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内燃机振动与控制 学院：机电工程学院 专业：车辆工程 班级：Y110103 学号：s20111023 姓名：顾文领摘 要:内燃机的振动是有害的,为了克服这类有害的振动,人们已经开始研究主动控制振动的途径。本文简述了现代控制理论在内燃机振动主动控制领域的应用现状,阐述了各种控制理论与内燃机振动系统的关系。本文以现代控制理论中有代表性的最优控制、自适应控制、鲁棒控制为重点分析了现代智能控制理论在振动系统控制中应用的可能性与发展,指出了内燃机振动主动控制领域今后一段时间内的研究重点与方向。关键词:内燃机振动 主动控制 现代控制理论 现状与发展Abstract:Engine vibration is harmful To avoid this kind of vibration, people are looking for the way to control the vibration actively. This paper introduces the application status of modern control theory on active control of engine vibration, and expounds the relationship between various control theories and the engine vibration system. Taking optimal control adaptive control and robust control as representatives of modern control theory, the probability and development of modern control theory application on vibration system control are analyzed, and the research emphasis and direction of active control of engine vibration are put forward.Keywords:Engine vibration, Active control Modern control theory, Status and development引言 内燃机的振动是有害的。对于有害的振动,人们总是在想方设法将其消减甚至消除。消减振动一般从两个方面着眼:一是耗散振动能,二是抑制激振力。耗能的方法有加装阻尼摩擦片、附带质量冲击块;抑制激振力的方法有提高系统刚度、加装动力减振器或是主动对振动系统施加同频反向的抑振力。通过控制系统对振动主体主动施加抑振力即振动的动态控制(也称有源控制、主动控制)。该控制系统一般由振动体(内燃机振动系统如曲轴)、振动信息采集器(对于旋转振动系统多用涡流传感器和光电传感器,对于整机多用弹簧质量加速度传感器)、变送器、处理器、控制器、执行器、显示与调节器等部件组成。其中控制器是系统的核心,控制器的设计应依据振动体即被控对象的特性进行。本文将依据内燃机的振动的特性探讨控制器设计中运用的各种控制理论问题以及在振动动态控制上各种现代控制理论应用的可能性。 众所周知,二十世纪是一个自动化控制技术飞速发展的时代;随着技术的发展,自动控制理论不断得到完善;技术的发展、理论的完善也使得各个领域中的控制方式得到丰富和健全。就内燃机的振动控制领域而言,控制方式已由早期的运用经典控制理论的单输入单输出的PID调节方式(只适合设计简单的被动减振、隔振装置)发展到运用现代控制理论的最优控制(使用线性二次型LQ/线性高斯二次型LQG算法方式居多)、自适应控制(最小方差LMS算法最具代表性)。而运用智能控制理论中的鲁棒性控制(使用H-infinite控制律)、是振动噪声动态控制的主动控制理论现代研究的发展方向,包括理论分析、系统设计与仿真都有待于深入研究。由于内燃机的振动频率变化范围大、振动幅值高,而且内燃机工作环境极其恶劣,使得在内燃机上应用主动控制减振技术具有一定的难度和复杂性,因此,振动的主动控制技术应用于内燃机的控制方面尚不多见。1 控制理论的发展与内燃机振动的控制 以传递函数为基础的经典控制理论是一种将控制系统的分析与设计建立在某种近似和试探的基础上的控制理论,控制对象一般是单输入单输出(SISO)系统、线性时不变系统(LTI);对多输入多输出(MIMO)系统、时变系统、非线性系统等,则无能为力。经典控制理论主要的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法等。控制策略仅局限于反馈控制、PID控制等。这种控制不能实现最优控制。人类利用控制技术已有相当漫长的历史,然而真正形成理论是在二十世纪上半叶。随着5控制论6(W.R.Evans, 1948年)与5工程控制论6(钱学森,1954年)两文的发表,社会与国民经济的各个领域都掀起应用自动控制技术的波澜,这也标志着经典控制理论的成熟。可是,正由于经典控制理论只能对付单输入单输出时不变系统,对复杂的内燃机的振动与噪声(通常是多输入多输出时变系统)无能为力,所以此时振动动态控制这一领域几乎没有什么理论与实践成果。 以状态空间为基础的现代控制理论是一种基于状态方程数学模型的分析综合理论,控制系统的分析与设计是精确的,控制对象可以是单输入单输出控制系统,也可以是多输入多输出(MIMO)控制系统,可以是线性定常控制系统,也可以是非线性时变(NLT)控制系统,可以是连续控制系统,也可以是离散或数字控制系统。主要的建立在已知系统的基础之上的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。由于现代控制理论的分析与设计方法的精确性,因此,现代控制可以得到根据被控对象状态空间模型来综合的最优控制、也可以发展为自适应控制。但它们都要求系统已知;可是,严格来说,大部分的控制系统是一个完全未知或部分未知系统,这里包括系统本身参数未知、系统状态未知两个方面,同时被控制对象还受外界不确定干扰、环境变化等的因素影响。这一阶段,人们已将控制理论运用到振动动态控制领域。也就是说,振动动态控制已有五十余年的历史,首先是CECrede, RDCavanaugh美等人做了直升飞机回转轴动态隔振的可行性研究。针对内燃机振动控制研究起步较晚,始自上个世纪80年代,但发展较快,最优控制理论、自适应控制理论等很快便得到研究与应用。 以模仿人类智能达到目标性能最优为出发点的智能控制理论是一种非传统的综合自动控制理论、人工智能和运筹学等学科分支的控制理论。内容包括自适应控制、鲁棒性控制、神经网络控制、模糊控制、粗糙集合、遗传算子、拟人控制、等。其控制对象可以是已知的确定型系统也可以是未知系统(只需知道系统所属的模型集合),其控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响,且能有效地消除模型化误差的影响。内燃机是大型系统,其振动特性又相当复杂,因而要得到它的精确的数学模型是不可能的。内燃机的振动系统是复杂的非线性系统,以智能控制理论分析处理非线性系统的有效性,采用智能控制理论及方法,对大型复杂振动系统的扭振、弯振、耦合振动进行预测和控制。根据耗散结构论分析振动的机理和规律,在此基础上应用现代非线性、分岔与混沌力学理论以及转子动力学理论研究振动形成吸引子的性质,进而应用鲁棒性控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法及粗糙集合等人工智能理论与技术研究一类智能控制规律抑制轴系振动;或者当出现振动先兆时进行科学准确地预测,并根据所获得的特征变量的信息进行实时智能控制,以避免振动失稳,抑制导致失稳的发散性振荡,加快收敛性振荡的收敛速度。所以,应用基于非线性科学的智能控制理论(特别是鲁棒性较好的控制理论)对内燃机振动系统进行预测和控制,是内燃机的振动动态控制研究发展的方向。2 最优控制理论与内燃机振动主动控制 现代工业与技术的发展,促进了控制理论的发展,同时也对控制系统的精确性、快速性、稳定性要求愈来愈高。然而,经典控制理论使用的方法有三点局限性:首当其冲的是,经典控制(以PID方式为例)只适用于线性定常系统即线性时不变(LTI)系统,对非线性系统或线性时变系统无能为力;再是,它只适用于单输入单输出系统,对于复杂的多入多出(MMO)系统望尘莫及;此外,严格来说,经典控制理论只是系统的一类分析方法,为了能用它实现系统的综合和设计,通常采用半经验的做法,通过反复试探调试才能得到较满意的控制方案。这种以系统稳定性为基础的经典控制方法日益暴露其无法满足控制系统高品质的要求,于是最优控制理论应运而生。最优控制问题核心是通过设计控制律，选择控制函数U(t),使得某一性能指标J(x(t),t)达到最小或最大值。这一性能指标通常包含着对系统控制品质的某种要求。这种控制问题是将物理控制问题严格抽象为数学问题,自始至终采用数学分析的方法。因而应用这种方法首先应当构造数学模型,分析初值条件,再根据性能指标设计控制律。于是,构成一个最优控制问题必须具备四个基本条件: 1)被控对象可以建模,数学模型应当能够精确表达控制系统; 2)初态和终态可定,状态可转移; 3)存在容许控制集合; 4)性能指标函数可以求解。 最优控制理论的发展经历了变分法、极小/极大值法、动态规划法三个数学方法阶段。变分法针对的典型问题是控制向量u(t)无约束的最优控制问题,只适合容许控制集合属开域情况,即不能求解控制向量具备闭集性约束gu(t)0的最优控制问题。但实际的控制系统由于物理限制其施加的控制向量总是有界的,因所用到Euler方程求解条件不满足而不实用。极小/极大值法(庞德里亚金极小值原理)针对的典型问题是时间最优控制问题、控制区间内控制误差累计与控制能耗最小的输出调节、状态调节、跟踪调节的二次型性能指标最优控制问题。其中以线性高斯二次型(LQG)最优控制具有解析式表达统一特点最受关注,此类控制运用分离原理将确定性系统与随机系统分开,确定性系统按线性二次型最优控制求解状态反馈,随机部分按状态最优估计与卡尔曼随机滤波设计控制律,这样使得在随机干扰与状态不完全可观测的情况下也能运用系统状态方程或状态重构、相应滤波公式与最小二次型指标(均值)求解控制律。但LQG最优控制稳定裕量低,抗模型不确定性(模型误差带来得鲁棒稳定性)能力低。动态规划法(贝尔曼最优性原理)针对的典型问题是多级决策动态寻优的线性离散二次型性能指标最优控制问题。这种方法能有效地解决离散的甚至是非线性的较为复杂的二次型代价函数问题,但它有一个基本的假设即系统状态x(t)或x(k)在传递过程中应满足最优性原理。对于离散系统状态x(k), 1)任何一个决策过程的最优策略u(k), (k=0,1,2,N)的子策略u(k), (k=j, j+1,N)都是相应的子过程的最优子策略,现在和将来的策略u(k)不影响过去的策略u(i)(0ik)、也不影响过去的状态x(i)(0ik)与目标minuJ(x, i)(0ik); 2)整个决策过程应当存在状态反馈控制,系统状态x(k)不管是直接的还是重构的都应当是可决策的即可控u(k)。在逆推控制策略u(k)的过程中会因系统阶数的增加而产生/维数灾0问题。对于连续系统状态x(t)通常只能建立哈密顿)雅可比方程(Hamilton-Jacobi E-quation)来求解最优控制策略u(t),这一方程的建立要求任意时刻的最优性能指标minuJ(x(t), t), (tottt)存在并连续,而且对x和t至少有一阶偏导数。最优控制中较多使用的是基于LQG算法的最优控制,有人以减少内燃机轴系扭振能量为优化目标,利用LQG二次型全局最优控制理论对MAN-K6SZ70/150C型柴油机曲轴扭振进行动态控制得到如下结论: 大型轴系不仅扭振能量大,而且激励具有随机性;当扭振简谐激励力(实验中采用)的频率与轴系固有频率相同时,不加动态控制,整个轴系的扭振随时间的增加急剧增大;而采用扭振动态控制后,使整个轴系的扭振得到有效地抑制并且维持在一个稳定的水平;而且,运用二次型全局最优控制理论抑制大型轴系扭振所需的控制力矩较小。另有将内燃机轴系振动视作线性定常系统采用频率观测器的简单最优控制,这种控制方法在实验室中取得很好的效果。然而,能运用最优控制的系统应当具有严格的数学抽象,这种抽象不涉及随机干扰问题(平滑、滤波与预测问题),不考虑系统的不确定性问题(控制系统鲁棒性问题),可这两大问题却又客观存在,而且实际的内燃机系统在运行中不可能带上庞大的计算机控制系统,因此,真正要设计工程实际中可行的控制系统是相当困难的,这种理论运用起来貌似简单,实则复杂,因而对于高速高精度的伺服系统而言,目前采用较为有限,研究也不多。3 自适应控制理论与内燃机振动主动控制 一般控制系统(特别是基于状态空间模型的最优控制系统)都是根据被控对象严格的数学模型来综合控制的,然而某些被控系统的特性常常随工况变化和环境变化而变化,使按原来抽象出的数学模型设计的控制系统的运行性能不能满足预定要求。对于这一类特性经常发生事先难以确定的或随机变化的被控对象如何设计满意的控制系统,便是自适应控制所要解决的问题。也就是说,自适应控制针对的是随机干扰问题和环境变化问题。 自适应控制的思路是控制系统在运行过程中自身不断地认识被控对象的状态、参数或性能,并根据预定的性能指标做出决策,自动适时调节控制的参数、控制器的结构借以改变控制作用,使控制系统在某种意义下达到最优(或次优)或运行于最佳状态。 另外,在自适应控制领域,十余年来,非线性系统的研究一直是一个热点,取得了不少理论成果。近代的自适应控制能够抑制各种非线性的不良影响,提高系统的鲁棒性,在系统参数时变情况下仍能获得最优控制,所以成为解决非线性控制系统的有效方法之一。广义最小方差控制是自校正控制的基本方法之一,克服了最小方差控制的一些固有缺陷,在性能指标中引入了对控制的加权项,从而限制了控制作用过大的增长,只要适当选择性能指标中各加权多项式,便可使非逆稳系统稳定,但在实际应用中,权值的选择仍有一定困难,如何进一步改进最小方差控制的动态性能,仍是没有彻底解决的问题。一种具有模型参考的广义最小方差鲁棒自校正控制算法,同时兼有模型参考与自校正控制的双重优点,具有良好的动态性能和控制精度,采用基于奇异值分解算法和死区修正算法构成的鲁棒最小二乘估计器,改进加权因子选择方法,使控制系统具有较强的鲁棒性。通过大功率伺服系统实验研究表明,对具有大间隙、摩擦、饱和、弹性、死区、滞后等固有非线性特性的本质非线性系统,由该算法构成的控制系统具有良好的动态特性、高的控制精度和较强的鲁棒性,可以广泛应用于动态控制中要求高精度、快响应系统中。然而,由反馈控制机制与不确定性之间的关系表明,反馈机制能力临界值小于3,不能有效解决模型不确定性问题,而对于复杂的内燃机振动系统,模型不确定性因素又很多,不能不考虑。那么直接运用鲁棒性较好的控制理论自然成为其研究的方向。4 鲁棒控制理论与内燃机振动主动控制 内燃机振动与噪声主动控制领域控制理论的发展方向是鲁棒性控制理论在振噪系统动态控制中的应用途径,包括理论分析、系统设计与仿真,而且主要是研究与鲁棒性控制。另外神经网络理论、模糊控制理论等在内燃机振动噪声动态控制方面应当具有较高的可行性,但成本较高。鲁棒性控制使用的系统建模方式与控制性能指标是最优控制理论中最优问题构成条件的衍生,鲁棒性控制中的两大问题之一即干扰抑制问题是自适应控制理论中的工况、环境自适应性的延续。虽然现代控制方法可以将经典控制方法推广到线性定常多变量系统,方法易于被人们理解,也便于在工程上实现。但如同经典方法一样,也需要在稳态误差、瞬态响应、稳定裕度、极点配置和频域性能等多种性能指标间作折衷,在设计过程中也需多次试凑迭代。比如,极点配置设计方法对多变量控制系统的设计而言能任意配置闭环极点设计多种控制器,但却难以直接支配稳定裕度;LQ最优控制方法是一种很好的多变量控制的系统综合方法,它可以部分解决极点配置设计方法存在的问题,可以得到唯一控制器,而且稳定裕度也很好,然而由于通常难以直接测到所有状态, LQ方法的状态反馈也就无法实现;LQG方法利用卡尔曼滤波器解决了状态估计问题,但对模型不确定性却十分敏感,可能在实际应用中失去稳定性;另外,需要系统的精确数学模型是最优控制理论的一个弱点,强调最优性而对模型不确定性问题无能为力,这也是最优控制方法在工程上难以应用的一个原因。 20世纪70年代后期,针对模型不确定性的鲁棒控制问题研究得到重视,尤其是针对传递函数矩阵模型,得到了矩阵的结构奇异值(Structured SingularVa-lue)条件,如1981年Zames最先提出传递函数矩阵的H范数作为指标。但是鲁棒稳定性的奇异值分析并没有提供综合控制器的方法。H控制理论在这样的背景下产生的,它实际上是取H最优鲁棒性能指标的多变量线性系统频域最优控制理论,它给出了控制系统的一种崭新的综合方法,即基于H最优指标的系统化设计方法。H控制具有较高的鲁棒性,适合对多变量复杂控制系统设计,其主要长处在于: 1) H控制方法既便于处理被控系统模型具有不确定性时的鲁棒控制问题,又能在干扰频谱不确定情况下设计出满意的控制系统。 2) H控制方法可以将各种典型控制问题,诸如混合灵敏度、干扰抑制、鲁棒稳定、跟踪问题、模型匹配问题等都归结为一种标准H控制问题格式,从而在这一框架下得到一种系统设计方法。 3) H控制方法既有基于经典方法所用的传递函数模型的,也有基于利用状态空间法的计算辅助直接状态空间分析设计的,比基于系统严格数学模型的LQG的最优控制方法应用范围广。 4) H控制方法是考虑基于现代控制理论的数学模型与工程实际应用对象之间误差后的一种有效的智能控制方法。正是由于这些长处,鲁棒性较好的控制理论当之无愧是内燃机振动与噪声主动控制领域研究发展方向。5 结束语 智能控制理论分析处理复杂的非线性系统是有效的,从理论上讲处理复杂的内燃机振动系统的主动控制问题应当是可行的。采用智能控制理论方法,对复杂的内燃机振动系统的振动进行预测和控制,利用现代动力学方法分析内燃机振动的机理与规律,在此基础上应用现代非线性、分岔与混沌力学理论以及转子动力学理论研究振动形成吸引子的性质,进而应用现代智能理论特别是鲁棒性控制理论与技术研究一类智能控制规律抑制振动,并根据所获得的特征变量的信息进行实时智能控制,以避免振动失稳,抑制导致失稳的发散性振荡,加快收敛性振荡的收敛速度。所以,应用基于非线性科学的智能控制理论(特别是鲁棒性较好的控制理论)对内燃机振动系统进行预测和控制,是内燃机的振动动态控制研究发展的方向。 一般而言,在车用小型内燃机中我们并不希望多带一套复杂的附加系统(由控制子系统、采集变送子系统与执行子系统组成),所以,大型船用柴油机、工程车用柴油机上进行主动控制的应用研究是该课题的切入点。也正因为中小型内燃机中主动控制振动应用不多,使得成熟的现代控制理论难以在内燃机振动主动控制领域得到实际的运用。然而,现代控制理论随着它自身应用范围的扩大,也随着超大规模集成电路技术(比如目前美国MAXIM公司能将一整台IN-TEL386配置的板子集成在一只芯片中)、新型材料技术和内燃机现代设计技术(尤其是利用专业软件做仿真设计的技术)的发展,采用相应的传感技术和执行器技术(如压电晶片、磁致伸缩执行器等能减小执行空间的新型执行器件),将内燃机振动主动控制单元集成为内燃机的一套独立的振动主动电控单元或者集成在现有的发动机管理系统中,在克服主动控制系统的实