（固体力学专业论文）人体座椅船体水波耦合系统振动主动控制及动态特性分析.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着快艇的大型化、高速化和船体的柔性化，船体和水波之间剧烈的耦合 作用将会导致人体一座椅一船体一水波耦合系统中人体的竖向振动显著增大。 单纯采用被动隔振已经不能满足人们对乘坐舒适性的要求，因此，利用主动控 制抑制振动响应成为一种发展趋势。采取振动主动控制方法能够提高运输工具 运行的平顺性和舒适性，并且取得了一定的成果。但是，目前将人体一座椅一 船体一水波相互作用系统作为一个整体来研究的还不多见，涉及快艇悬挂座椅 振动主动控制的研究几乎没有。本文将该耦合系统简化为这样一个物理模型： 正玄水波、一根漂浮在水面两端自由且质量及剖面惯性矩沿船长不变化的等截 面薄壁梁和双自由度簧上质量三者的耦合体。本文分析了快船航行过程中耦合 系统在受到正玄波浪作用的动力响应。提出以人体加速度、速度和动挠度为目 标函数的主动控制策略，应用经典线性最优控制理论，分析其可行性和有效性。 以上分析中主要以人体加速度响应作为基本评价参数，并运用m a t l a b 数值计 算语言编制了源程序分析计算。重点比较分析了主被动综合控制和被动控制之 间以及不同控制策略之间的差异，揭示了耦合系统的振动实质，全面分析了各 种参数变化对于控制系统的影响。本文的研究对于人体一座椅一船体一水波耦 合系统的理论及其主被动综合控制具有一定的理论价值。 关键词：耦合系统主动控制经典线性最优控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g h - v e l o c i t yo f p a t r o lb o a ta n df l e x i b i l i t yo f b o a t ， c o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nb o a ta n dw a v e sw i l lc a u s es i g n i f i e a n ta m p l i f i c a t i o no f t h e h u m a nb o d y - s e a t - b o a t - w a t e rs y s t e mv i b r a t i o n a tt h es r m et i m e ，t h ep a s s i v e v i b r a t i o nc o n t r o li sn o ts a t i s f i e da n di th a sb e c o m eat e n d e n c yt or e d u c ev i b r a t i o n t h r o u g ha c t i v ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，w es i m p l i f yt h ec o u p l i n gs y s t e ma st h ek i n d s y s t e mo f s i n ew a v e s ，a ne l a s t i cb e a mf l o a t i n go nt h es e as u r f a c ea n das p r u n g m a s sw i t h2d e g r e e so ff r e e d o ma n da n a l y z ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e m b a s e do na c c e l e r a t i o n ，v e l o c i t yo rd i s p l a c e m e n tm i n i m i z a t i o np r i n c i p a l ，f i n d o p t i m a lc o n t r o lg a i n sf o rt h i sc o m p l e xc o u p l e df l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ns y s t e m a na c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nc l a s s i c a ll i n e a ro p t i m a lc o n t r o lt h e o r yi s p r o v i d e d ，f e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f w h i c h a r es t u d i e d s o u r c ep r o g r a m si n m a t l a ba l ec o d e da n do p e r a t e do nt h ec o m p u t e rt od e m o n s t r a t ec o n t r o lr e s u l t s c o m p a r eo p t i m a lc o n t r o lr e s u l t sw i t hp a s s i v es e a tc o n t r o l ( i s o l a t i o n ) s y s t e ma n d c o m p a r ea c c e l e r a t i o nb a s e do p t i m a lc o n t r o la p p r o a c hw i t ho t h e rc o n t r o lm e t h o d i n f l u e n c eo ft h ec o n t r o lp a r a m e t e r sv a r i a n c e so nt h es y s t e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l t h i ss t u d yh a sa ni m p o r t a n tv a l u eo nc o u p l i n ga n a l y s i st h e o r ya n da c t i v e - p a s s i v e v i b r a t i o nc o n t r o lo f t h eh u m a nb o d y - s e a t - b o a t - w a t e rs y s t e m s k e yw o r d s ：c o u p l i n g ，a c t i v ec o n t r o l ，c l a s s i c a ll i n e a ro p t i m a lc o n t r o l n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：亟l 塾日期：盈堕：主：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立l 虱导师签名：堡全塑蠢日期：丝堑! 垫 山东大学硕士学住论文 第一章绪论 1 1 工程背景 快艇在海上高速航行过程中，由于受到波浪及其他外力的作用必然会产生 剧烈的振动响应。虽然这种振动不至于产生任何有害的影响，但是，如果使得 快艇的驾驶员长时间承受低频( 2 8 胁) 【1 】高强度的乘坐振动，会引发脊椎畸变 和胃病等职业性疾病，严重损害驾驶员的身心健康，大大降低工作效率。振动 主要源于波浪的激励，快艇本身运转质量的不平衡或者各种作业载荷的波动也 会引起快艇的振动。由于工作任务和使用条件的特点，快艇大都采用刚性悬架 结构。因此研究座椅悬架系统，采取切实可行的技术措施隔离由于水波激励引 起的通过船体和座椅传递到人体的振动，是改善快艇乘座舒适性的一个重要实 际课题。快艇座椅悬架系统的设计，对驾驶员的乘座舒适性和操纵稳定性有着 重大影响。快艇的实际工作条件是随机变化的，而传统的被动悬架的特性是不 可变的，设计中悬架参数的最终确定只能是基于对各种相互冲突的设计要求的 综合考虑；而主动悬架则可以根据设计者所希望的目标及预定的控制策略，通过 作动器来改变悬架的特性，使驾驶员获得最舒适的工作状态。 1 2 船舶隔振技术的发展及研究现状 1 9 世纪以前，借助经验建造了木质船舶。牛顿力学问世以后，又过了1 0 0 多年，船舶技术逐渐步入了以力学为基础的“理性”发展阶段。1 9 世纪上半叶， 由于蒸汽动力取代了风帆，船舶在艏斜浪和横浪中航行的能力大为增强，改善 动力性能的需求促使了1 8 6 1 年f r o u d e 船舶横摇运动理论的诞生。随着马力的 增大和迎浪航速需求的提高，1 8 9 6 年k r y l o v 的船舶纵摇升沉理论也应运而生。 1 9 世纪中期，铁质军船纷纷出现。到2 0 实际初，钢质船普遍获得使用，促使 了船舶结构力学的同期发展。船舶类型的每一步更新和发展，都包含着在船舶 力学领域中认识与把握随机、复杂、险恶的环境载荷，减小阻力，改进航海性 能，保证船体安全可靠等方面的科学与技术的进步。 船舶作为一个漂浮在海上的全自由弹性体，其机械物理环境复杂多变，在 航行时会受到来源于主机、螺旋桨、海浪等各种周期或非周期的干扰，有的会 山东大学硕士学位论文 引发船体剧烈振动，作为船舶上的设备和乘客同样会受到诸如振动、冲击、摇 摆、离心加速度、颠振等形式的机械力。其中对设备结构和乘客等船载物危害 较大的是振动和冲击。它将造成两种破坏形式： 1 船载物在某一激振频率作用下产生共振，最后因振动加速度超过船载物 的极限加速度而崩溃，或者因冲击所产生的冲击力超过船载物的强度极限而破 坏。 2 振动速度或冲击力引起的应力虽远低于材料在静载荷的强度，但因长期 振动或多次冲击会使设备疲劳损坏，使乘客恼怒。有鉴于此，对船舶进行抗振 动冲击设计是必不可少的重要环节。对保证设备在恶劣的机械物理环境下稳定 可靠的工作及对保证乘客安全舒适的乘坐具有重要意义。 在设计上除采用比较成熟的抗恶劣环境计算机技术以及提高整个结构的强 度和刚度外，对船载物本身进行隔振缓冲设计是完全必要的。目前实际工程上 普遍采用的方法是，对设备的结构薄弱环节进行加固设计，而对乘客的乘坐则 采用被动隔振加以保护。 1 9 0 2 年，德国的f r a h m 在大型邮船上安装防摇水箱，大概是生产实际中使 用最早的动力减振器的雏型。他在主振系上加一个辅助质量，用弹簧与主质量 相联，当主系统振动时，这个附加的系统也随之振动，利用辅助质量的动力作 用，使加到主振系上的动力( 或力矩) 与激振力( 或力矩) 的方向相反，来抵消作用 在主系统上的力( 或力矩) ，从而达到抑制主系统振动的目的。这种无阻尼动力 减振器只在扰动频率几乎为常数的情况下才有用，如用在直接耦合于同步电机 或发动机的一切机械中。但在汽车、航空用的变速内燃机中，这种装置却毫无 用处。这仅仅用一个具有两个共振速率的另一系统来代替具有一个共振速率的 原系统。随着减振隔振技术的不断发展，船舶工程应用被动或主动吸振技术改 善和控制船舶振动已积累了丰富的经验。有关的控制技术，包括单、双层和浮 筏隔振系统，以及减振隔声元件和阻尼材料的应用技术已经成熟。 船舶在其使用寿命中绝大部分时间是在波浪汹涌的海浪中运行，而不是静 止于风平浪静的港湾之中。因此，研究船舶在波浪中的振动问题对于指导船舶 的设计与营运有着重要的理论与实践价值。为了降低船舶的舱室噪声和水下辐 射噪声，通常需要对船舶的主辅机采用弹性安装或进行隔振设计。对于声学性 2 山东大学硕士学位论文 能要求较高的某些特种船舶，则需采用双层隔振或浮筏隔振系统，以最大限度 地隔离机械设备的振动沿基础向船体的传递，从而抑制噪声的生成与传播。而 为了保证乘客乘坐舒适性就要使来自外界的振动和冲击尽可能少的传递到座 椅。对于座椅系统进行设计是为了避开或抑制系统共振，振动隔离的措施可分 为被动隔振和主动隔振，两者虽概念不同，但实施的方法却一样，都是在振源 和座椅之间设置隔离介质，以减小或吸收振动的传递。目前，大部分座椅隔振 都是采用被动隔振，但随着人对乘坐舒适性的要求越来越高，被动隔振已经不 能满足需要，采用主动控制技术减小振动响应越来越受到重视。 现在，关于座椅主动控制的研究主要集中在汽车领域，如主动悬架技术。 相对而言，涉及船舶座椅的研究起步较晚，成果也比较少，海浪是引起船体结 构振动重要因素之一。本文将以人一座椅一船体一水波耦合系统横向振动的主 动最优控制为主要内容进行研究，同时研究船体在外力动力荷载作用下的共振 情况。把人一座椅一船体一水波作为耦合系来研究统振动问题的特点在于，不 仅要防止船体发生共振，而且要尽可能避免船上的人和座椅在外扰力的作用下 发生共振。 1 3 课题设想 1 3 1 课题的提出 本课题是导师在英国所作研究课题的一部分，随着经济和科技的发展，运 输工具向高速化方向发展。但是，高速化的运输工具当受到外界的干扰时会产 生剧烈的动力反应。从而使驾驶员不能正常工作，并且较大程度上降低了运输 工具运行的平顺性和安全性以及乘客乘坐的舒适性。更为严重的是，人若长时 间处于振动剧烈的环境中，人的整个肌体都会受到损害。强度很高的振动能使 布料和坚硬的物体毁坏，而中等强度的振动则能破坏人体的新陈代谢，使人易 于激怒而损害健康，如果振动频率为6 8 赫兹，则人体将产生共振，对人极为 有害。因此，我们有必要减少和控制这种振动传递到人的身体。采取振动主动 控制方法能够提高运输工具运行的平顺性和舒适性，并且取得了一定的成果。 但是，目前将人体一座椅一船体一水波相互作用系统作为一个整体来研究的还 不多见，涉及快艇悬挂座椅振动主动控制的研究几乎没有。因此，本文提出课 山东大学硕士学位论文 题一“人体一座椅一船体一水波耦合系统振动主动控制及动态特性分析”将是 对系统振动分析领域的新尝试，也是对振动主动控制理论的迸一步丰富。 1 3 2 课题的研究内容 课题结合国内外最新研究动态，以理论分析和仿真验证为主，根据数学模 型写出状态方程，以加速度、速度及位移等传统参量作为目标函数计算得出耦 合系统的优化控制率。利用m a t l a b 仿真程序验证控制效果( 系统仿真能比较不 同结构或同一结构不同参数悬挂系统的性能指标、动态特性、频率特性，从而 设计出具有良好性能的悬挂系统的参数。仿真使得系统设计在效率、可靠性、 准确性方面得以提高。不断改变参数，施加各种振源，通过比较就能确定系统 的最终结构) 。对比主动控制( 优化控制) 与被动控制( 隔振) 两种方法、不 同目标函数和不同控制策略条件下产生的效果。 4 山东大学硕士学位论文 第二章振动控制理论 2 1 引言 一切具有弹性和质量的物体都能产生振动，质量是物体固有的，而其弹性 则是由于物体各部份相对运动所引起的。1 9 世纪末，发动机和工作机的速度不 断上升，在蒸汽机以后又出现了内燃机，不久又创造出汽车、飞机，随着高速 机器速度的提高，临界速度也随之增多，共振的可能性也就越来越大。特别是 近期，随着科学技术的迅猛发展，人们使用机器设备功率日益增大，转速加快， 重量不断减轻，刚度相对减小，精度要求越来越高，振动问题也就日益突出起 来，它不仅影响机器设备的使用寿命，仪表器械的使用性能，操作人员的正常 工作，还影响到舰船、飞机、航天器的生命力。因此如何有效地预防和控制振 动成了工程技术中的一个重要问题。 2 2 结构振动控制 2 2 1 概念 振动控制是在工程结构特定部位装设某种装置( 如隔振垫) 或某种机构( 如 消能器) 或某种子结构( 如调谐质量) 或施加外力( 外部能量输入) ，以改变或调整 结构动力参数( 质量、刚度、阻尼) ，调整结构动力特性( 自振周期) 使工程结构在 外荷载、地震或风作用下的动力反应( 位移、速度、加速度、功率流等) 得到合 理控制，确保结构本身及结构中人、仪器设备、装修等的安全和处于正常的使 用环境状况的结构体系。 2 2 2 结构振动控制技术的提出和发展现状 2 0 世纪初叶，起因于解决内燃机的振动问题，开始较系统地对结构振动进 行了研究。二战后，随着军事工业，民用工业与空间技术发展的需求，结构控 制的研究在理论和应用方面也取得了迅速发特别是近年来，在结构大型化、柔 性化、智能化、高精度控制等方面取得了长足发展。在民用工业，如土木工程 中，随着材料强度的提高和施工技术的进步，工程结构的尺寸越来越大，如超 高层建筑、大跨度桥梁等，结构刚度显著降低，舒适性和抗震性随之恶化1 2 1 。 目前，土木结构控制，包括结构的安全，使用寿命和人的舒适等，在世界范围 山东大学硕士学位论文 内已成为最需优先考虑的重大问题之一。 在空间技术领域，为了完成多样化的任务，现代航天器通常带有一系列大 型柔性附件，如太阳能帆板、空间天线和空间望远镜等；同时对控制精度要求也 更高忽略弹性附件振动的刚体模型及半刚体模型已不能满足实际工程的要求 大型空间结构的柔性附件运动己成为系统动力学和控制中的一个突出问题。在 军事工业方面，一些新型武器系统要求高精度的稳定平台。而实战中武器系统 往往要工作于复杂的环境中，环境中各种振源都会导致武器平台产生振动，从 而影响整个武器系统的跟踪、瞄准和发射精度。因此平台系统要有很强的隔振 能力，才能满足一些现代武器作战时间短、空域宽、要重复发射等要求随着结 构控制应用的发展，传统结构控制机理与技术在一些工程实际问题中已不能满 足要求。8 0 代以来，智能结构( i n t e l l i g e n ts t r u c t u r e s 或s m a r ts t r u c t u r e s ) 得到了广 泛关注探索新的智能化结构控制机理与技术成为一个研究热点。智能结构的出 现与智能材料的发展密切相关，智能结构控制系统中传感与执行器件通常为某 种智能材料( i n t e l l i g e n tm a t e r i a l s m a r tm a t e r i a lf u n c t i o n a lm a t e r i a l ) ，如压电陶瓷 【3 1 、形状记忆合金【4 】、电磁流变材料5 1 、电磁致伸缩材料【6 7 1 等。将智能材料应 用于结构控制中，为许多采用常规材料难以解决的结构控制问题开拓了一条新 的解决途径，但智能材料往往具有强非线性与分布参数的特点，使得智能结构 的控制问题成为一类挑战性问题。 在土木工程领域，对于高层建筑及大跨度桥梁等，为保证结构完整性与其 他要求( 如建筑中人的舒适性等) ，都要对随机性外载( 如风、地震等) 引起的响应 进行控制。近年来研制的主动式有阻尼动力吸振器取得了很好的减振效果。由 于巨型土木工程振动控制系统大都属于时滞的非定常线性系统，需用实时辨识 技术进行在线建模，因此土木工程结构振动自适应控制技术尚需深入研究和探 讨。 在机械工程领域，对于精密、超精密机床以及精密测量仪器和电子加工设 备等，由于对振动的要求极为严格，单纯的被动隔振己不能满足要求，必须采 用主动振动控制技术。随着机器人及各种操作手向高速、精密、重载、轻量化 方向发展，柔性机械臂的振动控制日益受到重视，已成为机器人学研究领域的 另一热点。转子的振动控制一直是机械工程领域较重要的研究领域，近几年主 6 山东大学硕士学住论文 要集中在利用新型作动材料来改善对等于振动控制效果上，出现许多成功范例。 此外，利用主动控制技术减轻高速传送带的横向振动、预报控制金属切削颤动、 抑制线切割机的走丝振动以及抑制往复式内燃机振动等，都已取得了定成绩。 ，在交通运输工程领域内，为改善乘坐品质，人们在车辆主动隔振、半主动 隔振方面做了大量的理论与研究工作8 一m1 1 1 。 结构振动控制技术处于当代工程结构发展的前沿领域，其发展应用要求建 立一套新的理论，新的设计计算和技术方法，形成一套新的体系，已成为土木 工程、地震工程、材料工程、计算机技术、控制工程等学科的交叉点，导致了 一结构耐振技术的一场革命。f 1 2 l 鼻l 一一_ 一一一 2 3 振动控制技术的分类 ； 作为振动工程领域的一个重要分支，振动控制一般分为被动、：主动和半主一 动控制等类型。被动控制由于不需外界能源，装置结构简单，许多场合下减振 效果与可靠性较好，已经获得广泛应用。但随着科学技术的发展，以及人们对 振动环境、产品与结构振动特性越来越高的要求，被动控制已难以满足要求。 振动主动控制是指在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的 控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到 抑制或消除振动的目的【”】。由于其效果好、适应性强等潜在的优越性，正越来 越受到人们的重视。半主动控制被视为可控的被动控制，其具有主动控制的控 一 制范围宽、适应性强的特点，又具有半主动控制的可靠性，因此在振动控制中 同样获得了广泛应用。振动主动控制技术的研究始于5 0 年代末期，8 0 年代后 已经进入蓬勃发展阶段，不仅取得了丰富的理论研究成果，而且成功应用于航 天、土木以及车辆结构的振动控制等领域。 8 2 3 1 被动振动控制 被动控制技术就是采用消振、吸振、隔振、阻尼减振和动态设计与修改等 手段减小振动的传递，也取得了较为满意的效果。： ： 2 3 2 主动振动控制 主动振动控制就是有意产生可控次级力来消除多余的扰动力。主动控制在 声学中并不是个新概念，l e u g 早在1 9 3 4 年便提出了声音的主动控制论。随 7 ， i r l 查垄兰翌主兰竺堕查 后人们在这方面作了大量的研究工作，使得声音的主动控制得以飞速发展。然 而主动振动控制的研究工作却进展缓慢，因为结构特性使振动传递远比声音的 传播复杂得多近年来，随着电子技术的飞跃发展，出现了许多新型的测量仪 器，新型机敏材料的研制带动了传感器和作动器的飞速发展；计算机技术的日新 月异，带动了主动振动控制的发展。不管怎么说至少有一种主动控制在运作， 那就是装在e h l 0 1 直升机主转子齿轮箱上的隔振系统【1 6 1 ，它利用液压作动器产 生的次级力来阻碍低频振动的传递。主动振动控制还通过磁性轴承、摇动器和 压电作动器应用于机器中【1 7 】。 对机械系统附加动力吸振器是常用的振动控制措施，在增加一定重量的代 价下可有效降低系统的宽频带响应，对于受宽频带激励的复杂系统，经典动力 吸振器则有许多不足，如若激振频率缓慢变化而激发系统不同阶次的共振，通 常要用多个动力吸振器来分别吸振，这无疑大大增加了系统的重量。因此有不 少学者提出通过主动控制措施调节吸振器固有频率来跟踪系统运行中的外激频 率，显然，欲使吸振器固有频率连续变化一倍，则其刚度和阻尼需连续变化4 倍，这在实现上有一定的困难，控制所需的能量也相当大。与半主动控制装置 相比，主动控制装置能在较宽的频域内更有效地运作，但其内部稳定性差，易 溢出，耗能大。 ； 2 3 3 半主动振动控制 半主动控制就是被动地产生一个次级力，用来抵消主振系中无法控制的扰 动力，可以通过改变系统的特性，如刚度和阻尼来实现。调整阻尼法已应用于 汽车【1 8 1 ，而在某些建筑的地震响应系统中，采用刚度控制法【1 9 j 。阻尼控制法可 通过调速液压阻尼器的开口或靠电致流变流体来实现。另一种半主动控制装置 就是调谐质量阻尼器。这些方法在日本被广泛采用，他们作为地震检测控制系 统安装在高层建筑中1 2 0 】。在机器上的应用实例还较少。 通过动力吸振器自适应刚度来实现结构振动的参数控制，很多学者对基于 半主动控制的自适应动力减振器和调谐质量阻尼器作了研究。与只在某一特定 频率起作用的经典被动吸振器相比，能适应系统变化的半主动振动控制的减振 效果要好得多另一方面，半主动振动控制比全主动振动控制耗能少，对溢出 不敏感且更稳定，因为它的控制力由被动系统元件内部产生，而不必直接产生。 8 山东大学硕士学位论文 最近的研究表明具有可变刚度的半主动动力吸振器能有效地抑制瞬间振动 【2 l 】，在旋转机器起动时，吸振器刚度的变化率能显著影响系统能量，在保持总 能量的前提下，在线调整吸振器刚度变化率以减少主振系的能量，设计个模 糊控制器来平衡主振系和吸振器的能量。还有一种刚度分段线性变化的动力吸 振器1 2 2 】，这种半主动控制方案通过调节弹性元件的间隙来实现吸振器工作频率 连续跟踪外激的频率的变化，达到用很小的吸振器质量和阻尼在宽频带内消除 主系统的多个共振峰。 2 4 主动控制技术的基本方法 一一一 一一一 振动主动控制主要应用主动闭环控制，其基本思想是通过适当的系统状态 或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置 或结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。控制规律的设计几乎涉及 到控制理论的所有分支，如模态控制法、极点配置、最优控制、自适应控制、 鲁棒控制、智能控制以及遗传算法等。 1 模态控制法 将系统或结构的振动置于模态空间中考察，无限自由度系统在时间域内的 振动通常可以用低阶自由度系统在模态空间内的振动足够近似地描述，这样无 限自由度系统的振动控制可转化为在模态空间内少量几个模态的振动控制，亦 即控制模态，这种方法称为模态控制法。其中分为模态耦合控制与独立模态控 制，后者可实现对所需控制的模态进行独立的控制，不影响其它未控的模态， 具有易设计的优点，是目前模态控制中的主流方法。 2 极点配置法 极点配置法也称特征结构配置法。它是根据对被控系统动态品质的要求， 确定系统特征值与特征向量的分布，通过状态反馈或输出反馈来将系统的闭环 极点放在复平面中预定的位置，从而实现预定的要求。文献f 2 3 1 在常规极点配置 法的基础上，提出了同时优化系统极点和传感器作动器位置的联合优化设计方 法。 3 最优控制法 以现代控制理论中的状态空间理论为基础的最优控制算法，是利用极值原 9 山东大学硕士学位论文 理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解结构振动最优控制输入的一种设 计方法。它是当前振动控制中应用最为普遍的控制器设计方法。它所能解决的 主要对象是结构参数模型比较准确、激励和测量信号比较确定的系统。顾仲权 等【2 4 】将极点配置方法与最优控制方法相结合，提出了一种低阶控制器的设计方 法。 祁建城、李若新等2 5 1 在汽车主动悬架中采用最优控制，根据坐位人体振动 响应特性构造了频域计权形式二次型性能指标函数。在性能指标函数中采用与 频率相关的计权矩阵可以对系统特定频带的振动状态施以重权或弱权，以体现 设计者对此振动频带的关心程度。结果表明改善了乘坐舒适性。王洪礼【2 6 1 则在 主动悬架控制中采用微分几何理论，提出一种输出一千扰解耦法，通过适当的非 线性坐标变换，将其简化为线性系统，并对此系统采用最优控制，再通过非线 性状态反馈实现对原系统的主动控制，效果良好。王启瑞等2 7 1 提出一种基于遗 传算法和二次型最优控制的集成优化半主动悬架结构参数和控制参数的方法， 来改善汽车行驶平顺性和提高汽车行驶安全性。 4 自适应控制法 由于系统的线性模型与实际模型有误差，非线性和受控结构参数变化的闯 题有时不可忽略，这种情况有必要采用自适应控制。自适应控制主要应用于结 构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分为自适应前馈控制，自校正 控制和模型参考自适应控制等。自适应前馈控制通常假定干扰源可测；自校正控 制是一种将受控结构参数在线辨识与受控器参数整定相结合的控制方式：而模 型参数自适应控制是由自适应机构驱动受控制结构，使受控结构的输出跟踪参 考模型的输出。v e n h o v e n s p j t h 2 8 1 在其文章中阐述了自适应半主动悬架控制的 成就和发展。丁科、侯朝桢2 9 】对车辆主动悬架的自适应控制研究中，采用具有 在线辨识的最小方差自校正调节器，经实验验证具有较好减振效果。陈志林等 1 3 川则采用模型参考自适应控制策略，利用l y a p n o v 稳定性理论推导出悬架参数 变化时的渐进稳定自适应控制律，仿真结果表明采用这种策略比一般控制方法 效果好。喻凡、郭孔辉刚和方敏、王峻等旧在车辆主动悬架的控制中采用最优 控制，但控制律参数可自适应路面输入及车辆参数的变化，从而为系统提供当 前条件下的最优输出。 i 0 山东大学硕士学位论文 5 鲁棒控制法 虽然自适应控制可用于具有不确定性振动系统，但自适应控制本身并不具 备强的鲁棒性。鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性或性能 对于扰动具有一定的抵抗能力。顾仲权等人提出了基于容限性能指标的控制设 计准则，研究了一种直接满足控制性能要求的结构振动鲁棒控制的常增益反馈 优化设计方法。滑模变结构控制近年来在结构振动鲁棒控制中得到了成功应用。 其实质是一种模型参考自适应控制。“参考模型”是一条预先设计好的流形，用 开关控制法迫使系统沿着这条轨迹滑动，但由于开关切换频率高，易引起系统 颤振。周军等【3 3 1 将变结构控制与模型参考自适应控制相结合，建立了具有极强 鲁棒性的变结构模型参考自适应耦合主动控制系统。h 一控制是设计控制器在 保证闭环系统各回路稳定的条件下使相对于噪声干扰的输出取极小的一种优化 控制法。它将鲁棒性直接反映于控制性能指标上，设计出的控制律具有其他方 法无可比拟的稳定鲁棒性。顾家柳【州等人用鲁棒h 一控制理论研究了实现转子 系统振动鲁棒控制的最优对策，给出了转子系统鲁棒h 。o 控制器的设计方法， 并且进一步研究了控制中的时滞问题。 6 智能控制法 对于大量的复杂振动系统，因其具有非线性和模型结构的不确定性，传统 的控制方法难以满足这类系统的控制要求。对于这类系统，模糊控制，神经网 f 络控制等智能控制方法颇具生命力。模糊控制作为智能控制的一个重要分支， 它的基本思想类似于人的手动控制决策过程，由经验和理论分析总结出的控制 规则是模糊控制的关键。它的最大特点是无需建立振动系统的精确数学模型。 由于模糊控制是基于模糊控制规则经推理后去控制系统，故其鲁棒性特别强。 关于模糊控制在振动主动控制中的应用，已有许多学者做了探索。 t o s h i o y o s h i m u r a 【3 5 】将模糊控制方法应用到车辆主动悬架的控制中。缪斌等3 6 】 研究了船舶柴油机双层隔振的自适应模糊控制方法，针对船舶柴油机振动特点， 提出了一种自适应模糊控制方法，可在线自适应调整模糊控制器的有关参数， 试验结果表明，该法对柴油机的振动具有良好的控制效果。孙涛1 3 7 1 、陈龙1 3 8 】将 模糊控制方法应用到半主动悬架系统的研究中，仿真结果表明对汽车平顺性有 一定改善。 山东大学硕士学位论文 神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一 种技术系统。神经网络以对信息的分布式存储和并行处理为基础，它具有自组 织、自学习功能，对于非线性具有很强的逼近或映射能力。尤其适用于描述复 杂非线性系统。神经网络控制多与传统控制相结合的形式出现，在控制中用作 系统辨识器和控制器，目前控制中常用的神经网络为多层前向误差反传网络( b p 网络) 。神经网络运算过程中误差的反复计算和迭代过程计算量很大，在实时控 制中，会遇到耗时过长问题，因此较适用于大型复杂结构和机械低频振动控制。 目前，振动主动控制技术在很多工程领域的应用前景相当明朗，但除在个 别领域中得到了应用外，在许多领域中还处在理论研究或试验阶段。 2 5 主动控制算法 主动控制算法是主动控制的基础。其目标是使主动控制系统在满足其状态 方程和各种约束条件下，选择合适的增益矩阵，寻找最优的控制参数，使系统 达到较优的性能指标，实现对结构的最优控制。 主动控制算法是以控制理论为基础而建立的。一种好的算法必须具有在线 时间短、稳定性好、可靠性好、抗干扰能力强等性能，并要现实可行。国内外 学者经过多年研究，已提出多种算法，目前，多种新的算法还在创立和发展， 但目前普遍采用的是经典线性最优控制和瞬时最优控制算法。 经典线性最优控制算法，采用二次型目标函数，求取主动控制系统结构体 系的最优控制力。严格地说，该算法在推导过程中忽略了地面地震输入，因此 得到的闭环控制并不是最优控制。但数值分析的试验结果表明该算法依然有效、 可行，故该算法仍被广泛应用。 瞬时最优控制算法采用时间变量的二次型目标函数，求取主动控制系统结 构体系的最优控制力。由于瞬时最优控制只是一种渐近性的局部最优控制，缺 乏整体因素的考虑，故仍不是最优控制。但它不须求解r a c c a t i 方程，计算量较 小，而且不依赖受控结构特性和参数，增益矩阵与受控结构的特性不关，在结 构参数识别时不确定因素对控制效果的影响可以减小甚至于消除，具有时间步 进性质，故可应用于非线性时变结构系统的主动控制。 以上算法设定控制力和外激励在采样时间间隔内按指数形式变化，对驱动 1 2 山东大学硕士学住论文 器的出力速度要求较高，在某些情况下，可能使主动控制在工程应用中难以实 现。改进瞬时最优控制设定控制力和外激励线性变化，能够降低驱动器的出力 速度，但当受控结构的自由度数目较多时，加权矩阵的取值比较复杂，这一问 题尚待解决。 2 6 振动主动控制发展趋势 振动主动控制是具有美好发展前景的技术，随着新型功能材料和控制技术 及计算机技术的发展，以下几个方面将更加受到人们的关注： 一一( 1 ) 作为振动主动控制的关键部件，传感器和作动器的性能某种程序上制约 着主动控制技术的应用和发展，因此，开发高精度、实用性、可靠强的新型传 感和作动部件是必然趋势。 ( 2 ) 传统的控制策略大都依赖于被控对象线性模型，而对于实际系统的非线 性特性和结构的时变不确定性，这些方法将受到极大的限制。模糊控制、神经 网络控制等方法虽不同程度地存在着一定的缺陷，但它为复杂系统的主动控制 提出了智能化控制的途径，今后智能化控制方法还将是控制领域的研究热点。 ( 3 ) 随着新型智能复合材料的不断产生，人们已经提出了智能结构的新构 想，即将传感器、作动器、控制器等有机地与结构集成在一起，主动改变结构 自身的质量分布和刚度阻尼的大小，自适应实现振动控制的目标。这种智能结 构在航空、航天、建筑等工程中有着广泛的应用前景。 2 7 主动悬架控制理论 2 7 1 悬架控制理论及应用 悬架是现代汽车的重要装置，对汽车的平顺性、操纵稳定性、通过性等多 种使用性能有着很大的影响。目前汽车上普遍采用由弹性元件和减振器组成的 机械悬架( 又称被动悬架) ，由于受多方面的限制，即使采用优化方法来设计也 只能将其性能提高到一定程度。主动悬架能够根据路面激励及汽车运行的状况 进行主动的控制，从而大大提高汽车的性能。 主动悬架是近十几年发展起来的由电脑控制的一种新型悬架，它不仅具有 能够产生作用力的动力源，而且执行元件能够传递这种作用力，并能连续工作， 还具有多种传感器，将有关数据集中到微电脑进行运算后，决定控制方式。因 山东大学硕士学位论文 此，主动悬架汇集了力学和电子学的理论与技术，是一种比较复杂的高技术装 置。 主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧 变形时，主动悬架会产生一个与惯性力相对抗的力，以减小车身位置的变化。 例如德国奔驰2 0 0 0 款c l 型跑车，当车辆拐弯时，悬架传感器会立即检测出车 身的倾斜和横向加速度，电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比 较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到 最小。可以说，车身在任何状态下都能保持水平位置。 2 7 2 主动悬架应用中存在的主要问题 对车辆悬架的振动控制系统的研究和开发是车辆动力学与控制领域的国际 性前沿课题。车辆悬架控制系统通常分为三类：被动、半主动、全主动系统。全 主动与半主动的主要区别在于：全主动系统既能将能量输入悬架系统，又能耗散 能量( 均由作动器来完成) ；而半主动系统只能耗散能量，通常通过改变系统阻尼 来完成。全主动悬架控制系统由于造价昂贵，需要额外的控制用功率等原因， 至今仍停留在实验室和真车试验阶段。而半主动悬架控制系统因其所需的作动 器能耗小、价格低并具有较好的安全性等特点，更受到人们的关注。半主动隔 振系统可简化为分区线性系统，此类系统具有强非线性。事实上，即使简谐激 励的单自由度的单级半主动隔振系统，也能出现分叉现象。半主动隔振的车辆 至少有4 套隔振装置，是具有多个强非线性环节的多自由度系统，很难进行解 析研究。近年来，研究热点是采用智能控制方法，如采用模糊理论和神经网络 的结合来建造新型的控制器：在特定条件下应用最优预报控制方法和自适应控 制方法等，但这些方法仍处在理论研究和数字仿真阶段。 另外，半主动液力减振器多是开关式或分段式调节阻尼控制，这使得悬架 系统在运行中成为路面随机激励下的强非线性系统。研究这类机电液一体化系 统的建模，分析它们的非线性动力行为，将有助于改进现有的半主动液力减振 器设计。现有的主动液力悬架结构复杂、耗能大，研究被动阻尼和主动阻尼相 结合的复合减振方法的主动悬架是减少能耗的途径之一。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 8 本章小节 本章主要论述了振动控制理论及应用的相关知识，随着振动控制研究工作 的深入，无论是新型材料的开发应用，还是更加完善的主动、半主动振动控制 及其他技术的使用，振动控制的最终目的是实现在宽频带内消除主振系的多个 共振峰。 今后振动控制的发展方向仍将是新型机机敏材料的开发应用，尤其是形状 记忆合金在振动控制中的应用研究。形状记忆合金具有形状记忆、超弹性、迟 滞性及热敏感性等独特性能，使其能更好地响应外载荷而自动地改变其特性， 是一种很有前途的振动控制材料。今后的研究重点将放在形状记忆合金特性、 材料表性的数学摸型建立、形状记忆合金减振装置及这些装置的实验应用研究。 山东大学硕士学位论文 第三章人体一座椅一船体一水波耦合系统动力学分析 3 1 引言 在追求快艇大型化和高速度的同时，必须满足行驶的安全性和乘坐的舒适 性要求。悬架隔振系统是提高快艇平顺性和安全性、减少动载荷引起系统各部 分破坏的关键。本章在一定建模条件的基础上，建立了两自由度悬架模型，在 分析船体垂直振动的同时，还考虑了俯仰振动对乘坐舒适性的影响。然后利用 所建立的数学模型，从理论上对被动控制系统和主动控制系统的时域及频域动 力学特性进行了分析。 从能量的观点来看，无论是被动隔振还是主动隔振，都是在振动能量的传 播途径上附加子系统或主动控制力，以减小或控制传播的接收体上的振动能量。 因此，该耦合系统可抽象为图3 1 所示的原理图。波浪激励孝通过悬架隔振系 统输入到船体，安装在悬架上的传感器拾取振动信号反馈给控制器。控制器按 预定的控制律，向主动作动器发出动作指令，控制主动作动器的动力学行为， 产生与船体振动方向( 或相位) 相反的复杂控制力，从而达到主动抑制悬架振 动的目的。当反馈信号为零时，主动控制就退化成传统的被动控制。 外部擞励 图5 1 悬架系统主动控制筒图 1 6 山东大学硕士学位论文 3 2 耦合系统模型的建立 快艇在海上航行时会受到由水波引起的水载荷，即波浪的击打和冲击，要 准确的描述船体所处的状态需要非常复杂的数学模型【3 9 1 。然而在本文中，在不 影响分析效果的前提下，通过对整个动力系统各部分进行简化可得到一个比较 简单的数学模型 4 0 l ( 如图3 2 ) 。在这个模型中，船体用一个理想的两端自由的 柔性梁来代替，该柔性梁的物理参数分别为：梁的长度l ，宽度b ，厚度h ，浸 入水的厚度d ，单位长度的质量忽和抗弯刚度日。假设该船体关于纵向轴对 称，并且以速度u 在深水波中航行，水波的幅度值为a ，波数为七( _ f - 0 2 g ) 以及 深水波的绝对频率为。船体在深水波中航行时所受到的荷载来自波形函数为 孝 ，f ) = a s i n ( k r c o , t ) 这样一种水波【4 “，其中c o , = 国一u c 0 2i g 为船体和水波之间 相对运动的频率。 在以上简化模型中，水波对船体的作用力是由柔性梁( 即船体) 与水波之 间垂直方向的相对位移( 善一们相对速度话一彬相对加速度( 善一切以及附 加质量见，流动阻尼b ，浮力刚度屯( - p g s ) 所决定的。在更接近于实际的数 学模型中【3 9 】，这些参数要根据船体的几何形状航行的速度船体和水波之间 的夹角以及其他外在因素确定。 在研究船体在水上航行所处的状态时，虽然在理论上对其进行了简化，但 是这并不会影响该模型的一般性 3 9 1 。该简化模型可以被更为复杂的数学模型所 代替，正玄波也可以替换为不规则的水波，最终解决方法是基本相同的。 3 2 1 系统模型及基本参数 振动主动控制技术的应用越来越广泛，可有加速度反馈、速度反馈和位移 反馈等三种方式或其联合方式。原则上，加速度反馈相当于改变原有振动系统 的质量矩阵，速度反馈相当于改变粘性阻尼矩阵，而位移反馈则相当于改变刚 度矩阵。 1 被动控制系统模型 1 7 山东大学硕士学位论文 圈3 2 2 主被动综合控制系统模型( 一种为座椅速度反馈控制方式( 图3 3 ) ，另 一种为座椅速度反馈和船体速度反馈综合控制方式( 图3 4 ) ) 匿33 卜一。 目3 4 各参数含义如下：m m s 分别为非悬挂部分、悬挂部分的质量：岛，c j 为 悬挂部分板簧的刚度和阻尼；如，“为人体的刚度和阻尼。； z h 、磊w 分别为 人体、座椅与船体的位移。三：船体的长度，t ：座椅的位置。 1 8 山东大学硕士学位论文 3 2 2 耦合系统动力学分析 对于该类模型来说，作以下假设： 1 、模型简化为两自由度的振动系统； 2 、梁模型只考虑竖向的自由度。 以整个系统( 图3 4 ) 为研究对象，进行动力学分析： 人体振动方程： 砌+ 出( 幺一幺) + 岛( 乃一历) = 0( 3 - 1 ) 座椅悬挂系统振动方程： 埘玉+ 西( 幺一磊) + 觑( 历一铂) + d 刍一w ( x c ，f ) 】十缸【压一w ( x c ，f ) 】= 工+ 五