馈模糊控制方法来控制半主动隔振系统。实验表明用这种方法控制的半主动隔振系统比最优隔振系统有更好的减振性能。
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hyacinth

　　3 作动器[27]

　　作动器的选择在很大程度上决定了整个隔振系统的性能. 近年来, 利用智能材料作为作动器制成的隔振平台, 在精密加工、精密测量中得到了广泛的应用. 如美国TMC 公司生产的压电式主动隔振平台, 可实现6 个自由度的隔振, 其最大隔振振幅为24 Lm, 承载范围182～2045 kg, 隔振频率范围为0. 3～ 250 Hz, 在2 Hz 以上的频率时隔振效果大于90% .

　　智能型作动器主要包括由压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金、电流变

　　流体等制成的作动器, 主要用作高精度隔振平台. 传统作动器如液体作动、气体作动以及电气作动, 由于体积、重量大, 多用于地面及固定系统的主动隔振.

　　目前智能作动器发展方向有以下几个方面:

　　a. 研制性能更为优越的智能作动器. 例如形状记忆高分子SMP, 与形状记忆合金SMA 相

　　比, 不仅具有变形量大、易加工、形状响应温度便于调整、保温、绝缘性能好等优点, 而且不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉, 因而得到广泛的应用. 美国Lo rd 公司已研制出能耗22W、最大阻尼可达200 kN 的磁流变耗能器. 西安交通大学建筑工程与力学学院研制的智能型磁流变隔振器, 是运用磁流变液的特性制作的可控阻尼隔振器. 磁流变液是一种机敏材料, 在外加磁场作用下, 其物态性能可在液固之间转换. 该产品当外加电流在0～ 1 A 时, 其最大准静态拉力为0. 18～ 2. 0 kN , 可替代现有各类油式阻尼器及相关隔振器产品. 上海硅酸盐研究所采用陶瓷坯膜流延成型和陶瓷坯膜2金属内电极共烧技术, 制作了多层片式高含铅PZT 的软性压电陶瓷微驱动器, 具有体积小、工作电压低、位移量大(38 V , 1. 05 Lm) 的特点.

　　b. 最优配置作动元件或传感元件. 由于作动元件或传感元件在结构的安放位置配置对系

　　统外观、可控性有很大的影响, 文献[23 ]提出的改进模拟退火算法, 能有效地解决全局最优配置问题. 目前, 该领域大量的研究主要集中在两个基本方面: (a) 寻求合理的、能反映设计要求的优化准则; (b) 研究适合于所求解优化问题的有效的计算方法.

　　c. 将传统作动器与智能作动器组合在一起, 共同对受控对象进行控制.Yo sh ika H, Takahash i Y 对一主动隔振台采用压电作动器与气动作动器相结合的方法, 进行微幅控制, 当周围地面的振动加速度为0. 5 cmˆs2 以及8 cmˆs2 的地面冲击时隔振效果可以达到99% , 并在整个频率范围内隔振效果都比较显著.

　　d. 将各种智能材料复合在一起, 以获得最佳性能组合. 如压电陶瓷易脆裂, 而压电高分子

　　材料韧性极好, 但压电常数小, 则可在高分子压电材料中混入高极化强度的压电陶瓷粉末. 纽约州立大学石溪分校等已研制了形状记忆合金薄膜(NiTi) 和压电陶瓷薄膜的复合结构材料,它具有两种材料的优点.

　　e. 将智能传感元件、智能作动元件和微型计算机控制芯片集于一体, 形成智能结构. 如依

　　利诺斯大学建筑研究中心正研制一种可自行愈合的混凝土. 研究中把大量的空心纤维埋入混凝土中, 当混凝土开裂时, 装有裂纹修补剂的空心纤维也断裂, 释放出修补剂, 将裂纹牢牢粘住. 北卡罗来纳大学正在研究注入电流变流体的智能板梁结构.

　　参考文献

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　　[2] G.C. Goodwind, S.F. Graebe, M. E. Salgado, Control system design, Prentice Hall,2001,

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　　platform. IEEE Transactions on control systems technology,1994,2(1):45-53

　　[5] G.S. Hauge, M. E. Campbell, Sensors and Control of a space-based six-axis vibration isolation system, Journal of Sound and Vibration, 269(2004) 913-931

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　　[8] 陆伯印,赵美蓉,徐演申,等. 带三维激光干涉仪和压电位移传感器的新型主动隔振系统

　　仪器仪表学报,1997 ,17 (2) : 143 -148.

　　[9] 龙志强, 佘龙华, 常文森. 磁悬浮隔振系统的行为与分析.国防科技大学学报, 1994,16 (3) : 110-115

　　[10] 龙志强, 佘龙华, 常文森. 磁悬浮隔振系统的设计与实现.国防科技大学学报, 1996, 18 (3) : 121-127

　　[11]王加春，董申，李旦，超精密机床的主动隔振系统研究，振动与冲击，2000：19(3),54-56

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　　[24] 杨铁军,刘志刚, 张文平等，基于x-RLM S 算法的自适应有源隔振技术研究，内燃机学报，2001，19(1)：92-95

　　[25] 孙承顺, 包继华, 张建武等，用神经网络对柴油机振动主动控制的试验研究，上海交通大学学报，2003，37(5)：781-784

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　　[27]孙涛，黄震宇，陈大跃等，基于信号主频分析的隔振系统的前馈模糊控制，振动工程学报，2003，16(3)：275-280

　　[28] 张春红，汤炳新，主动隔振技术的回顾与展望，河海大学常州分校学报，16(2)：2002：1-5

puyen

挺有参考价值的，可是文章中的图呢？

sunnywell

楼主，这文章来自哪里啊，怎么找不到啊，又没图