【《隔振系统国内外探究现状文献综述》13000字】

隔振系统国内外研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u27178隔振系统国内外研究现状文献综述 165711.1隔振系统的器件结构 1316541.2隔振系统的控制策略 139712参考文献 191.1隔振系统的器件结构1.1.1被动隔振器被动隔振一般为将载荷与外加基体以一定的隔振结构物理分隔，一般选作为隔振结构的材料可以是金属垫圈、橡胶垫圈等，这样的被动隔振结构对于高频振动的抑制效果是很好的，并且其结构相对来说比较简单，在设计生产过程中也占据了便捷高效生产率高的优势。一般对于地面的有一定隔振要求的测量实验，被动隔振是比较有效并能够完好满足隔振需求的。而在空间航天器的飞轮隔振中，被动隔振的方式也得到验证，在轨飞行期间的效果还是不错的[23]。例如举世闻名的哈勃望远镜[24]，其在设计层面上使用了液体阻尼器，以此来防止宇宙空间环境中的一系列扰动带来的测量误差，这样一种被动隔振的装置，对于哈勃望远镜在轴向的受到的干扰振动能起到有效的抑制效果，其有效的工作频率范围是18~20Hz。关新[21]等人降低了因为飞轮质量的不平衡和传递给恒星的扭矩振幅引起的干扰力。更详细地介绍了由干扰力和扭矩引起的干扰的被动振动隔离和飞轮失衡。主要研究方法是将飞轮的运动进行简化，当多维度的复杂运动难以处理时，将其以不同自由度进行分解，单独研究并在最终结果时耦合的到结果时不错的方法。所以飞轮运动被为六个相互分离没有干扰的单自由度运动。（a）被动隔振（b）主动隔振（c）拟主动隔振图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s11三种隔振方式如图1.1所示，其团队首先研究了被动隔振，其中，m为广义质量，p(t)是由飞轮转动所产生的干扰力或力矩，通过K—C弹性阻尼系统来描述基本的振动性质，在K—C弹性阻尼系统的加持下，由于飞轮转动而产生的干扰力与力矩的影响有了一定的减弱，其传递到星体本身时所产生的振动幅值得到较好的抑制。但是隔振想过并非与阻尼大小线性相关，由于当阻尼增大时整体系统结构的稳定性会产生相应的减小，使得增大阻尼的时候，隔振效果不仅没有得到提升，反而在一定程度上衰减。由于阻尼增大系统稳定性降低是不可避免地结果，所以为了克服因为阻尼增大稳定性差，隔振效果反而降低的缺陷，研究者们在整个K—C弹性阻尼系统中加入了主动控制的环节来改变阻尼单一物理性质下改变振动效果的状况，如图1.2所示，u为外加的控制力或力矩，并为其加入了由Q生成的相应控制规律，参考文献中研究了Q在以下三种情况下取值所对应的结果，Q1=kpx经过研究发现，三种反馈方式，分别等效于如图1.2的（a）、（b）和（c）三种情况。如图1.2（a）所示是位置反馈的简易示意图，可以将其看作是在隔振对象m上连接一个刚度为k0的弹簧，将弹簧连接的某处称为“悬挂点”，其中k0与kp有关；速度反馈的控制如图1.2（b）所示，可以把整体系统看作是等效于将一个阻尼系数为c0的阻尼器在质量m上进行了连接，在速度反馈之中依然将阻尼器连接在实验室环境下模拟的“悬挂点”之上，其中c0与kv有关；而加速度反馈控制如图1.2（c），其等效于将一个质量为m0的质量块连接在了质量m（a）位置反馈（b）速度反馈（c）加速度反馈图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s12三种控制反馈方式对三种不同的反馈控制作用进行研究可以发现，当位置反馈处于主导地位工作的状态下，可以发现传递到基座上的振动有效减少了，最为显著的是低频振动的抑制效果非常明显；在速度反馈的作用下，整体结构的共振峰得到了有效的降低，并且其在高低频段的干扰力矩传递特性依然能够有效保持，体现出较好的衰减效果；而加速度反馈带来的结果是它在高频段的表现较为优秀，可以降低结构在高频段的外界干扰下受到的影响，并且使得整体的振动传导拥有比较低的干扰力传递率。u的输出方式表现为力或者力矩，所以，由于力的作用是相互的，从而必然会对执行机构自身产生一个大小相同，方向相反的力或力矩。在相同的实体坐标系下，反作用力或者力矩相对于飞轮空间位置是不变的，并且对于位置和速度反馈控制方法，可以确定两种反馈方法给出的惯性的“悬挂点”与反作用力或者力矩的作用位置也不同。然而在实际航天器运行的过程中，飞轮实体仅仅与航天器星体相互连接，对于空间中任何其他物质没有任何的连接点，所以在位置和速度反馈系统理论中给出的“悬挂点”假设是不存在的，所以在实际进行位置和速度反馈控制的过程中给，不能利用“悬挂点”来消去星体的反作用力带来的影响。所以为了合理将星体反作用力纳入考虑的范围之内，关新等人提出了拟主动隔振的控制方法，如图1.1（c）所示。拟主动隔振的方式是为了“悬挂点”不存在问题针对性提出的方法，它能够在系统中合理引入“悬挂点”的存在，并将其视为系统的一部分来进行后续的求解计算。其传递函数的求解过程中，也可以通过零极点的配置，来对于相关参数的优化问题做出较好的解答，m0、k0和拟主动隔振这种方法从本质上来讲是将飞轮作为了航天器轨道运行过程中的主要扰动源，基于被动隔振的利用阻尼物理性质的基本方法，从而对于飞轮传递到基体上的扰动力和力矩进行抑制降低甚至消去。然而，被动隔振的方式往往会带来其他关于结构本体性质的问题，例如或许会在一定程度上造成广义位移变大。也会存在因为被动隔振阻尼变动造成的不稳定性，使得飞轮控制产生其他的问题，例如控制效率下降、飞轮进动角变化等。所以在此基础上还需要进一步对于拟主动隔振系统进行分析和论证。另外，在实际利用拟主动隔振的过程中给，外加机构例如m0、k0和虽然也曾有过非线性方法的被动隔振方式，但是由于其被动性质，没有主动控制环节，使得系统容错性与稳定性不够高，并且还会带来共振频率转移、混沌运动或者内容共振等问题的发生。所以一个更精密的隔振系统，还是需要引入主动控制环节来提高效率。1.1.2主动隔振器主动隔振系统的重要组成在于其主动控制的算法，对于不同的主动控制算法，控制效率、控制精度、算法整体复杂程度以及维护难度都是比较重要的参考指标。模糊控制算法是近来比较常用的算法，GangZ.J[25]等人曾提出用模糊控制算法，以达到抑制振动的目的。基于神经网络的控制算法也是在近期得到了许多研究者的关注，这主要得力于其算法深度的学习性和预测性，对于复杂的振动环境提供了一种便于维护的控制方式。美国宇航局NASA曾在1999年发射了钱德拉X射线天外台，这是一颗X射线天文卫星，在卫星内部为了完成对于空间微重力环境中外界扰动影响，采用了六角形隔振平台，这是一种以被动隔振为主要策略的隔振平台，其阻尼器由复合的阻尼材料以及一些弹性附件组合而成，可以对于轴向10Hz的振动进行有效的抑制。在这样的被动隔振设置的基础上，美国下一代太空望远镜也希望有更高效的隔振控制，以及在更宽频率下进行太空作业。工程师因此在其中加入主动隔振环节来达到更好的隔振控制效果。位置、速度、加速度等参数是主动隔振控制中的重要组成不服，通常主动隔振就是通过引入这些隔振对象的关键数据来判断在当前以确定的控制规律下，整个隔振系统下一部分控制动作。这样的通过控制规律完成的主动施加控制力与力矩，加强了整体系统的稳定性，高效性，也正是因此可以达到被动隔振所无法达到的效果。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s13精确指向斯图尔特平台图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s14UQPandSatelliteBusMockup图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s15华盛顿大学和胡德技术公司联合研制的Stewart平台如图1.5所示，是由华盛顿大学和胡德技术公司联合研制[26]的Stewart平台，在设计过程中，为了保证平台能够在轴向有较大的位移，极大幅度降低了其轴向刚度，从而使得自由振动频率为达到3Hz。在一般被动隔振的环境下，不施加外在的主动控制，根据被动隔振的基本规律以及实验证明，其对于频率为5-20Hz的振动能够产生显著的隔振效果，在数值上体现出来的是实现了20-25dB的衰减。而当加入主动控制环节的工作，使得隔振效果有了进一步的提升。对于低频与中频的振动干扰，主动隔振系统都能基于较好的隔振性能，但是主动隔振系统成本过高，无论是安装还是实际运行中的操作、测试等都拥有较为复杂的流程。所以主动隔振系统的应用还是多用于大型的工作平台用于低频扰动的隔振，并提供高精度的有效载荷定向工作。当主动隔振系统用于高精密低质量的工作环境时，其在高频段所表现出来的工作效果是不够理想的，因为高频率扰动带来的系统的复杂性提升，稳定性下降，使得主动控制效果不太理想。并且主流的主动控制过程都需要有效的姿态反馈控制，在目前的某些应用场景下并不适用。所以即使主动隔振能够克服被动隔振的部分缺点，但也不可否认其自身也有着较多的不足之处。由中国科学院空间应用工程与技术中心研制的主动隔振平台在国内主动隔振方面的应用具有一定的代表性，特别是面向微重力环境下的高精度隔振需求[22]。此主动隔振系统的结构分为上下两部分，分别为定子与浮子，如图1.6所示。定子部分的主要作用在于支撑整个隔振系统的结构，其由一块底板、三块侧面挡板和对应于底面的侧板组成；浮子的主要作用在于实现载荷的定位安装，其本身结构大致只是一块带有连接装置的载荷安装版。为了最大程度避免工作情况下两者相互干扰带来的系统不稳定性，定子与浮子两部分没有直接的接触。通过无线传能与通讯完成载荷工作期间的能量供给与信息传递。定子具体包括主结构，由前面板，底板和3块侧板及对应底侧板组成，作为主支撑结构；浮子锁紧装置，用于发射和在轨时锁定浮子；无线电能传输发射线圈和无线通信模块，用于替代定子和浮子之间的脐带线，从而实现浮子和定子之间的电子学连接，提供电源和数据传输通道。浮子主要包括载荷安装板，用于科学实验载荷的定位和安装；无线电能传输接收线圈和无线通信模块，实现对实验载荷的能源提供和通讯支持。隔振控制系统主要包括隔振控制嵌入式计算机，用于实现测量数据处理和系统控制；6组激光位移传感器，其对浮子相对定子的位移进行实时测量，为浮子的控制提供位移反馈信息；3组二维电磁激励器，在接收到控制执行指令后，对浮子施加相应的控制力。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s16主动隔振系统结构将浮子和定子通过转接工装放置在气浮台上，通过气浮消除浮子和定子重力的影响，测试浮子在水平面内的平动和转动控制算法的有效性，同时测量浮子的加速度，用来验证控制过程中浮子隔振效果。通过给定子增加低频扰动（0.25~2.5Hz）的方式，来对比定子和浮子的加速度水平，从而验证隔振平台的隔振效果。如图1.7所示，将电机通过转接工装连接至定子固定底板，通过电机控制器控制电机的往复运动的幅值、速度和加速度，来实现对定子施加各种频率和幅值的低频激励，并通过在浮子和定子固定底板上安装MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）式加速度传感器来对比增加低频激励后浮子和定子的加速度水平，隔振系统要求浮子的加速度水平远低于定子的加速度水平。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s17实验验证装置首先进行了基于位移反馈控制的主动隔振平台的总体设计，能够支持主动隔振过程中定位和控制的相关技术要求；设计了基于激光位移传感器的非接触式三维位置测量算法，实现对浮子的三位位置解算；设计了基于位移反馈的浮子运动的控制算法，并给出了控制参数的设计准则，通过嵌入式计算机平台完成了控制算法的软件实现；最后通过实验验证了控制算法的有效性，实验表明其能够在0.1Hz以上扰动的频率内可以保持浮子的加速度水平小于1mg，并且明显小于定子的加速度水平。对于低频与中频的振动干扰，主动隔振系统都能基于较好的隔振性能，但是主动隔振系统成本过高，无论是安装还是实际运行中的操作、测试等都拥有较为复杂的流程。所以主动隔振系统的应用还是多用于大型的工作平台用于低频扰动的隔振，并提供高精度的有效载荷定向工作。当主动隔振系统用于高精密低质量的工作环境时，其在高频段所表现出来的工作效果是不够理想的，因为高频率扰动带来的系统的复杂性提升，稳定性下降，使得主动控制效果不太理想。并且主流的主动控制过程都需要有效的姿态反馈控制，在目前的某些应用场景下并不适用。所以即使主动隔振能够克服被动隔振的部分缺点，但也不可否认其自身也有着较多的不足之处。1.1.3半主动式磁流变阻尼器磁流变液是一种流动性良好的牛顿流体，当其受到外加磁场的作用是，自身性质会产生一定的变化，从牛顿流体转化成为Bingham半固体，这个变化过程是可逆的，并且具有连续可控的特点。基于磁流变液的优秀可控变化性质，并且对于外加磁场反应迅速稳定性高，目前磁流变液已经成为了一种性能优秀的智能材料并在众多领域中得到了广泛的应用。特别是在半自动控制领域，连续可逆的变化，反应迅速且受控性强，加上结构简单功耗较低等优秀特性，使得磁流变液能够完美胜任半主动作动装置的应用。无论是在电子控制领域，还是为机械结构提供一种反应迅速的控制传递接口，磁流变液都是优秀的智能材料选择。航空、土木与机械领域正在逐渐发展以让磁流变液得到更加全面的利用。磁流变阻尼器的分类一般通过工作方式的不同分为了三种类型：剪切式磁流变阻尼器、流动式磁流变阻尼器和挤压式磁流变阻尼器。在目前的运用实例中，流动式磁流变阻尼器因为器结构简单，反应特性敏感而得到了广泛的应用。然而其优点是建立在三种单一模式工作的基础上，日前，一些将三种工作方式混合并同步工作的磁流变阻尼器也被众多研究人员提出和研究。混合模式工作的磁流变阻尼器已经被证实了相较于传统的单一工作模式能够展现出更为优秀的阻尼特性，在复杂工作环境的适应性也相对提高了许多。Sung等人[44-47]提出了一种混合工作模式磁流变阻尼器的设计方案，他们比较了在单一工作模式下各种磁流变阻尼的性能特点，选择剪切式与流动式的结合，设计制造了如图1.8的混合模式磁流变阻尼器，并对其阻尼特性进行了相关测试，结果显示的确在阻尼性能上有所提高。而Yazid等人[48]使用了不同的组合方式，将剪切式与挤压式磁流变阻尼器相互结合得到了如图1.9的新型混合工作模式磁流变阻尼器，并对新阻尼器进行了有限元分析模拟了在其新结构下激励线圈产生的磁场。混合工作模式的磁流变阻尼器一般都能胜任单一工作和混合工作等不同工作环境需求，对于其不同工作模式下的阻尼特性加以研究，也能发现各有多长，但混合模式下拥有更宽的使用范围。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s18流动-挤压形式的磁流变阻尼器图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s19流动-剪切形式的磁流变阻尼器磁流变阻尼器工作模式不同是从实际工作角度对其进行了一定的划分，而从磁流变阻尼器本身结构上来看也能产生不同的分类类型。一般常规的磁流变阻尼器的节流通道是简单的管状直道，但通过近年来对于磁流变阻尼器的不断探究发现，也提出来许多不同的新型节流通道形式。这些磁流变阻尼器的特点即是在于节流通道的结构变化多样，目前比较有代表性的几种节流通道结构设计方式分别为：旁路式、折叠式以及蜿蜒式。如图1.10所示时Robinson等人[49]设计一种旁路式磁流变阻尼器，其与一般的磁流变阻尼器不同的地方在于它具有多空介质作为旁路通道中的通过阀门。这样的多孔旁通式磁流变阻尼器的诞生使得在旁路式磁流变阻尼器的发展中多了一样可选的材料选择，多孔介质在磁流变阻尼器中也能够影响到阻尼器本身的最大可控阻尼力与阻尼系数，使得调节磁流变阻尼器性能的方式有多了一种选择。Kim等人[50]的设计是一种折叠式节流通道的磁流变阻尼器，根据其研究团队在逐渐通过数学建模、有限元分析以及实验探究的方式对折叠式节流通道磁流变阻尼器进行的细致研究，结果表明相较于一般的磁流变阻尼器而言，当节流通道的设计发生了变化，会在一定程度上提高最大可控阻尼力以及等效阻尼。折叠式节流通道也可以被换为环形-径向节流通道，其结构示意图如图1.11所示。通常在磁流变阻尼器的研究中，节流通道的改变能很大程度上改变磁流变阻尼器本身的各项物理性质，而在类似的磁流变液设备中，流道结构的改变也已成为了一种常用的研究方法。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s110旁路形式的磁流变阻尼器图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s111折叠流动形式的磁流变阀磁流变阻尼器在工作模式下可以产生的最大可控阻尼力与节流通道的表现形式是有一定相关性的。然而，节流通道的改变势必会改变在磁场作用下的屈服强度、粘性压降和次要压降等决定了材料阻尼系数的性质。当节流通道延展布局时，屈服强度增大，但粘性与次要压降则会降低。所以可以得到结论，一般的节流通道布局改变会对磁流变阻尼器的可控阻尼力产生较大的影响，但总体而言磁流变阻尼器的阻尼系数并不会因此而发生较大的改变。为了能同时提高阻尼系数，加强磁流变阻尼器的工作效率，又能在可控阻尼力上将其最大值提升到一个可以胜任较大阻尼力要求的任务，研究人员设计如图1.12所示的内旁路式磁流变阻尼器，这样的内旁路式体现在磁流变阻尼器的节流通道从单层通道变为多级叠加的状态，这样就能够通过利用不同级别的节流通道导磁单元与非导磁单元的配合，增大磁流变阻尼器内部压降，改变阻尼系数。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s112多级线圈形式的磁流变阻尼器磁流变阻尼器作为一种半主动元件，不经拥有主动控制的能力，也可以在被动工作模式下发挥其应有的性能。为了增大磁流变阻尼器在没有通电的情况下以被动的状态工作时的阻尼力，并改善通电工作后短时间内其无法充分退磁的状况，丁阳等人设计了一种新型磁流变阻尼器，该阻尼器使用了一种复合形式组成的磁路表现形式，以此来完成阻尼力双向皆可调节的目的，其结构如图1.13所示。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s113阻尼力双向调节的磁流变阻尼器1.2隔振系统的控制策略当一个智能隔振系统拥有着相对确定的机械结构时，隔振策略的优劣将会直接决定这个隔振系统性能的有效性[29]。为了改善隔振系统的稳定性并提高其动态性能，需要为系统设计一套合适的控制算法。如图1.14所示是一般的隔振系统的基本控制系统结构。主动隔振的智能控制的一般流程为：传感器采集被控结构的振动响应；计算相应振动响应得到系统的误差信号；根据误差信号计算维持隔振系统整体稳定运行所需要的控制力，这一步由控制器执行；根据主动控制规律逆模型结合控制力计算结果确定控制电流或电压；最终经过输出单元转换为相应的电流信号或电压信号，以此信号为驱动源带动主动隔振系统本身产生对应于干扰源的作用力并抵消其带来的干扰。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s114智能隔振系统结构框图根据控制算法与系统模型之间的关系，可以将隔振器件常见的控制策略分为依赖于模型的控制算法与不依赖于模型的控制算法两类，其中第一类控制策略有LQR控制、LQG控制、H∞控制和滑模控制等，第二类包括了PID控制、模糊控制和开关控制等。V.Steffen等人[30]设计了用于调节压电堆输出力的LQR(LinearQuadraticRegulator)控制器，其目的在于能够在系统层面上改变水平转子的振动效果，将水平层面的振动干扰衰减到正常可接受的范围内。并且实验验证了在不同的初速度、加速度等状态下，不同质量大小的转子因为扰动而产生的影响会得到怎样的抑制调节，得到了比较全面的效果总结。相对来说，LQR控制器的内嵌控制规律多种多样，而伴随着卡尔曼滤波的预测效果，使得应用了卡尔曼滤波器的LQG(LinearQuadraticGaussian)控制器更加容易实现并取得较好的控制水平。S.B.Choi和S.R.Hong等人[31-33]利用加速度反馈信号和卡尔曼滤波器组合利用来估算简支梁系统的状态变量，惯性式压电堆悬置的控制电压通过LQG控制器来确定。实验表明，LQG控制器对于简支梁的振动衰减效果显著，无论是从时域表现还是从频率表现来看，都能够做到在必要的抑制调节上带来理想的结果。在LQR和LQG两种控制器的表现中看来，性能指标总是在时间序列上趋于一个极值，证明其性能是有局限性的。然而，目前还有一种H∞控制系统，其不同于以上的两种控制器的地方在于，它要求系统从扰动输入到被调输出的闭环传递函数的H的无穷范数小于1。H.P.Du等人[34]以路面激励作为扰动输入，并以人体加速度作为被调输出，综合得出一种用于磁流变阻尼隔振器另一种控制器设计，命名为次最优H∞控制器。实验人员将路面输入设定为E级，车速确定为定值100km/h，进行了相关的数值模拟仿真。在利用了次最优H∞控制器的情况下，模拟仿真发现车辆驾驶员在实验过程中的人体加速度均方根值有所下降。相较于一般的开关控制结果，次最优H∞控制结果下降了14.1%。另外，S.B.Choi等人还采取滑模控制的方法得到了另一种调节规律的主被动结合隔振系统。其团队将这种滑模控制隔振系统用于抑制无人机系统云台稳定性的控制中，通过实验验证可以得到结果在干扰源主导模态频率上，云台的被迫振动产生了78%的衰减，可见效果显著。M.Behrooz等人[35]基于Lyapunov稳定性定律设计了针对磁流变阻尼隔振器的控制算法。他们的实验基于一个安装了磁流变阻尼器的三层楼房模型，将激励震源设定为EICentro地震波形，排除了外在的其他干扰影响，并以模拟仿真的形式给出了模型中的相应位移与响应加速度，后续辅以实验的验证分析。仿真结果显示，模型中第三层的最大响应位移和最大响应加速度都有明显的衰减，对照同样实验条件下的被动隔振系统，最大响应位移和最大响应加速度衰减百分率分别为58%和22%。而实验结果显示与模拟仿真大致相似，数据结果为47.3%和35.4%。大多数情况下，依赖于模型的控制算法无法脱离系统模型本身，相应的隔振器逆模型也是根据模型确定而难以有较大的改动的，以至于其通用性收到了极大的限制。另外，由于大多数隔振系统结构都拥有极高的复杂性（如柔性较大），从而在建立其精准的系统模型是会显得非常吃力，不能有一个精确的描述。主动控制隔振器有一个显著的特征，它们都具有较强的非线性。压电堆主动隔振器由于其压电堆的刚度不足，以及压电堆对于电压电流的大小不同产生的物理性质的改变都是系统非线性的主要因素。而磁流变阻尼半主动隔振器，也是由于其磁流变液由于外加电流电压改变，使得磁场环境改变，而产生了本体刚度与阻尼的变化，这种时刻发生的复杂的变化也导致其强烈的非线性特征。正是由于这样的非线性特征，依赖于模型的控制器很难得到系统监测输入与控制输出之间的逆向推导数学模型，从而进入知道变化却无法反馈控制的尴尬境地。另外，仅针对磁流变阻尼器而言，由于对它本身的性质研究起步尚晚，即使是正向的关于磁流变阻尼器的完整数学模型也是难以清晰描述的。目前现有的Kelvin模型和Bouc-Wen模型等参数化模型也因为参数量过多或是难以逆向推理得到求解模型的问题，使其在实际的主动控制领域难以有所发挥。由于模型的复杂性和难获取性，使得诸如PID控制、开关控制和模糊控制等不依赖于模型的控制策略得到了更好的发展机会，在解决非线性的主动控制问题上能提供更多的解决方法。M.M.Jovanovic等[36]为了防止出现积分饱和和滤除高频噪声，选择添加低通滤波器在PID控制器的积分环节和微分环节中，由于添加的控制组合不同，对于压电复合梁振动的衰减效果也不同，所以分别进行了P控制器、PI控制器、PD控制器和PID控制器四组实验形成对照，以此来寻求最佳的振动抑制效果。同样类型PID控制器对于压电柔性梁振动效果的抑制影响相关实验还有一些其他的样本。例如J.TFei团队[37]也分别讨论了积分系数、比例系数和微分系数控制器主导下的主动控制系统能对于振动抑制带来怎样的效果，并且在结果的基础上总结了一套关于PID控制器系数整定的方法，让实验过程中关于系数的调节不再是单纯的依靠经验试错，大大提高了效率。PID控制器对于外界激励确定的振动干扰有着显著的抑制效果，正是其优点也是缺陷所在，当外界扰动复杂性增加，无法准确对激励进行预测时，便会导致PID控制系统稳定性失衡。由于PID控制器对于激励变化的敏感性高，鲁棒性低，使得其在时变的负载激励作用下显得没有了用武之地。开关控制系统属于不依赖于模型的控制系统，其结构简单、易于实现，以至于在磁流变阻尼隔振系统中，开关控制作为易于操作的最为常见的控制算法而广受欢迎。磁流变阻尼器本身是作为一种半主动器件，它与常见的诸如压电堆驱动隔振系统或是电磁作动主动隔振系统不同。一般主动控制隔振系统都需要根据输入电流电压来决定驱动力的方向，而磁流变阻尼器是由于外界电流改变导致磁场环境改变，从而使得自身刚度与阻尼特性发生变化，其驱动力的产生来自于负载质量当前的运动状态。因此，在磁流变阻尼隔振系统中，控制律被简化为了外加电流的施加，开启时磁流变液刚度阻尼变化对于负载偏离原点的运动加以抑制，关闭时对于负载的回复运动减少阻碍。这是一种简单并极端的控制方式，控制结果在直观展示中仅为外加电流的最大励磁电流，或者为0。龚兴龙等利用实验演示了开关控制算法在调节剪切式磁流变阻尼隔振器刚度时的应用。实验结果表明，当负载的外界干扰频率处于其自身的共振频率时，负载整体在磁流变阻尼隔振器的外加激励振动传递率大概抑制了为61.5%，同时负载的位移均方根值与位移最大值都一定程度上的下降，分别为36.0%和50.0%。W.H.Li等人[38]也开展了利用开关控制的磁流变阻尼器隔振系统控制实验，主要研究了在一定的频率范围内横向振动的衰减效果。结果显示，相较于一般的被动隔振系统，利用了开关控制的磁流变阻尼器能够使负载加速度受扰动后的峰值下降29.6%。在控制策略的选择上，开关控制仅仅利用了磁流变阻尼器两种极端的状态，开关的频繁变化在高频振动影响下可能存在一定的迟滞现象，使得开关控制在实际运用中虽然能不依赖于模型产生控制效果，但并不能充分发挥隔振系统的控制能力，使得振动的衰减程度有限，并且在一定程度上可能会引起系统的振荡。为此，需要进一步改变对于磁流变阻尼器的控制节点，如果加强了对应系统状态的控制规律，或许能够提高整体隔振系统的工作效率以及隔振效果。因此，将模糊控制策略带入一般的开关控制成为了新的发展方向。作为一种新兴的非线性智能控制器控制策略，模糊控制策略可以通过将专家级经验知识融入控制器设计中，将整个系统控制语言进行更加细致的划分，同时不改变原有的控制基准。模糊控制的优点还体现在它的简单易懂，其本质是将平常生活中的一系列状态判定的短语划分为几个不同的等级，以此来描述一个非线性系统的大致状态，将非线性系统的复杂组成以特征点的形式分散在了线性的模糊语言上，极力改进了控制系统的有效性与鲁棒性。因此模糊控制策略非常适合于压电堆隔振器和磁流变阻尼隔振器这样的非线性控制器件上，发挥其系统本身的优秀控制能力。图1.15为模糊控制器的结构框图，从一般化的控制流程来看，模糊控制器的设计思想与传统的控制器设计思想基本相同。简而言之，模糊控制器是在传统控制器的基础上设计的，并且已经在传统控制器上进行了改进。无论是工程实践还是理论模拟的工作中，经常会在建立控制系统的过程中发生无法了解精确的系统数学模型而无从下手的情况。或是对于较为复杂的控制对象，由于无法精确了解其中的工作原理与内部结构，实验者很难下手完成一套有效的控制系统来完成需求的目的。模糊控制即是为了应对复杂的模型情况化繁为简将非线性问题简化为线性问题的一种有效的控制方法。通过分析总结模型的特征点来确定模糊控制的各个控制节点，使用模糊化语言编写响应的模糊控制规则。在设计模糊控制器的过程中，最为重要的步骤是编译模糊规则与模糊推理算法，这一方面需要对于模型本身的一部分专家级经验知识，另一方面需要更为广泛的基础理论来完成编译。模糊规则设计是模糊控制器设计的核心，决定了一个模糊控制器建立后运行效果的好坏。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s115隔振系统模糊控制器的结构框图模糊控制器的设计思想与传统的控制器设计思想基本相同。模糊控制器的基本工作进程为：利用光学、位移、温度或激光等于被测输入量相关的传感器收集模糊隔振系统的控制变量；根据专家级的经验确定模糊控制中需要用到的隶属函数，并将已得到的输入控制变量代入隶属函数中，通过模糊化计算处理，得到以人们日常生活中约定俗称的模糊量化词汇确定的模糊变量。这样的模糊变量可以用来形容一定范围内的系统当前状态在将其返回送入模糊推理的控制模块，根据已有的模糊控制规则来判断下一步的决策，从而得到一个模糊控制量，最后依据输出隶属函数进行反模糊化取得一个最终的理想的可以被传感器识别的控制量。模糊控制器在磁流变阻尼隔振器的应用比较广泛，H.JJung等人[39]设计了一款基于磁流变阻尼器的单自由度横向隔振系统。研究人员在控制输入的选择上使用了负载的相对位移以及基础绝对速度，两者对于系统本身而言是比较容易取得的数值参数，将其作为模糊控制系统的精确输入，对于模糊控制规则的制定奠定了坚实的基础。控制系统的输出选择了磁流变阻尼器所处环境中的磁感应强度，因为其与磁流变阻尼器自身阻尼刚度性质相关性较高，并且作为模糊控制翻译后的精确控制量是完全符合整体控制系统的要求的。在这样建立的模糊控制器加持下，仿真结果显示，相较于普通的被动隔振系统，负载的响应位移和响应加速度都得到了衰减，分别下降了40.7%和39.1%。另外还有R.Xu等人[40]在压电堆执行器的控制环节加入了模糊控制器，其实验的主要目的在于衰减太阳能面板的柔性振动，是典型的非线性控制系统。结果显示，模糊算法对于冲击激励和白噪声激励带来的外界扰动都能取得较好的振动控制效果。总而言之，模糊控制策略在诸多的领域已经证明了其有效性。然而，对于常规的模糊控制器，因为其参数相对固定，所以会像前文提到的PID控制器一样只对单一频率或幅值的激励有效，当遇到复杂多变的激励条件是很容易显示出其使用范围窄的弊端。而对于常见的精密测量设备，它们所面对的是一个在时间序列上进行复杂变化的外界激励环境，宽频带与微幅值使其常见的特征。为使模糊控制器也能适应这样的复杂环境，研究人员提出了具有参数可调性质的自适应模糊控制器，具体参数可能是量化因子、比例因子或隶属函数。自适应的模糊控制器在鲁棒性与环境适应能力上都有了长足的进步。N.D.Zoric[41]设计了一种具有自适应特性的模糊控制器，目的在于利用压电复合柔性梁来衰减冲击振动。其控制器的自适应性体现在根据观测冲击振动峰值的数值来调节输入信号的量化因子，为了实现整体控制过程的透明性，设计了峰值观测器作为主要的控制元件。结果表明，相对于一般的LQR控制器，自适应的模糊控制器明显取得了更优的振动抑制效果。N.R.Pal等人[42]自适应参数上选用类似于量化因子的比例因子，其调节的是整个系统最终完成模糊规则翻译后的输出量的控制环节，相较于普通的定值模糊控制系统，自适应系统的超调量、响应时间和上升时间等性能指标均得到了显著提高。J.H.Park等人[43]设计的自适应模糊控制器针对的变化参数是输入/输出隶属函数，并且对于模糊规则的制定也不再是单一的固定形式，而是可以通过系统监测各项性能指标自由判断模糊规则的增加或删除，其结果自然是提高了整体控制系统的鲁棒性，并极大增加了控制系统的可靠工作范围。即使面对强非线性系统也能保持自身系统的稳定性与有效性。董小闵等人则是研究了自适应参数之间的性能优劣，其在常规模糊控制器上添加了量化因子自适应环节、比例因子自适应环节、隶属函数自适应环节以及控制规则自适应环节。虽然多维度的自适应变化提高的系统的复杂性，但是在合理的系统整合算法下，其能发挥出相较于一般模糊控制器更优的控制能力。并且当自适应环节逐一打开的实验中，能够实际量化在一个基础的定值模糊控制系统中，什么样的自适应参数更能够得到性能更强的自适应模糊控制系统。结果显示，在模糊控制器的各个参数中，量化因子与比例因子的变化相较于输入/输出隶属度函数、模糊规则更能有效完成控制系统的工作，而且量化因子与比例因子在实际模糊控制系统作为变化参数是易于实现的。综上所述，依赖于系统和器件精确数学模型的参数化控制系统在大多数情况下是难以实现，这不仅是因为各类复杂精密测量平台或者隔振系统本身的结构复杂，动力学模型参数化表示困难，因为在这样复杂的系统之非线性的工作方式导致数学模型即使能够建立也难以计算求解。结果导致依赖于系统精确模型的控制方式无法完成实际操作过程中的试验验证，达不到较好的控制效果。而常规的带有针对性的控制器总是不能满足较大应用范围内的隔振需求，虽然能在特定条件下发挥超越一般水平的控制效果，但其自身的局限性还是抑制了其工作的开展。为解决上述问题，本文针对电磁作动器主动隔振与磁流变阻尼器半主动隔振混合的隔振控制策略，选择了在实验精度上更高的模糊控制方法。参考文献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.关新春,李金海,欧进萍.足尺磁流变液耗能器的性能与试验研究[J].工程力学,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