1 概述

　　振動主動控制是近30年來發(fā)展起來的一項振動工程領(lǐng)域內(nèi)的高新技術(shù)募型，是固體力學(xué)忱痴、自動控制、計算機(jī)榆墅、材料及測試技術(shù)等多學(xué)科的交叉和綜合。振動主動控制與被動控制的區(qū)別在于，被動控制是通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)榨未、釋放自身潛在能量實(shí)現(xiàn)靜態(tài)控制悄慨，它不需要外部能源，求解也比較簡單收谭，但控制效果有限车管，精度不高；主動控制則是根據(jù)振動響應(yīng)的信息向結(jié)構(gòu)施加控制力來實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制旧败，它需要外部能量还桶、求解復(fù)雜，但它能有效地控制隨機(jī)性干擾暮孕，給大型復(fù)雜工程帶來很大益處苛瞬。振動主動控制包括開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩類。開環(huán)控制是一種程序控制十偶，其控制器的控制律是預(yù)先按規(guī)定的要求設(shè)置的菩鲜，與受控對象的振動狀態(tài)無關(guān)；閉環(huán)控制則是根據(jù)受控對象的振動狀態(tài)實(shí)時的外加控制惦积，使其振動滿足預(yù)定的要求,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.具體地說,就是裝在受控對象上的傳感器測試振動參數(shù),傳感器的輸出信號經(jīng)適調(diào)接校、放大后傳至控制器，控制器實(shí)現(xiàn)所需的控制律狮崩，其輸出為作動器的動作命令蛛勉，作動器通過附加子系統(tǒng)或直接施加作用于受控對象，即構(gòu)成一閉環(huán)振動控制系統(tǒng)睦柴。

　　2 振動主動控制的基本方法

　　到目前為止诽凌，振動主動控制技術(shù)已發(fā)展了多種設(shè)計方法，如特征結(jié)構(gòu)配置法爱只，最優(yōu)控制法皿淋，次優(yōu)控制法，邊界控制法恬试，獨(dú)立模態(tài)空間法窝趣，行波控制法，自適應(yīng)控制法牧稳，結(jié)構(gòu)和控制器聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計法茫绅，智能控制法等，這些方法為振動主動控制的實(shí)現(xiàn)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)闰袒。

　　根據(jù)設(shè)計域的不同咳综，設(shè)計方法可分為時域設(shè)計法、頻域設(shè)計法和時域-頻域聯(lián)合設(shè)計法悴觅。時域設(shè)計是在狀態(tài)空間內(nèi)進(jìn)行的霍执，系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為 (1)

　　式中山滔，A—系統(tǒng)矩陣；

　　B—控制或輸入矩陣删摸；

　　C—輸出矩陣莉紊；

　　D—傳遞矩陣。在許多場合下D=0攀誓。

　　矩陣A幼潮、B、C坏榜、D如與時間t有關(guān)坯苹，則系統(tǒng)是時變的。否則是時不變的摇天。狀態(tài)空間描述反映了系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系粹湃，從而確定了系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計方法適應(yīng)面極廣闸翅，尤其適用于多輸入-多輸出系統(tǒng)再芋，但確定系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的過程通常是繁雜的，這一點(diǎn)在考慮復(fù)雜的坚冀、分布式結(jié)構(gòu)的振動主動控制問題時尤為突出济赎，若采用狀態(tài)反饋，則會因狀態(tài)信息的缺乏而給實(shí)際應(yīng)用帶來困難记某，為此可采用輸出反饋司训，但需以設(shè)計難度增大為代價。

　　頻域設(shè)計是在實(shí)頻或復(fù)頻域內(nèi)進(jìn)行的液南，因此它需要系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(矩陣)模型壳猜；對于式(1)表達(dá)的狀態(tài)空間描述，無論狀態(tài)如何選取滑凉，對其進(jìn)行拉普拉斯變換忿震，并考慮零初始條件，總有唯一對應(yīng)的傳遞函數(shù)描述 H(s)=C(sI-A)-1B+D (2)

　　式中二娄，I——單位矩陣肚浴。

　　這種方法對控制器具有單輸入-單輸出(或多輸出)關(guān)系的控制律設(shè)計來說既方便又直觀，如從閉環(huán)系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系的幅頻特性曲線上可以判斷主動控制的減振效果苇恤。目前發(fā)展的現(xiàn)代頻域法也適用于多輸入-多輸出系統(tǒng)淡碟。
時域-頻域設(shè)計是吸收上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的，即首先用時域設(shè)計法進(jìn)行設(shè)計供窝，然后采用輸出反饋控制律在頻域上達(dá)到最佳地擬合時域設(shè)計的效果一步。

　　對式(1)描述的單輸入情況的系統(tǒng)，其最優(yōu)控制律為u=-F*x,此時系統(tǒng)框圖如圖2所示百涕，且有 u(s)/u(s)=F*(sI-A)-1B (3)

　　時域-頻域設(shè)計的準(zhǔn)則是率满，在一個頻段[wL, wH]范圍內(nèi)優(yōu)選H(s)使與u(jw/u(jw)達(dá)到最佳擬合茂禁，即使目標(biāo)函數(shù)E達(dá)到極小。

　　式中[·]*——[·]的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置夷呐；

　　L—頻段[wL, wH]內(nèi)所取的點(diǎn)數(shù)跛鸵。

　　3 振動主動控制技術(shù)的應(yīng)用

　　振動主動控制技術(shù)的研究始于50年代末，80年代后進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段资柔，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于精密儀表工程、航空航天工程撵割、交通運(yùn)輸贿堰、土木工程和機(jī)械工程等領(lǐng)域。

　　振動主動控制的研究與應(yīng)用在精密儀表工程領(lǐng)域均處于領(lǐng)先地位啡彬。美國研制的伺服隔振平臺具有典型意義羹与，這種用于核潛艇和洲際導(dǎo)彈等運(yùn)載工具的慣性導(dǎo)航儀測試標(biāo)定的隔振臺將干擾加速度抑制到10-9g的水平。在航空航天領(lǐng)域主要用于直升機(jī)的“地面共振”與“空中共振”的主動抑制庶灿、高階諧波控制纵搁、機(jī)身振動的抑制和航天器大柔性結(jié)構(gòu)(如空間站、大型天線往踢、太陽能電池板腾誉、光學(xué)系統(tǒng)等)的振動控制。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域振動主動控制技術(shù)的發(fā)展是與地面車輛峻呕、高速火車和橋梁的發(fā)展同步的利职，以改善乘坐品質(zhì)為目標(biāo)的。在土木工程領(lǐng)域瘦癌，高層建筑和大跨度橋梁由于風(fēng)或地震等隨機(jī)性外載引起的響應(yīng)是振動主動控制的主攻方向撼盈。在機(jī)械工程領(lǐng)域，抑制撓性轉(zhuǎn)軸通過臨界轉(zhuǎn)速的振動主動控制研究填丢，是目前轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一节讹。隨著機(jī)器人及各種操作手向高速、精密敞灸、重載漾肩、輕量化方向發(fā)展，柔性機(jī)械臂的振動控制問題顯得更為突出菱区、更需解決顿墨。此外，利用主動控制技術(shù)減輕高速傳送帶的橫向振動绎瓣、隔離鍛錘的沖擊振動和預(yù)報控制金屬切削顫振稼孤，以及抑制往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)振動等都取得了良好的效果。

　　4 振動主動控制在超精密加工機(jī)床中的應(yīng)用

　　超精密加工技術(shù)是60年代初在美國首先開發(fā)的堵忌，當(dāng)時因開發(fā)激光核聚變實(shí)驗(yàn)裝置和紅外線實(shí)驗(yàn)裝置需要大型金屬反射鏡扇述，因而急需開發(fā)制作反射鏡的超精密加工技術(shù)藏亲，這是一項以國家和軍方為主導(dǎo)研究的，以單點(diǎn)金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的加工技術(shù)為起點(diǎn)的軍需技術(shù)匪煌。20年后日本根據(jù)電子和光學(xué)等民用工業(yè)的需要亦開始研究超精密加工技術(shù)责蝠，我國的超精密加工技術(shù)的研究雖然起步晚一些，然而經(jīng)過科研人員十幾年的艱苦努力萎庭，已取得了令人矚目的成果霜医。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究中心研究開發(fā)的“HCM-1超精密加工車床”具有典型的代表意義，該車床由于空氣彈簧隔振等七項攻關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)驳规，使其加工精度達(dá)到亞微米級肴敛。

　　振動同溫度和污染構(gòu)成超精密加工的三大重要環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)亞微米級加工“HCM-1超精密加工車床”采用空氣彈簧隔離了車床與地面的接觸吗购。理論研究和實(shí)驗(yàn)表明医男，該隔振系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到了國際水平，垂直方向系統(tǒng)固有頻率f=2Hz,水平y(tǒng)方向系統(tǒng)固有頻率f=1.12Hz,水平x方向系統(tǒng)固有頻率f=1.0Hz,床身基座自動調(diào)整水平誤差小于4捻勉。為了進(jìn)一步提高超精密加工車床的加工精度镀梭，在利用空氣彈簧進(jìn)行振動控制的基礎(chǔ)上，采用如圖5所示的主動控制踱启，即在床身的四個角上分別安裝有傳感器和作動器报账，該系統(tǒng)的頻域方程為

　　此時系統(tǒng)框圖如圖3所示，且有 Y=YTU+B (5)

　　式中庵恨，Y—測得的床身響應(yīng)振幅矢量滥港；

　　U—控制力振幅矢量；

　　T—控制力與床身間的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣镇盛；

　　B—擾力引起的床身響應(yīng)振幅矢量换蛔。

　　性能指標(biāo)為 J=YTQY+UTRU

　　式中，Q卜锡、R—加權(quán)矩陣孽强。

　　最優(yōu)問題的解為 U=-(TYQT+R)-1TYQB

　　5 結(jié)論

　　空氣彈簧隔振技術(shù)發(fā)展的較早，亦比較完善歉赴，其主要特點(diǎn)是承載能力大氮妆，具有較低的剛度特性，能獲得較好的隔振效果柄午，但缺少控制上的靈活性匹溪，對突發(fā)性環(huán)境變化應(yīng)變能力差，且只能對2Hz以上頻率的振動進(jìn)行有效的隔離爽咒。與空氣彈簧隔振相比玩冷，振動主動控制具有較大的靈活性，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，且能對2Hz以下頻率的振動進(jìn)行有效的控制秋茫，但振動主動控制需要消耗的能源大史简，受到各種因素的影響，由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模方面的困難肛著，振動主動控制必須考慮模型誤差圆兵、模態(tài)截斷等帶來的不利因素。將空氣彈簧隔振技術(shù)和振動主動控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合枢贿，可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢殉农，施加振動主動控制技術(shù)前后床身的脈沖響應(yīng)質(zhì)量明顯改善。從被加工件的質(zhì)量檢測方面也證明振動主動控制是提高機(jī)床加工精度的有效途徑局荚。

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