隔振系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u27178隔振系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀文獻綜述 165711.1隔振系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu) 1316541.2隔振系統(tǒng)的控制策略 139712參考文獻 191.1隔振系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)1.1.1被動隔振器被動隔振一般為將載荷與外加基體以一定的隔振結(jié)構(gòu)物理分隔，一般選作為隔振結(jié)構(gòu)的材料可以是金屬墊圈、橡膠墊圈等，這樣的被動隔振結(jié)構(gòu)對于高頻振動的抑制效果是很好的，并且其結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，在設(shè)計生產(chǎn)過程中也占據(jù)了便捷高效生產(chǎn)率高的優(yōu)勢。一般對于地面的有一定隔振要求的測量實驗，被動隔振是比較有效并能夠完好滿足隔振需求的。而在空間航天器的飛輪隔振中，被動隔振的方式也得到驗證，在軌飛行期間的效果還是不錯的[23]。例如舉世聞名的哈勃望遠鏡[24]，其在設(shè)計層面上使用了液體阻尼器，以此來防止宇宙空間環(huán)境中的一系列擾動帶來的測量誤差，這樣一種被動隔振的裝置，對于哈勃望遠鏡在軸向的受到的干擾振動能起到有效的抑制效果，其有效的工作頻率范圍是18~20Hz。關(guān)新[21]等人降低了因為飛輪質(zhì)量的不平衡和傳遞給恒星的扭矩振幅引起的干擾力。更詳細地介紹了由干擾力和扭矩引起的干擾的被動振動隔離和飛輪失衡。主要研究方法是將飛輪的運動進行簡化，當(dāng)多維度的復(fù)雜運動難以處理時，將其以不同自由度進行分解，單獨研究并在最終結(jié)果時耦合的到結(jié)果時不錯的方法。所以飛輪運動被為六個相互分離沒有干擾的單自由度運動。（a）被動隔振（b）主動隔振（c）擬主動隔振圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11三種隔振方式如圖1.1所示，其團隊首先研究了被動隔振，其中，m為廣義質(zhì)量，p(t)是由飛輪轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的干擾力或力矩，通過K—C彈性阻尼系統(tǒng)來描述基本的振動性質(zhì)，在K—C彈性阻尼系統(tǒng)的加持下，由于飛輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的干擾力與力矩的影響有了一定的減弱，其傳遞到星體本身時所產(chǎn)生的振動幅值得到較好的抑制。但是隔振想過并非與阻尼大小線性相關(guān)，由于當(dāng)阻尼增大時整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生相應(yīng)的減小，使得增大阻尼的時候，隔振效果不僅沒有得到提升，反而在一定程度上衰減。由于阻尼增大系統(tǒng)穩(wěn)定性降低是不可避免地結(jié)果，所以為了克服因為阻尼增大穩(wěn)定性差，隔振效果反而降低的缺陷，研究者們在整個K—C彈性阻尼系統(tǒng)中加入了主動控制的環(huán)節(jié)來改變阻尼單一物理性質(zhì)下改變振動效果的狀況，如圖1.2所示，u為外加的控制力或力矩，并為其加入了由Q生成的相應(yīng)控制規(guī)律，參考文獻中研究了Q在以下三種情況下取值所對應(yīng)的結(jié)果，Q1=kpx經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，三種反饋方式，分別等效于如圖1.2的（a）、（b）和（c）三種情況。如圖1.2（a）所示是位置反饋的簡易示意圖，可以將其看作是在隔振對象m上連接一個剛度為k0的彈簧，將彈簧連接的某處稱為“懸掛點”，其中k0與kp有關(guān)；速度反饋的控制如圖1.2（b）所示，可以把整體系統(tǒng)看作是等效于將一個阻尼系數(shù)為c0的阻尼器在質(zhì)量m上進行了連接，在速度反饋之中依然將阻尼器連接在實驗室環(huán)境下模擬的“懸掛點”之上，其中c0與kv有關(guān)；而加速度反饋控制如圖1.2（c），其等效于將一個質(zhì)量為m0的質(zhì)量塊連接在了質(zhì)量m（a）位置反饋（b）速度反饋（c）加速度反饋圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s12三種控制反饋方式對三種不同的反饋控制作用進行研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位置反饋處于主導(dǎo)地位工作的狀態(tài)下，可以發(fā)現(xiàn)傳遞到基座上的振動有效減少了，最為顯著的是低頻振動的抑制效果非常明顯；在速度反饋的作用下，整體結(jié)構(gòu)的共振峰得到了有效的降低，并且其在高低頻段的干擾力矩傳遞特性依然能夠有效保持，體現(xiàn)出較好的衰減效果；而加速度反饋帶來的結(jié)果是它在高頻段的表現(xiàn)較為優(yōu)秀，可以降低結(jié)構(gòu)在高頻段的外界干擾下受到的影響，并且使得整體的振動傳導(dǎo)擁有比較低的干擾力傳遞率。u的輸出方式表現(xiàn)為力或者力矩，所以，由于力的作用是相互的，從而必然會對執(zhí)行機構(gòu)自身產(chǎn)生一個大小相同，方向相反的力或力矩。在相同的實體坐標(biāo)系下，反作用力或者力矩相對于飛輪空間位置是不變的，并且對于位置和速度反饋控制方法，可以確定兩種反饋方法給出的慣性的“懸掛點”與反作用力或者力矩的作用位置也不同。然而在實際航天器運行的過程中，飛輪實體僅僅與航天器星體相互連接，對于空間中任何其他物質(zhì)沒有任何的連接點，所以在位置和速度反饋系統(tǒng)理論中給出的“懸掛點”假設(shè)是不存在的，所以在實際進行位置和速度反饋控制的過程中給，不能利用“懸掛點”來消去星體的反作用力帶來的影響。所以為了合理將星體反作用力納入考慮的范圍之內(nèi)，關(guān)新等人提出了擬主動隔振的控制方法，如圖1.1（c）所示。擬主動隔振的方式是為了“懸掛點”不存在問題針對性提出的方法，它能夠在系統(tǒng)中合理引入“懸掛點”的存在，并將其視為系統(tǒng)的一部分來進行后續(xù)的求解計算。其傳遞函數(shù)的求解過程中，也可以通過零極點的配置，來對于相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化問題做出較好的解答，m0、k0和擬主動隔振這種方法從本質(zhì)上來講是將飛輪作為了航天器軌道運行過程中的主要擾動源，基于被動隔振的利用阻尼物理性質(zhì)的基本方法，從而對于飛輪傳遞到基體上的擾動力和力矩進行抑制降低甚至消去。然而，被動隔振的方式往往會帶來其他關(guān)于結(jié)構(gòu)本體性質(zhì)的問題，例如或許會在一定程度上造成廣義位移變大。也會存在因為被動隔振阻尼變動造成的不穩(wěn)定性，使得飛輪控制產(chǎn)生其他的問題，例如控制效率下降、飛輪進動角變化等。所以在此基礎(chǔ)上還需要進一步對于擬主動隔振系統(tǒng)進行分析和論證。另外，在實際利用擬主動隔振的過程中給，外加機構(gòu)例如m0、k0和雖然也曾有過非線性方法的被動隔振方式，但是由于其被動性質(zhì)，沒有主動控制環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)容錯性與穩(wěn)定性不夠高，并且還會帶來共振頻率轉(zhuǎn)移、混沌運動或者內(nèi)容共振等問題的發(fā)生。所以一個更精密的隔振系統(tǒng)，還是需要引入主動控制環(huán)節(jié)來提高效率。1.1.2主動隔振器主動隔振系統(tǒng)的重要組成在于其主動控制的算法，對于不同的主動控制算法，控制效率、控制精度、算法整體復(fù)雜程度以及維護難度都是比較重要的參考指標(biāo)。模糊控制算法是近來比較常用的算法，GangZ.J[25]等人曾提出用模糊控制算法，以達到抑制振動的目的?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法也是在近期得到了許多研究者的關(guān)注，這主要得力于其算法深度的學(xué)習(xí)性和預(yù)測性，對于復(fù)雜的振動環(huán)境提供了一種便于維護的控制方式。美國宇航局NASA曾在1999年發(fā)射了錢德拉X射線天外臺，這是一顆X射線天文衛(wèi)星，在衛(wèi)星內(nèi)部為了完成對于空間微重力環(huán)境中外界擾動影響，采用了六角形隔振平臺，這是一種以被動隔振為主要策略的隔振平臺，其阻尼器由復(fù)合的阻尼材料以及一些彈性附件組合而成，可以對于軸向10Hz的振動進行有效的抑制。在這樣的被動隔振設(shè)置的基礎(chǔ)上，美國下一代太空望遠鏡也希望有更高效的隔振控制，以及在更寬頻率下進行太空作業(yè)。工程師因此在其中加入主動隔振環(huán)節(jié)來達到更好的隔振控制效果。位置、速度、加速度等參數(shù)是主動隔振控制中的重要組成不服，通常主動隔振就是通過引入這些隔振對象的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來判斷在當(dāng)前以確定的控制規(guī)律下，整個隔振系統(tǒng)下一部分控制動作。這樣的通過控制規(guī)律完成的主動施加控制力與力矩，加強了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，高效性，也正是因此可以達到被動隔振所無法達到的效果。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s13精確指向斯圖爾特平臺圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s14UQPandSatelliteBusMockup圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s15華盛頓大學(xué)和胡德技術(shù)公司聯(lián)合研制的Stewart平臺如圖1.5所示，是由華盛頓大學(xué)和胡德技術(shù)公司聯(lián)合研制[26]的Stewart平臺，在設(shè)計過程中，為了保證平臺能夠在軸向有較大的位移，極大幅度降低了其軸向剛度，從而使得自由振動頻率為達到3Hz。在一般被動隔振的環(huán)境下，不施加外在的主動控制，根據(jù)被動隔振的基本規(guī)律以及實驗證明，其對于頻率為5-20Hz的振動能夠產(chǎn)生顯著的隔振效果，在數(shù)值上體現(xiàn)出來的是實現(xiàn)了20-25dB的衰減。而當(dāng)加入主動控制環(huán)節(jié)的工作，使得隔振效果有了進一步的提升。對于低頻與中頻的振動干擾，主動隔振系統(tǒng)都能基于較好的隔振性能，但是主動隔振系統(tǒng)成本過高，無論是安裝還是實際運行中的操作、測試等都擁有較為復(fù)雜的流程。所以主動隔振系統(tǒng)的應(yīng)用還是多用于大型的工作平臺用于低頻擾動的隔振，并提供高精度的有效載荷定向工作。當(dāng)主動隔振系統(tǒng)用于高精密低質(zhì)量的工作環(huán)境時，其在高頻段所表現(xiàn)出來的工作效果是不夠理想的，因為高頻率擾動帶來的系統(tǒng)的復(fù)雜性提升，穩(wěn)定性下降，使得主動控制效果不太理想。并且主流的主動控制過程都需要有效的姿態(tài)反饋控制，在目前的某些應(yīng)用場景下并不適用。所以即使主動隔振能夠克服被動隔振的部分缺點，但也不可否認其自身也有著較多的不足之處。由中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研制的主動隔振平臺在國內(nèi)主動隔振方面的應(yīng)用具有一定的代表性，特別是面向微重力環(huán)境下的高精度隔振需求[22]。此主動隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，分別為定子與浮子，如圖1.6所示。定子部分的主要作用在于支撐整個隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其由一塊底板、三塊側(cè)面擋板和對應(yīng)于底面的側(cè)板組成；浮子的主要作用在于實現(xiàn)載荷的定位安裝，其本身結(jié)構(gòu)大致只是一塊帶有連接裝置的載荷安裝版。為了最大程度避免工作情況下兩者相互干擾帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，定子與浮子兩部分沒有直接的接觸。通過無線傳能與通訊完成載荷工作期間的能量供給與信息傳遞。定子具體包括主結(jié)構(gòu)，由前面板，底板和3塊側(cè)板及對應(yīng)底側(cè)板組成，作為主支撐結(jié)構(gòu)；浮子鎖緊裝置，用于發(fā)射和在軌時鎖定浮子；無線電能傳輸發(fā)射線圈和無線通信模塊，用于替代定子和浮子之間的臍帶線，從而實現(xiàn)浮子和定子之間的電子學(xué)連接，提供電源和數(shù)據(jù)傳輸通道。浮子主要包括載荷安裝板，用于科學(xué)實驗載荷的定位和安裝；無線電能傳輸接收線圈和無線通信模塊，實現(xiàn)對實驗載荷的能源提供和通訊支持。隔振控制系統(tǒng)主要包括隔振控制嵌入式計算機，用于實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制；6組激光位移傳感器，其對浮子相對定子的位移進行實時測量，為浮子的控制提供位移反饋信息；3組二維電磁激勵器，在接收到控制執(zhí)行指令后，對浮子施加相應(yīng)的控制力。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s16主動隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將浮子和定子通過轉(zhuǎn)接工裝放置在氣浮臺上，通過氣浮消除浮子和定子重力的影響，測試浮子在水平面內(nèi)的平動和轉(zhuǎn)動控制算法的有效性，同時測量浮子的加速度，用來驗證控制過程中浮子隔振效果。通過給定子增加低頻擾動（0.25~2.5Hz）的方式，來對比定子和浮子的加速度水平，從而驗證隔振平臺的隔振效果。如圖1.7所示，將電機通過轉(zhuǎn)接工裝連接至定子固定底板，通過電機控制器控制電機的往復(fù)運動的幅值、速度和加速度，來實現(xiàn)對定子施加各種頻率和幅值的低頻激勵，并通過在浮子和定子固定底板上安裝MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）式加速度傳感器來對比增加低頻激勵后浮子和定子的加速度水平，隔振系統(tǒng)要求浮子的加速度水平遠低于定子的加速度水平。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s17實驗驗證裝置首先進行了基于位移反饋控制的主動隔振平臺的總體設(shè)計，能夠支持主動隔振過程中定位和控制的相關(guān)技術(shù)要求；設(shè)計了基于激光位移傳感器的非接觸式三維位置測量算法，實現(xiàn)對浮子的三位位置解算；設(shè)計了基于位移反饋的浮子運動的控制算法，并給出了控制參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則，通過嵌入式計算機平臺完成了控制算法的軟件實現(xiàn)；最后通過實驗驗證了控制算法的有效性，實驗表明其能夠在0.1Hz以上擾動的頻率內(nèi)可以保持浮子的加速度水平小于1mg，并且明顯小于定子的加速度水平。對于低頻與中頻的振動干擾，主動隔振系統(tǒng)都能基于較好的隔振性能，但是主動隔振系統(tǒng)成本過高，無論是安裝還是實際運行中的操作、測試等都擁有較為復(fù)雜的流程。所以主動隔振系統(tǒng)的應(yīng)用還是多用于大型的工作平臺用于低頻擾動的隔振，并提供高精度的有效載荷定向工作。當(dāng)主動隔振系統(tǒng)用于高精密低質(zhì)量的工作環(huán)境時，其在高頻段所表現(xiàn)出來的工作效果是不夠理想的，因為高頻率擾動帶來的系統(tǒng)的復(fù)雜性提升，穩(wěn)定性下降，使得主動控制效果不太理想。并且主流的主動控制過程都需要有效的姿態(tài)反饋控制，在目前的某些應(yīng)用場景下并不適用。所以即使主動隔振能夠克服被動隔振的部分缺點，但也不可否認其自身也有著較多的不足之處。1.1.3半主動式磁流變阻尼器磁流變液是一種流動性良好的牛頓流體，當(dāng)其受到外加磁場的作用是，自身性質(zhì)會產(chǎn)生一定的變化，從牛頓流體轉(zhuǎn)化成為Bingham半固體，這個變化過程是可逆的，并且具有連續(xù)可控的特點?；诖帕髯円旱膬?yōu)秀可控變化性質(zhì)，并且對于外加磁場反應(yīng)迅速穩(wěn)定性高，目前磁流變液已經(jīng)成為了一種性能優(yōu)秀的智能材料并在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在半自動控制領(lǐng)域，連續(xù)可逆的變化，反應(yīng)迅速且受控性強，加上結(jié)構(gòu)簡單功耗較低等優(yōu)秀特性，使得磁流變液能夠完美勝任半主動作動裝置的應(yīng)用。無論是在電子控制領(lǐng)域，還是為機械結(jié)構(gòu)提供一種反應(yīng)迅速的控制傳遞接口，磁流變液都是優(yōu)秀的智能材料選擇。航空、土木與機械領(lǐng)域正在逐漸發(fā)展以讓磁流變液得到更加全面的利用。磁流變阻尼器的分類一般通過工作方式的不同分為了三種類型：剪切式磁流變阻尼器、流動式磁流變阻尼器和擠壓式磁流變阻尼器。在目前的運用實例中，流動式磁流變阻尼器因為器結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)特性敏感而得到了廣泛的應(yīng)用。然而其優(yōu)點是建立在三種單一模式工作的基礎(chǔ)上，日前，一些將三種工作方式混合并同步工作的磁流變阻尼器也被眾多研究人員提出和研究?；旌夏Ｊ焦ぷ鞯拇帕髯冏枘崞饕呀?jīng)被證實了相較于傳統(tǒng)的單一工作模式能夠展現(xiàn)出更為優(yōu)秀的阻尼特性，在復(fù)雜工作環(huán)境的適應(yīng)性也相對提高了許多。Sung等人[44-47]提出了一種混合工作模式磁流變阻尼器的設(shè)計方案，他們比較了在單一工作模式下各種磁流變阻尼的性能特點，選擇剪切式與流動式的結(jié)合，設(shè)計制造了如圖1.8的混合模式磁流變阻尼器，并對其阻尼特性進行了相關(guān)測試，結(jié)果顯示的確在阻尼性能上有所提高。而Yazid等人[48]使用了不同的組合方式，將剪切式與擠壓式磁流變阻尼器相互結(jié)合得到了如圖1.9的新型混合工作模式磁流變阻尼器，并對新阻尼器進行了有限元分析模擬了在其新結(jié)構(gòu)下激勵線圈產(chǎn)生的磁場?；旌瞎ぷ髂Ｊ降拇帕髯冏枘崞饕话愣寄軇偃螁我还ぷ骱突旌瞎ぷ鞯炔煌ぷ鳝h(huán)境需求，對于其不同工作模式下的阻尼特性加以研究，也能發(fā)現(xiàn)各有多長，但混合模式下?lián)碛懈鼘挼氖褂梅秶?。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s18流動-擠壓形式的磁流變阻尼器圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s19流動-剪切形式的磁流變阻尼器磁流變阻尼器工作模式不同是從實際工作角度對其進行了一定的劃分，而從磁流變阻尼器本身結(jié)構(gòu)上來看也能產(chǎn)生不同的分類類型。一般常規(guī)的磁流變阻尼器的節(jié)流通道是簡單的管狀直道，但通過近年來對于磁流變阻尼器的不斷探究發(fā)現(xiàn)，也提出來許多不同的新型節(jié)流通道形式。這些磁流變阻尼器的特點即是在于節(jié)流通道的結(jié)構(gòu)變化多樣，目前比較有代表性的幾種節(jié)流通道結(jié)構(gòu)設(shè)計方式分別為：旁路式、折疊式以及蜿蜒式。如圖1.10所示時Robinson等人[49]設(shè)計一種旁路式磁流變阻尼器，其與一般的磁流變阻尼器不同的地方在于它具有多空介質(zhì)作為旁路通道中的通過閥門。這樣的多孔旁通式磁流變阻尼器的誕生使得在旁路式磁流變阻尼器的發(fā)展中多了一樣可選的材料選擇，多孔介質(zhì)在磁流變阻尼器中也能夠影響到阻尼器本身的最大可控阻尼力與阻尼系數(shù)，使得調(diào)節(jié)磁流變阻尼器性能的方式有多了一種選擇。Kim等人[50]的設(shè)計是一種折疊式節(jié)流通道的磁流變阻尼器，根據(jù)其研究團隊在逐漸通過數(shù)學(xué)建模、有限元分析以及實驗探究的方式對折疊式節(jié)流通道磁流變阻尼器進行的細致研究，結(jié)果表明相較于一般的磁流變阻尼器而言，當(dāng)節(jié)流通道的設(shè)計發(fā)生了變化，會在一定程度上提高最大可控阻尼力以及等效阻尼。折疊式節(jié)流通道也可以被換為環(huán)形-徑向節(jié)流通道，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.11所示。通常在磁流變阻尼器的研究中，節(jié)流通道的改變能很大程度上改變磁流變阻尼器本身的各項物理性質(zhì)，而在類似的磁流變液設(shè)備中，流道結(jié)構(gòu)的改變也已成為了一種常用的研究方法。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s110旁路形式的磁流變阻尼器圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s111折疊流動形式的磁流變閥磁流變阻尼器在工作模式下可以產(chǎn)生的最大可控阻尼力與節(jié)流通道的表現(xiàn)形式是有一定相關(guān)性的。然而，節(jié)流通道的改變勢必會改變在磁場作用下的屈服強度、粘性壓降和次要壓降等決定了材料阻尼系數(shù)的性質(zhì)。當(dāng)節(jié)流通道延展布局時，屈服強度增大，但粘性與次要壓降則會降低。所以可以得到結(jié)論，一般的節(jié)流通道布局改變會對磁流變阻尼器的可控阻尼力產(chǎn)生較大的影響，但總體而言磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)并不會因此而發(fā)生較大的改變。為了能同時提高阻尼系數(shù)，加強磁流變阻尼器的工作效率，又能在可控阻尼力上將其最大值提升到一個可以勝任較大阻尼力要求的任務(wù)，研究人員設(shè)計如圖1.12所示的內(nèi)旁路式磁流變阻尼器，這樣的內(nèi)旁路式體現(xiàn)在磁流變阻尼器的節(jié)流通道從單層通道變?yōu)槎嗉壇B加的狀態(tài)，這樣就能夠通過利用不同級別的節(jié)流通道導(dǎo)磁單元與非導(dǎo)磁單元的配合，增大磁流變阻尼器內(nèi)部壓降，改變阻尼系數(shù)。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s112多級線圈形式的磁流變阻尼器磁流變阻尼器作為一種半主動元件，不經(jīng)擁有主動控制的能力，也可以在被動工作模式下發(fā)揮其應(yīng)有的性能。為了增大磁流變阻尼器在沒有通電的情況下以被動的狀態(tài)工作時的阻尼力，并改善通電工作后短時間內(nèi)其無法充分退磁的狀況，丁陽等人設(shè)計了一種新型磁流變阻尼器，該阻尼器使用了一種復(fù)合形式組成的磁路表現(xiàn)形式，以此來完成阻尼力雙向皆可調(diào)節(jié)的目的，其結(jié)構(gòu)如圖1.13所示。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s113阻尼力雙向調(diào)節(jié)的磁流變阻尼器1.2隔振系統(tǒng)的控制策略當(dāng)一個智能隔振系統(tǒng)擁有著相對確定的機械結(jié)構(gòu)時，隔振策略的優(yōu)劣將會直接決定這個隔振系統(tǒng)性能的有效性[29]。為了改善隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性并提高其動態(tài)性能，需要為系統(tǒng)設(shè)計一套合適的控制算法。如圖1.14所示是一般的隔振系統(tǒng)的基本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主動隔振的智能控制的一般流程為：傳感器采集被控結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；計算相應(yīng)振動響應(yīng)得到系統(tǒng)的誤差信號；根據(jù)誤差信號計算維持隔振系統(tǒng)整體穩(wěn)定運行所需要的控制力，這一步由控制器執(zhí)行；根據(jù)主動控制規(guī)律逆模型結(jié)合控制力計算結(jié)果確定控制電流或電壓；最終經(jīng)過輸出單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號或電壓信號，以此信號為驅(qū)動源帶動主動隔振系統(tǒng)本身產(chǎn)生對應(yīng)于干擾源的作用力并抵消其帶來的干擾。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s114智能隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)控制算法與系統(tǒng)模型之間的關(guān)系，可以將隔振器件常見的控制策略分為依賴于模型的控制算法與不依賴于模型的控制算法兩類，其中第一類控制策略有LQR控制、LQG控制、H∞控制和滑模控制等，第二類包括了PID控制、模糊控制和開關(guān)控制等。V.Steffen等人[30]設(shè)計了用于調(diào)節(jié)壓電堆輸出力的LQR(LinearQuadraticRegulator)控制器，其目的在于能夠在系統(tǒng)層面上改變水平轉(zhuǎn)子的振動效果，將水平層面的振動干擾衰減到正?？山邮艿姆秶鷥?nèi)。并且實驗驗證了在不同的初速度、加速度等狀態(tài)下，不同質(zhì)量大小的轉(zhuǎn)子因為擾動而產(chǎn)生的影響會得到怎樣的抑制調(diào)節(jié)，得到了比較全面的效果總結(jié)。相對來說，LQR控制器的內(nèi)嵌控制規(guī)律多種多樣，而伴隨著卡爾曼濾波的預(yù)測效果，使得應(yīng)用了卡爾曼濾波器的LQG(LinearQuadraticGaussian)控制器更加容易實現(xiàn)并取得較好的控制水平。S.B.Choi和S.R.Hong等人[31-33]利用加速度反饋信號和卡爾曼濾波器組合利用來估算簡支梁系統(tǒng)的狀態(tài)變量，慣性式壓電堆懸置的控制電壓通過LQG控制器來確定。實驗表明，LQG控制器對于簡支梁的振動衰減效果顯著，無論是從時域表現(xiàn)還是從頻率表現(xiàn)來看，都能夠做到在必要的抑制調(diào)節(jié)上帶來理想的結(jié)果。在LQR和LQG兩種控制器的表現(xiàn)中看來，性能指標(biāo)總是在時間序列上趨于一個極值，證明其性能是有局限性的。然而，目前還有一種H∞控制系統(tǒng)，其不同于以上的兩種控制器的地方在于，它要求系統(tǒng)從擾動輸入到被調(diào)輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)的H的無窮范數(shù)小于1。H.P.Du等人[34]以路面激勵作為擾動輸入，并以人體加速度作為被調(diào)輸出，綜合得出一種用于磁流變阻尼隔振器另一種控制器設(shè)計，命名為次最優(yōu)H∞控制器。實驗人員將路面輸入設(shè)定為E級，車速確定為定值100km/h，進行了相關(guān)的數(shù)值模擬仿真。在利用了次最優(yōu)H∞控制器的情況下，模擬仿真發(fā)現(xiàn)車輛駕駛員在實驗過程中的人體加速度均方根值有所下降。相較于一般的開關(guān)控制結(jié)果，次最優(yōu)H∞控制結(jié)果下降了14.1%。另外，S.B.Choi等人還采取滑?？刂频姆椒ǖ玫搅肆硪环N調(diào)節(jié)規(guī)律的主被動結(jié)合隔振系統(tǒng)。其團隊將這種滑?？刂聘粽裣到y(tǒng)用于抑制無人機系統(tǒng)云臺穩(wěn)定性的控制中，通過實驗驗證可以得到結(jié)果在干擾源主導(dǎo)模態(tài)頻率上，云臺的被迫振動產(chǎn)生了78%的衰減，可見效果顯著。M.Behrooz等人[35]基于Lyapunov穩(wěn)定性定律設(shè)計了針對磁流變阻尼隔振器的控制算法。他們的實驗基于一個安裝了磁流變阻尼器的三層樓房模型，將激勵震源設(shè)定為EICentro地震波形，排除了外在的其他干擾影響，并以模擬仿真的形式給出了模型中的相應(yīng)位移與響應(yīng)加速度，后續(xù)輔以實驗的驗證分析。仿真結(jié)果顯示，模型中第三層的最大響應(yīng)位移和最大響應(yīng)加速度都有明顯的衰減，對照同樣實驗條件下的被動隔振系統(tǒng)，最大響應(yīng)位移和最大響應(yīng)加速度衰減百分率分別為58%和22%。而實驗結(jié)果顯示與模擬仿真大致相似，數(shù)據(jù)結(jié)果為47.3%和35.4%。大多數(shù)情況下，依賴于模型的控制算法無法脫離系統(tǒng)模型本身，相應(yīng)的隔振器逆模型也是根據(jù)模型確定而難以有較大的改動的，以至于其通用性收到了極大的限制。另外，由于大多數(shù)隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都擁有極高的復(fù)雜性（如柔性較大），從而在建立其精準(zhǔn)的系統(tǒng)模型是會顯得非常吃力，不能有一個精確的描述。主動控制隔振器有一個顯著的特征，它們都具有較強的非線性。壓電堆主動隔振器由于其壓電堆的剛度不足，以及壓電堆對于電壓電流的大小不同產(chǎn)生的物理性質(zhì)的改變都是系統(tǒng)非線性的主要因素。而磁流變阻尼半主動隔振器，也是由于其磁流變液由于外加電流電壓改變，使得磁場環(huán)境改變，而產(chǎn)生了本體剛度與阻尼的變化，這種時刻發(fā)生的復(fù)雜的變化也導(dǎo)致其強烈的非線性特征。正是由于這樣的非線性特征，依賴于模型的控制器很難得到系統(tǒng)監(jiān)測輸入與控制輸出之間的逆向推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，從而進入知道變化卻無法反饋控制的尷尬境地。另外，僅針對磁流變阻尼器而言，由于對它本身的性質(zhì)研究起步尚晚，即使是正向的關(guān)于磁流變阻尼器的完整數(shù)學(xué)模型也是難以清晰描述的。目前現(xiàn)有的Kelvin模型和Bouc-Wen模型等參數(shù)化模型也因為參數(shù)量過多或是難以逆向推理得到求解模型的問題，使其在實際的主動控制領(lǐng)域難以有所發(fā)揮。由于模型的復(fù)雜性和難獲取性，使得諸如PID控制、開關(guān)控制和模糊控制等不依賴于模型的控制策略得到了更好的發(fā)展機會，在解決非線性的主動控制問題上能提供更多的解決方法。M.M.Jovanovic等[36]為了防止出現(xiàn)積分飽和和濾除高頻噪聲，選擇添加低通濾波器在PID控制器的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)中，由于添加的控制組合不同，對于壓電復(fù)合梁振動的衰減效果也不同，所以分別進行了P控制器、PI控制器、PD控制器和PID控制器四組實驗形成對照，以此來尋求最佳的振動抑制效果。同樣類型PID控制器對于壓電柔性梁振動效果的抑制影響相關(guān)實驗還有一些其他的樣本。例如J.TFei團隊[37]也分別討論了積分系數(shù)、比例系數(shù)和微分系數(shù)控制器主導(dǎo)下的主動控制系統(tǒng)能對于振動抑制帶來怎樣的效果，并且在結(jié)果的基礎(chǔ)上總結(jié)了一套關(guān)于PID控制器系數(shù)整定的方法，讓實驗過程中關(guān)于系數(shù)的調(diào)節(jié)不再是單純的依靠經(jīng)驗試錯，大大提高了效率。PID控制器對于外界激勵確定的振動干擾有著顯著的抑制效果，正是其優(yōu)點也是缺陷所在，當(dāng)外界擾動復(fù)雜性增加，無法準(zhǔn)確對激勵進行預(yù)測時，便會導(dǎo)致PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定性失衡。由于PID控制器對于激勵變化的敏感性高，魯棒性低，使得其在時變的負載激勵作用下顯得沒有了用武之地。開關(guān)控制系統(tǒng)屬于不依賴于模型的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，以至于在磁流變阻尼隔振系統(tǒng)中，開關(guān)控制作為易于操作的最為常見的控制算法而廣受歡迎。磁流變阻尼器本身是作為一種半主動器件，它與常見的諸如壓電堆驅(qū)動隔振系統(tǒng)或是電磁作動主動隔振系統(tǒng)不同。一般主動控制隔振系統(tǒng)都需要根據(jù)輸入電流電壓來決定驅(qū)動力的方向，而磁流變阻尼器是由于外界電流改變導(dǎo)致磁場環(huán)境改變，從而使得自身剛度與阻尼特性發(fā)生變化，其驅(qū)動力的產(chǎn)生來自于負載質(zhì)量當(dāng)前的運動狀態(tài)。因此，在磁流變阻尼隔振系統(tǒng)中，控制律被簡化為了外加電流的施加，開啟時磁流變液剛度阻尼變化對于負載偏離原點的運動加以抑制，關(guān)閉時對于負載的回復(fù)運動減少阻礙。這是一種簡單并極端的控制方式，控制結(jié)果在直觀展示中僅為外加電流的最大勵磁電流，或者為0。龔興龍等利用實驗演示了開關(guān)控制算法在調(diào)節(jié)剪切式磁流變阻尼隔振器剛度時的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，當(dāng)負載的外界干擾頻率處于其自身的共振頻率時，負載整體在磁流變阻尼隔振器的外加激勵振動傳遞率大概抑制了為61.5%，同時負載的位移均方根值與位移最大值都一定程度上的下降，分別為36.0%和50.0%。W.H.Li等人[38]也開展了利用開關(guān)控制的磁流變阻尼器隔振系統(tǒng)控制實驗，主要研究了在一定的頻率范圍內(nèi)橫向振動的衰減效果。結(jié)果顯示，相較于一般的被動隔振系統(tǒng)，利用了開關(guān)控制的磁流變阻尼器能夠使負載加速度受擾動后的峰值下降29.6%。在控制策略的選擇上，開關(guān)控制僅僅利用了磁流變阻尼器兩種極端的狀態(tài)，開關(guān)的頻繁變化在高頻振動影響下可能存在一定的遲滯現(xiàn)象，使得開關(guān)控制在實際運用中雖然能不依賴于模型產(chǎn)生控制效果，但并不能充分發(fā)揮隔振系統(tǒng)的控制能力，使得振動的衰減程度有限，并且在一定程度上可能會引起系統(tǒng)的振蕩。為此，需要進一步改變對于磁流變阻尼器的控制節(jié)點，如果加強了對應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的控制規(guī)律，或許能夠提高整體隔振系統(tǒng)的工作效率以及隔振效果。因此，將模糊控制策略帶入一般的開關(guān)控制成為了新的發(fā)展方向。作為一種新興的非線性智能控制器控制策略，模糊控制策略可以通過將專家級經(jīng)驗知識融入控制器設(shè)計中，將整個系統(tǒng)控制語言進行更加細致的劃分，同時不改變原有的控制基準(zhǔn)。模糊控制的優(yōu)點還體現(xiàn)在它的簡單易懂，其本質(zhì)是將平常生活中的一系列狀態(tài)判定的短語劃分為幾個不同的等級，以此來描述一個非線性系統(tǒng)的大致狀態(tài)，將非線性系統(tǒng)的復(fù)雜組成以特征點的形式分散在了線性的模糊語言上，極力改進了控制系統(tǒng)的有效性與魯棒性。因此模糊控制策略非常適合于壓電堆隔振器和磁流變阻尼隔振器這樣的非線性控制器件上，發(fā)揮其系統(tǒng)本身的優(yōu)秀控制能力。圖1.15為模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖，從一般化的控制流程來看，模糊控制器的設(shè)計思想與傳統(tǒng)的控制器設(shè)計思想基本相同。簡而言之，模糊控制器是在傳統(tǒng)控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計的，并且已經(jīng)在傳統(tǒng)控制器上進行了改進。無論是工程實踐還是理論模擬的工作中，經(jīng)常會在建立控制系統(tǒng)的過程中發(fā)生無法了解精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型而無從下手的情況?；蚴菍τ谳^為復(fù)雜的控制對象，由于無法精確了解其中的工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實驗者很難下手完成一套有效的控制系統(tǒng)來完成需求的目的。模糊控制即是為了應(yīng)對復(fù)雜的模型情況化繁為簡將非線性問題簡化為線性問題的一種有效的控制方法。通過分析總結(jié)模型的特征點來確定模糊控制的各個控制節(jié)點，使用模糊化語言編寫響應(yīng)的模糊控制規(guī)則。在設(shè)計模糊控制器的過程中，最為重要的步驟是編譯模糊規(guī)則與模糊推理算法，這一方面需要對于模型本身的一部分專家級經(jīng)驗知識，另一方面需要更為廣泛的基礎(chǔ)理論來完成編譯。模糊規(guī)則設(shè)計是模糊控制器設(shè)計的核心，決定了一個模糊控制器建立后運行效果的好壞。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s115隔振系統(tǒng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖模糊控制器的設(shè)計思想與傳統(tǒng)的控制器設(shè)計思想基本相同。模糊控制器的基本工作進程為：利用光學(xué)、位移、溫度或激光等于被測輸入量相關(guān)的傳感器收集模糊隔振系統(tǒng)的控制變量；根據(jù)專家級的經(jīng)驗確定模糊控制中需要用到的隸屬函數(shù)，并將已得到的輸入控制變量代入隸屬函數(shù)中，通過模糊化計算處理，得到以人們?nèi)粘Ｉ钪屑s定俗稱的模糊量化詞匯確定的模糊變量。這樣的模糊變量可以用來形容一定范圍內(nèi)的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)在將其返回送入模糊推理的控制模塊，根據(jù)已有的模糊控制規(guī)則來判斷下一步的決策，從而得到一個模糊控制量，最后依據(jù)輸出隸屬函數(shù)進行反模糊化取得一個最終的理想的可以被傳感器識別的控制量。模糊控制器在磁流變阻尼隔振器的應(yīng)用比較廣泛，H.JJung等人[39]設(shè)計了一款基于磁流變阻尼器的單自由度橫向隔振系統(tǒng)。研究人員在控制輸入的選擇上使用了負載的相對位移以及基礎(chǔ)絕對速度，兩者對于系統(tǒng)本身而言是比較容易取得的數(shù)值參數(shù)，將其作為模糊控制系統(tǒng)的精確輸入，對于模糊控制規(guī)則的制定奠定了堅實的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)的輸出選擇了磁流變阻尼器所處環(huán)境中的磁感應(yīng)強度，因為其與磁流變阻尼器自身阻尼剛度性質(zhì)相關(guān)性較高，并且作為模糊控制翻譯后的精確控制量是完全符合整體控制系統(tǒng)的要求的。在這樣建立的模糊控制器加持下，仿真結(jié)果顯示，相較于普通的被動隔振系統(tǒng)，負載的響應(yīng)位移和響應(yīng)加速度都得到了衰減，分別下降了40.7%和39.1%。另外還有R.Xu等人[40]在壓電堆執(zhí)行器的控制環(huán)節(jié)加入了模糊控制器，其實驗的主要目的在于衰減太陽能面板的柔性振動，是典型的非線性控制系統(tǒng)。結(jié)果顯示，模糊算法對于沖擊激勵和白噪聲激勵帶來的外界擾動都能取得較好的振動控制效果。總而言之，模糊控制策略在諸多的領(lǐng)域已經(jīng)證明了其有效性。然而，對于常規(guī)的模糊控制器，因為其參數(shù)相對固定，所以會像前文提到的PID控制器一樣只對單一頻率或幅值的激勵有效，當(dāng)遇到復(fù)雜多變的激勵條件是很容易顯示出其使用范圍窄的弊端。而對于常見的精密測量設(shè)備，它們所面對的是一個在時間序列上進行復(fù)雜變化的外界激勵環(huán)境，寬頻帶與微幅值使其常見的特征。為使模糊控制器也能適應(yīng)這樣的復(fù)雜環(huán)境，研究人員提出了具有參數(shù)可調(diào)性質(zhì)的自適應(yīng)模糊控制器，具體參數(shù)可能是量化因子、比例因子或隸屬函數(shù)。自適應(yīng)的模糊控制器在魯棒性與環(huán)境適應(yīng)能力上都有了長足的進步。N.D.Zoric[41]設(shè)計了一種具有自適應(yīng)特性的模糊控制器，目的在于利用壓電復(fù)合柔性梁來衰減沖擊振動。其控制器的自適應(yīng)性體現(xiàn)在根據(jù)觀測沖擊振動峰值的數(shù)值來調(diào)節(jié)輸入信號的量化因子，為了實現(xiàn)整體控制過程的透明性，設(shè)計了峰值觀測器作為主要的控制元件。結(jié)果表明，相對于一般的LQR控制器，自適應(yīng)的模糊控制器明顯取得了更優(yōu)的振動抑制效果。N.R.Pal等人[42]自適應(yīng)參數(shù)上選用類似于量化因子的比例因子，其調(diào)節(jié)的是整個系統(tǒng)最終完成模糊規(guī)則翻譯后的輸出量的控制環(huán)節(jié)，相較于普通的定值模糊控制系統(tǒng)，自適應(yīng)系統(tǒng)的超調(diào)量、響應(yīng)時間和上升時間等性能指標(biāo)均得到了顯著提高。J.H.Park等人[43]設(shè)計的自適應(yīng)模糊控制器針對的變化參數(shù)是輸入/輸出隸屬函數(shù)，并且對于模糊規(guī)則的制定也不再是單一的固定形式，而是可以通過系統(tǒng)監(jiān)測各項性能指標(biāo)自由判斷模糊規(guī)則的增加或刪除，其結(jié)果自然是提高了整體控制系統(tǒng)的魯棒性，并極大增加了控制系統(tǒng)的可靠工作范圍。即使面對強非線性系統(tǒng)也能保持自身系統(tǒng)的穩(wěn)定性與有效性。董小閔等人則是研究了自適應(yīng)參數(shù)之間的性能優(yōu)劣，其在常規(guī)模糊控制器上添加了量化因子自適應(yīng)環(huán)節(jié)、比例因子自適應(yīng)環(huán)節(jié)、隸屬函數(shù)自適應(yīng)環(huán)節(jié)以及控制規(guī)則自適應(yīng)環(huán)節(jié)。雖然多維度的自適應(yīng)變化提高的系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是在合理的系統(tǒng)整合算法下，其能發(fā)揮出相較于一般模糊控制器更優(yōu)的控制能力。并且當(dāng)自適應(yīng)環(huán)節(jié)逐一打開的實驗中，能夠?qū)嶋H量化在一個基礎(chǔ)的定值模糊控制系統(tǒng)中，什么樣的自適應(yīng)參數(shù)更能夠得到性能更強的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。結(jié)果顯示，在模糊控制器的各個參數(shù)中，量化因子與比例因子的變化相較于輸入/輸出隸屬度函數(shù)、模糊規(guī)則更能有效完成控制系統(tǒng)的工作，而且量化因子與比例因子在實際模糊控制系統(tǒng)作為變化參數(shù)是易于實現(xiàn)的。綜上所述，依賴于系統(tǒng)和器件精確數(shù)學(xué)模型的參數(shù)化控制系統(tǒng)在大多數(shù)情況下是難以實現(xiàn)，這不僅是因為各類復(fù)雜精密測量平臺或者隔振系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動力學(xué)模型參數(shù)化表示困難，因為在這樣復(fù)雜的系統(tǒng)之非線性的工作方式導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型即使能夠建立也難以計算求解。結(jié)果導(dǎo)致依賴于系統(tǒng)精確模型的控制方式無法完成實際操作過程中的試驗驗證，達不到較好的控制效果。而常規(guī)的帶有針對性的控制器總是不能滿足較大應(yīng)用范圍內(nèi)的隔振需求，雖然能在特定條件下發(fā)揮超越一般水平的控制效果，但其自身的局限性還是抑制了其工作的開展。為解決上述問題，本文針對電磁作動器主動隔振與磁流變阻尼器半主動隔振混合的隔振控制策略，選擇了在實驗精度上更高的模糊控制方法。參考文獻ArchambeaultB;ConnorS;HalliganMS;DrewniakJL,etal.ElectromagneticradiationresultingfromPCB/high-densityconnectorinterfacesIEEETransonElectromagneticCompatibility(S0018-9375),2013.HartsockDL,NovakRF,ChaundyGJ.ERfluidrequirementsforautomotivedevices[J].AnnalsoftheNewYorkAcademyofSciences,1998,841(35):1305-1326.YuM,LiaoCR,ChenWM,etal.StudyonMRSemiactiveSuspensionSystemanditsRoadTesting[J].JournalofIntelligentMaterialSystems&Structures,2006,17(8-9):801-806.SpencerBF,NagarajaiahS.StateoftheArtofStructuralControl[J].JournalofStructuralEngineering,2003,129(7):845-856.關(guān)新春,李金海,歐進萍.足尺磁流變液耗能器的性能與試驗研究[J].工程力學(xué),2005,22(6):207-211.CarlsonJD,JollyMR.MRfluid,foamandelastomerdevices[J].Mechatronics,2000,10(4-5):555-569.ShigaT,OkadaA,KurauchiT.Magnetroviscoelasticbehaviorofcompositegels[J].JournalofAppliedPolymerScience,1995,58(4):787–792.YuW,GongX,JieY,etal.ImprovingtheDynamicPropertiesofMREunderCyclicLoadingbyIncorporatingSiliconCarbideNanoparticles[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,2014,53(8):3065-3072.YuM,WangS.ThecompositeMREembeddedwithacoppercoil[J].SmartMaterials&Structures,2010,19(6):065023.YangCY,FuJ,ZhengX,etal.Anewmagnetorheologicalelastomerisolatorinshear-compressionmixedmode[J].JournalofIntelligentMaterialSystems&Structures,2015,26(10):1290-1300.YuM,FuJ,JuBX,etal.Influenceofx-rayradiationonthepropertiesofmagnetorheologicalelastomers[J].SmartMaterials&Structures,2013,22(12):125010.FuJ,WangY,LiPD,etal.ResearchonHybridIsolationSystemforMicro-Nano-Fabrica