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振动主动控制若干问题的研究

孙红灵  
【摘要】: 近年来,振动主动控制在航空航天、船舶、汽车等工业领域已经得到了广泛的应用,振动及振动主动控制的理论也已经基本成熟。但是,具体的工程应用仍然存在许多问题亟待解决。航天结构日益大型化、低刚度与柔性化,而大型柔性结构具有柔性大、低频模态密集、模态耦合程度高等特点,振动控制比较困难。另一方面,主动吸振和隔振技术在船舶工程的减振降噪方面发挥越来越重要的作用,但存在减振性能低、能耗大等缺陷,因此,研究新型主动吸振和隔振技术具有重要的理论和工程应用价值。 本文围绕航空航天中的结构振动控制以及船舶的减振降噪中涉及的一些重要问题开展理论研究。主要包括密频结构的振动主动控制、主动吸振技术、主动隔振技术三个方面,具体内容如下。 1.密频结构的振动主动控制方面 迄今为止,密频结构的相关研究主要集中在具有两个密集频率的结构,而实际的大型柔性结构通常有一簇密集频率,这些频率在低频段连续分布。本文针对典型的连续密频结构,即三自由度密频结构,采用单输入反馈摔制,研究了频率间隔、结构不确定参数对控制效果的影响。研究表明,频率间隔是影响控制效果的重要参数,单控制输入仅能控制密集频率对应的模态中的一个,而其余密集频率对应的模态随着控制增益的增大会趋于不可控。当等效密集参数较小时,模态对参数敏感,不确定参数的稍微变化能使模态产生很大的变化。另外,所有模态阻尼之和只与控制增益相关,随控制增益的增加而线性增加。 针对典型的密频结构,研究了不同密频结构判别方法间的关系。研究表明,频率密集度计算简单,并且能够反映密频结构的特征,即振型对系统参数摄动敏感,是一种简单有效的密频结构判别方法。通过分析摄动参数对模态振型的影响,给出了密频结构控制存在困难的物理解释,即其困难在于振型对系统摄动敏感,而这种敏感源于系统存在弱耦合。为改进密频结构的控制,提出了增强耦合型控制方法。利用典型密频结构算例验证了该方法的有效性,即能够实现以较少的作动器控制较多的模态。 2.主动吸振技术方面 在自适应被动吸振器性能分析的基础上,提出了一种新型自适应共振吸振器(AARA),并申请了发明专利。AARA可以看作自适应被动吸振器(APVA)和主动共振吸振器(ARA)的集成,具备这两者的优点,如低能耗、宽频带高效减振和失效安全等。 针对课题组建立的吸振器评估实验系统,首先建立了该系统的动力学模型,进而对课题组设计的机械自调谐式吸振器的减振性能进行了理论预报,理论和实验的结果符合得很好。 在多频激励下吸振器的调谐策略方面,对单吸振器、双吸振器和状态切换吸振器(SSA)的性能进行了比较。提出了适用于多频激励的一对一频率调谐方法,并与最优化频率调谐方法进行了比较。结果表明,两者具有几乎相同的性能,而一对一方法不需要耗时的寻优过程,并且一对一方法很容易扩展到激励含有更多频率分量的情况。 3.主动隔振技术方面 针对单层隔振系统,分析了主动隔振存在的主要问题,在主动隔振的控制策略、隔振系统结构两个方面提出了一些改进措施。主动隔振存在加剧隔振对象的振动、控制增益大等缺陷。为降低控制增益,提出一种改进的主动隔振系统,能有效降低反馈增益,但却以增加作动器的行程为代价,而作动器的行程和控制力均是隔振对象振幅的函数。为了克服上述缺陷,提出主动隔振与动力吸振器联合减振策略。动力吸振器可有效降低隔振对象的振幅,从而能够减少控制力和作动器的行程,成功地避免了反馈增益和作动器行程之间的矛盾。该策略能够很好地克服传统主动隔振系统中存在的恶化隔振对象的振幅、控制增益大的缺点,是一种能够有效提高主动隔振系统性能的方法。 把吸振器引入到浮筏隔振系统,研究了单频、多频激励下吸振器的优化配置和控制策略,为工程应用提供了理论基础。研究表明,吸振器能显著改善浮筏的隔振性能,吸振器的配置方式对结果影响较大,而且应该根据激励频率的情况选择合适的配置方式。 提出一种隔振系统评价指标,即功率流传递率,其定义为传递到基础的功率流与输入到隔振对象的功率流之比。基于简单隔振系统,分别采用理论分析和数值模拟研究了功率流传递率与其它性能指标之间的关系。结果表明,有效比能够直接地反映隔振器的有效性,但不能反映隔振系统整体的响应特性。功率流传递率恰好避免了这一缺陷,而且,功率流传递率容易通过振级落差进行估算,因此它的测量比有效比容易实现。此外,数值模拟结果给出了隔振器的阻尼、损耗因子以及刚度对功率流传递率的影响,结果将有助于被动和主动隔振器的设计和性能评估。


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