（动力机械及工程专业论文）机械式动力消振器控制系统的设计与实现.pdf

哈尔滨： 程大学硕七学位论文 摘要 振动主动羧铡霆当藏振动工程锾城内熬蹇掰技零，是叛动控制矮域酌 耨沿课题，研究和设计用予童动控制豹执行梳构及其控制系统是鞫前的熟 点课题。本文以船舶振动主幼控制为背景，对机械式动力消振器结构设计、 控制算法与实现等问题进行 深入的分析和研究。 本文窝述了耱照鬏动懿控秘方法及黧蠹终主动式麓力溃振器凌簸靛主 的应用，并以均质弹性两端自由梁为例，迸行振动生动控制的理论分析和 仿巢研究，并深入分析了主幼控制力的施加位置对减振效果的影响。 执行机构怒振动主动控制系统的一个重要组成部分，根据主动消振技 术弱要求，零义对滚有溃掇嚣鼢结构翔以改逶，安装了步遴电瓤，蜜现了 潲振器输出力懈值的自动控制。通过实验得出了消振器的重要特饿，即振 动频率一定时，输出力幅和输出相位互相独立，该特性对本文控制系统的 设译提供了存力的理论依攒。 根据港撮器的结构特点，本文设计了l m s 转速跟踪与基于“燮标轮换” 的在线“变步长直接搜索”棚结合的自罨优控制算法，采用m a t l a b 编程对 算法进行了仿嶷研究，结果寝明：该算法实现了频率的在线快速躐踪，取 褥了缀好懿减强效豢，量冀法毂敛经好。 根据船舶络构的特点，选择以吉普率底盘为被控对象，搭建藏动消振 实验台架，进行了振动主动接制实验。控制算法采用_ r m s 3 2 0 v c 3 3 汇编语言 缡霹，v c 3 3 一d s p 硬件系统实现。实验终巢表骧，采用改进的机械式动力瀵 掇器及耱瘦控捌算法进行搬动主动控麓弼戳褥到蠹努朗减蔽效栗，这失撬 械式动力消振器在船舶振动廉动控制的威用提供了重瓣的指导意义。 荚键凌：艇耱裁动；振动主动控裁；瓠城式动力溃羰器；l m s 算法；垂寻 傀髯法 堕尘堡! ；矍叁兰堡兰壁堡塞 a b s t r a c t a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o li san e wt e c h n o l o g yo ft h ev i b r a t i o ne n g i n e e r i n g f i e l da n dt h ef r o n tp r o j e c to ft h ev i b r a t i o nc o n t r o lf i e l dc u r r e n t l y s t u d y i n ga n d d e s i g n i n gt h en e wd y n a m i cd a m p e ra n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mu s e di na c t i v e v i b r a t i o nc o n t r o li st h eh o tt o p i ca tp r e s e n t i nt h ep a p e r , s o m ea s p e c t sb a s e do n t h ea c t i v ec o n t r o lo fs h i pv i b r a t i o n ，s u c ha st h es t r u c t u r ed e s i g no ft h e m e c h a n i c a ld y n a m i cd a m p c o n t r o la l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o n , e t c , a r e t h o r o u g h l ya n a l y z e da n di n v e s t i g a t e d i nt h ep a p e r , t h ec o n t r o lm e t h o d so fs h i pv i b r a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f t h em e c h a n i c a ld y n a m i cd a m p e ro ns h i p sa r er e v i e w e d t h er e l a t i o no ft h e a p p l i e dp o s i t i o no ft h es e c o n d a r yf o r c ea n dt h ee n e r g yl e v e lo ft h ev i b r a t i o ni s t h o r o u g h l ya n a l y z e df o rs h i ps t r u c t u r ea sab e a mw i t hf r e ee n d s t h ed y n a m i cd a m p e ri sa ni m p o r t a n te l e m e n to ft h ea c t i v ev i b r a t i o n c o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n g1 0t h ed e m a n do fv i b r a t i o na c t i v ee l i m i n a t i n g t e c h n o l o g y , t h eo l dd y n a m i cd a m p e r 8s t f l l c t u r ei si m p r o v e db yi n s t a l l i n ga e l e c t r o m o t o ro fs t e pi ns t e p ，w h i c hr e a l i z e st h ea u t oc o n t r o lo ft h ef o r c e a m p l i t u d e t h ei m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i co ft h ea c t u a t o ri s g o tt h r o u g h e x p e r i m e n t s ，w h i c hi st h a ta m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h ed y n a m i cd a m p e ra r e i n d e p e n d e n te a c ho t h e rw h e nt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo f t h ed y n a m i cd a m p e ri s ac o n s t a n t t h i sc h a r a c t e r i s t i cp r o v i d e dt h ei m p o r t a n tt h e o r yb a s i sf o rt h e d e s i g no fc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a t i s t i c so fs h i p ss t r u c t u r e ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mw i t h t h ec o m b i n a t i o no fl m sa n ds e l f - o p t i m i z i n gi s d e s i g n e d ，a n di s e m u l a t e d t h r o u g hc o m p l i i n gm a t l a bp r o g r a m m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c y s t r a c k i n go n l i n ei sr e a l i z e dw e l l ，t h eg o o de l i m i n a t i n gv i b r a t i o ni m p a c ti sg o t , a n dt h ea l g o r i t h m sa s t r i n g e n c yi sv e r yg o o d t h ej e e pc h a s s i si ss e l e c t e da st h ec o n t r o l l e do b j e c ta c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fs h i p s t h ee x p e r i m e n t so ft h ea c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o la r e 哈尔滨一i ：程丈学硕十学位论文 c a r r i e do u t 1 1 1 ec o n t r o la l g o r i t h mi sp r o g r a m m e db yt h ea s s e m b l el a n g u a g eo f t m s 3 2 0 v c 3 3 a n dr e a l i z e db yt h eh a r d w a r eo fv c 3 3 - d s et h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eg o o dv i b r a t i o ne f f e c t si s g o tt h r o u g ha p p l y i n gt h e i m p r o v e dm e c h a n i c a ld y n a m i cd a m p e ra n d t h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l a l g o r i t h m ，w h i c hp r o v i d e dt h ei m p o r t a n ti n s m m t i o n a ls i g n i f i c a n c ef o rt h e a p p l i c a t i o no f t h em e c h a n i c a ld y n a m i cd a m p e ro ns h i p s k e yw o r d s ：s h i pv i b r a t i o n ；a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l ；m e c h a n i c a ld y n a m i c d a m p e r ；, l m sc o n t r o la l g o r i t h m ；s e l f - o p t i m i z i n gc o n t r o la l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： ；长丹 日期：硼年多月2 日 堕笙蓬! 堡盔堂堡羔堂笪堡奎 ， 雩l 言 第1 章绪论 控制理论在振动工程的应用领域提出了结构控制的概念l 。对结构的 叛动遘露控灏戆主要嚣弱褒乎使结构按鬏麓蕊获态逡行王镑，帮缓绥梅摄 动降低驭符合菜一标准或消除振动。放怒否需要外界掇供能量满慰控制， 搬动控制可分为被动控制和患动控制两种方式，被动控制是一种无源控制， 通常将阻尼嚣囊身的固有频摩设定于被动控制对象所感兴趣的控制频率范 鬻，获瑟接褥受羟对象錾愁瓣翅，簿低簸动薅痤；芰渤控翻是基予一定茨 按制策略，根攒结构系统的反馈信息，邋过外界的能摄输入对结构系统簏 加一定的控制力。在主动控制中，控制系统与结构系统本身构成一个统一 斡系统，逶遗改变结稳系统瓣动态特往，遁当选择羧溅系统的参数，4 簸蠢 霄效遣藏小结构的振动。虽然振动被动羧铡有荔予实现、成本低秘维构简 单等特点，但缺乏灵活性，对突发性或易变的环境避廒能力差，张许多场 含下减振效果麓。而振动主动控制由于具有能够抑制突加干扰的良好效果、 逡疲佳强等潜嶷瓣撬邈毪，燕动整裁终必缝携控鞠黪一耱鸯效方法惩餐裂 广泛的重视和采用。 振动主动控制【2 】是当前振动工程领域内的高新技术，是振动撩制领域 舱麓沿课题，怒机械振动理论、动力学、自动控制理论、计算机技术与材 辩褥学等诸多掌搴季静综合。一般瑟言，象动控麓方法蜀菝势隽模淼空蠲控 制法、极点配鬻法、最优擦制法、自适腹控制、鲁棒擦制、智能控制等， 各种方法之间并非完全互斥，在实际应用中更是结台窟际控制对敷，采用 溅会控剿技术脚。 虽然控制理论已非常成熬并在诸多镟域广泛应粥，振动主动控铷技术 在航天航空m 嘲、土木建筑1 1 ，车辆工程i s | 9 1 ，机械工程t l o k i t 等领域有深入成 功的发展，甚至在船舶中宝幼控制亦有棚当的发展 f = 竺! 筹矿( 功g ( 功( 2 - 2 2 ) 式中：矿是向量g 的共轭转置。 模型振幅向量g = 吼+ 觋，b 是模型耦合系数矩阵。上式写成标准的 共轭二次型为： ( 荆x = 等q h ( 咖( 功= 等( q 1 8 吼w 觋+ 正怡”仍+ b b l ) ( 2 屯3 ) n e l s o n e l l i o t t 将标准二次型写成，= c + b ”x + ，6 + 矿a x 3 ，1 式中c = 矿吼，b = b 8 9 l ，a = b ”b ，工= z 当工= 卅一b ，- ，有最小值 即：z = 1 口”曰】_ i b ”g l 时，时间平均动能最小。 当只有单个次级点力正作用时，模态振型向量可以写成： 1 9 哈尔滨f 程大学硕士学位论文 q = 吼十吼= i 二 + 医： = 主： + 煎! 兰! 埘( 彳( 1 + 力) 一矿) j 杰! 兰! 脚( 露( 1 + 刃) 一矿) 五 ( 2 - 2 4 ) 则动能最小的控制力为： 五= 1 曰8 b r l 口”吼 ( 2 2 5 ) 如果得到次级力的最优振幅和相位，由初级力和次级力同时作用的梁 的时问平均动能将达最小。 2 3 4 单点力控制的数值仿真 一根长2 m ，宽0 1 m ，厚0 0 2 m ，横截面为规则矩形，阻尼比( r = o 1 ) 为0 1 的细长梁，中点作用一简谐变化初级点力。下面分别讨论控制力作 用在中点附近和端点处的最优控制效果。 图2 7 为在中点附近施加控制力的示意图。 22 图2 7 控制力旋加在中点附近的力示意图 为了使梁在每个频率下的时间平均动能最小，用2 3 3 节的最优理论 计算得到两个点力作用下的梁的总的时间平均动能。用y a t l a b 编程计算得 到如图2 8 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示的结果图，其中( a ) 为最优控制力正与初级力 的幅值之比随的变化关系，( b ) 为二者相位差随的变化关系，( c ) 为控前控后的动能图。 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 一t i：a - 古= y 。- + + 上 王披 - - j 跨 1 v 。 ： ： - ： 一t 图2 8 ( a ) 各频率下的最优控制力与初级力的幅值之比 图2 8 ( b ) 各频率下的最优控制力与初级力的相位之差 从图2 8 ( a ) 、( b ) 可以看出，在每个频率下都存在最优控制力，但控 制力大小不同；在低频段，最优控制力幅和最优相位几乎不变，随着扰频 的增大，控制力幅和频率都有很大的变化。这是由于在低频段，总动能主 要是平动刚体模态引起的，而平动刚体模态是个常数，所以控制力幅和相 位在低频段几乎不变；在中高频段，总动能主要以势能的形式表现，势能 2 1 堕笙堡! 壁查兰堡兰笪丝兰 随着频率的不同变化很大，从而使得最优控制力幅和最优相位变化很大。 粪j三重蓁雾蓁蓁雾茎鬟霎|雾蓁|，矿匿羔熏i 蒸纛i 薹熏熏薰甄囊嚣薹 图2 8 ( c ) 控制力作用在中点附近的控前控后效果图 在图2 8 ( c ) 中：施加最优控制力后，粱的振动能量得到了有效的控制， 每个扰频下的总动能都减小了。当初级力作用在中点时，只能激起奇数阶 模态，这是因为偶数阶模态振型的一个节点正好在中点，因此偶数阶模态 无法激起；而当旌加作用点在中点附近的次级力进行控制后，奇数阶模态 振动得到了很好的控制，由