機(jī)械振動主動控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
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易 群，李彩麗
（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江西 南昌 330013）
摘要：對目前基于機(jī)械振動主動控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀做了簡要的闡述，并對振動主動控制中的常用技術(shù)和振動主動控制方法進(jìn)行簡單介紹，探索了基于機(jī)械振動主動控制技術(shù)構(gòu)建下曲。發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：機(jī)械振動；主動控制；現(xiàn)狀；發(fā)展中圖分類號：T H113.1
0 引言
振動控制屬于振動工程領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，通常分為主動控制和被動控制兩部分。雖然被動控制技術(shù)首先被廣泛應(yīng)用，但是在人們更高要求下被動控制技術(shù)已無法滿足工程需求。相比之下，振動主動控制技術(shù)略勝一籌，憑借其綜合多學(xué)科的特點(diǎn)，以及良好的控制效果和強(qiáng)大的適應(yīng)能力受到當(dāng)前機(jī)械工程方面的認(rèn)可。為了開發(fā)其更大的潛力，國內(nèi)外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)紛紛對其進(jìn)行了研究，這項(xiàng)技術(shù)從20世紀(jì)50年代末發(fā)展到今天，已逐漸成熟地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本文對機(jī)械振動主動控制技術(shù)的研究和其在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用作一簡單介紹，并從發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)的開發(fā)情況對這一技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。
1 振動主動控制技術(shù)研究現(xiàn)狀
振動主動控制技術(shù)始于20世紀(jì)20年代，由簡單的電磁閥控制緩沖器發(fā)展而來。1960年左右在此基礎(chǔ)上進(jìn)行升級出現(xiàn)振動主動控制系統(tǒng)，之后隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)也隨之快速發(fā)展。目前在航空航天的振動控制、土木建筑工程的抗振、車輛工程的減振以及其他機(jī)械的振動控制方面得到廣泛應(yīng)用。
在航空航天工程方面，對于大柔性結(jié)構(gòu)的振動主動控制是關(guān)鍵，也成為主動控制的主要方面。其研究的主要方面是提高大柔性結(jié)構(gòu)的控制效果，減少振動的影響。近年來，大量新型材料被應(yīng)用于大柔性結(jié)構(gòu)的振動主動控制，但是在減振方面還需進(jìn)一步研究。
隨著我國土木工程施工材料和技術(shù)的不斷改進(jìn)，土木工程領(lǐng)域的建筑和橋梁結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)大，但隨之帶來的是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度明顯降低，建筑的舒適性和抵抗外力的作用已達(dá)不到工程要求。因此人們開始考慮對土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)行振動控制，實(shí)踐證明達(dá)到了一定的減振效果。土木工程結(jié)構(gòu)的振動主動控制不是定時(shí)常規(guī)的線性控制系統(tǒng)，需要在工程進(jìn)行中根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)作出判斷，建立系統(tǒng)。因此，在自適應(yīng)控制方面還需進(jìn)一步深入探索。
同樣在車輛工程方面，為滿足人們駕駛車輛的穩(wěn)定性和乘坐舒適性要求，相關(guān)研究人員在減少車輛的振動方面進(jìn)行了大量嘗試，比如成本較低的開關(guān)式半主動隔振系統(tǒng)，該系統(tǒng)由開關(guān)控制，具有很強(qiáng)的非線性。但是由于市場和技術(shù)的難度，在強(qiáng)迫振動方面還未進(jìn)行大量研究，如何攻克這項(xiàng)難題是目前研究的重點(diǎn)。
一些高密度的機(jī)械加工對加工機(jī)床的振動有嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的振動被動控制已不能滿足精密加工的要求，必須進(jìn)行主動控制。機(jī)器人和各種電子設(shè)備的加工向輕量級方向發(fā)展，控制機(jī)器人的柔性機(jī)械臂問題受到重點(diǎn)關(guān)注。機(jī)械工程領(lǐng)域控制轉(zhuǎn)子的振動一直比較重要，近年主要探索利用新型材料來改善振動，也獲得了一些成功。
2 機(jī)械振動的主動控制
2.1 機(jī)體振動主動控制
機(jī)體的振動主動控制主要應(yīng)用在精密加工的主動隔振中，防止地面振動造成機(jī)體振動。由于精密加工的嚴(yán)格要求，主動控制能對振動進(jìn)行有效控制。其中最常見的方法是在基礎(chǔ)和機(jī)體間安裝作動器，提供主動控制力，減小機(jī)體振動。機(jī)體振動主動控制原理如圖1所示。當(dāng)傳感器接收到機(jī)體的振動信號后，由控制器處理，驅(qū)動作動器達(dá)到減小振動的目的。其中傳感器是整個(gè)工作原理的關(guān)鍵，高精度的傳感器能夠增強(qiáng)減振效果。
2.2 轉(zhuǎn)子振動主動控制
1970年開始對轉(zhuǎn)子振動主動控制進(jìn)行研究，主要對象是撓性轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子振動主動控制主要是對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械超過臨界轉(zhuǎn)速情況下運(yùn)轉(zhuǎn)引起的振動進(jìn)行控制，因此保證轉(zhuǎn)子的安全穩(wěn)定運(yùn)行是關(guān)鍵。
2.2.1 主動磁懸浮技術(shù)
主動磁懸浮技術(shù)以其非接觸、無摩擦、無潤滑和低功耗等特點(diǎn)，成為轉(zhuǎn)子振動主動控制的重要技術(shù)。其中電磁軸承可以當(dāng)作作動器控制撓性轉(zhuǎn)子，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)模擬，肯定了其可行性。而且還通過此項(xiàng)技術(shù)研究出了控制剛度和阻尼的方法，均得到了很好的驗(yàn)證。
2.2.2 擠壓油膜技術(shù)
擠壓油膜技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的振動主動控制。轉(zhuǎn)子的振動偏幅能夠通過油膜阻尼器來降低，而且其質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，可以充分提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。因此該技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就被應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)上，但是這還是一種被動的阻尼器，會給機(jī)體造成嚴(yán)重影響，在此基礎(chǔ)上，又研究出了減振更好的可控?cái)D壓油膜軸承。
2.2.3 電流變技術(shù)
由于電流變阻尼器在減振方面具有很好的效果，因此電流變技術(shù)經(jīng)過研究人員的證實(shí)可用于控制轉(zhuǎn)子的振動；同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過控制電場強(qiáng)度也可以控制轉(zhuǎn)子振動，只需將電流變液體注射到擠壓油膜阻尼器內(nèi)即可。研究者的多項(xiàng)研究表明，電流阻尼器可以很好地控制振動。
2.2.4 主動靜壓軸承技術(shù)
超精密機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)大多采用液體或者空氣來對主軸進(jìn)行靜壓，研究者提出了主動靜壓軸承技術(shù)來擴(kuò)大機(jī)床的回轉(zhuǎn)精度。
2.3其他方面
還有對機(jī)器人等其他精密、高速、承載力大的機(jī)械領(lǐng)域的柔性機(jī)械臂的振動進(jìn)行控制。
3振動主動控制方法
3.1 極點(diǎn)配置法
極點(diǎn)配置主要是對特征值和特征向量進(jìn)行配置，振動主動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性由特征值決定，穩(wěn)定性由特征向量決定，而特征值和特征向量又是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)要求來確定，通過反饋和輸出反饋改變極點(diǎn)位置，達(dá)到控制的目的。
3.2 自適應(yīng)控制
當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定時(shí)，可以選擇自適應(yīng)控制，其中包括前饋、校正、模型參考。前饋控制通常認(rèn)為干擾源是可以測定的；校正是通過在線識別參數(shù)并對參數(shù)進(jìn)行整定的方式；模型參考是將受控結(jié)構(gòu)通過自適應(yīng)驅(qū)動，輸出參考模型。
3.3 最優(yōu)控制
理論上采用極值、動態(tài)規(guī)劃和最優(yōu)濾波方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動的最優(yōu)控制，實(shí)際中經(jīng)常采用建立降階模型的方法。但由于模型的約束條件很多，很難實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，只能進(jìn)行次最優(yōu)控制，但如果將極點(diǎn)配置法和最優(yōu)控制結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一種低階控制器就能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。
3.4魯棒控制
魯棒控制是根據(jù)線性規(guī)律和系統(tǒng)的抗干擾能力反饋來滿足控制要求。其中，滑膜變結(jié)構(gòu)控制和滑膜變結(jié)構(gòu)與自適應(yīng)控制結(jié)合的方法，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。這種控制方法能很好地解決高開關(guān)切換頻率引起的振動，
4發(fā)展展望
(1)振動主動控制技術(shù)在航空航天和土木工程領(lǐng)域仍是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
(2)精密機(jī)械工程的微幅振動主動控制技術(shù)，以及傳統(tǒng)控制技術(shù)理論是否完全適用于該技術(shù)是需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)方向。
(3)高精度、穩(wěn)定性較強(qiáng)的傳感器、作動器等新型材料的研究是必然。
(4)智能化控制方法的研究可以對實(shí)際系統(tǒng)的非線性結(jié)構(gòu)的不確定性進(jìn)行良好控制，也可以將智能化與魯棒等控制方法結(jié)合，這需要多學(xué)科的共同努力。
5結(jié)束語
縱觀當(dāng)前基于機(jī)械振動主動控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，可以肯定的是在一些方面已取得了一定的成效，但是，之前研究的振動主動控制技術(shù)已很難滿足目前精密機(jī)械加工所要求的微幅振動控制方法，因此，在今后的研究中，重點(diǎn)將放在機(jī)械振動控制的現(xiàn)代化和智能化方面，以適應(yīng)更高的振動控制要求。
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