机械振动主动控制技术的研究现状和发展趋势

 易  群，李彩丽

 （江西交通职业技术学院机电工程系，江西  南昌  330013）

摘要：对目前基于机械振动主动控制技术的研究现状做了简要的阐述，并对振动主动控制中的常用技术和振动主动控制方法进行简单介绍，探索了基于机械振动主动控制技术构建下曲。发展趋势。

关键词：机械振动；主动控制；现状；发展中图分类号：T H113.1 

0  引言

 振动控制属于振动工程领域的一个重要组成部分，通常分为主动控制和被动控制两部分。虽然被动控制技术首先被广泛应用，但是在人们更高要求下被动控制技术已无法满足工程需求。相比之下，振动主动控制技术略胜一筹，凭借其综合多学科的特点，以及良好的控制效果和强大的适应能力受到当前机械工程方面的认可。为了开发其更大的潜力，国内外的相关研究机构纷纷对其进行了研究，这项技术从20世纪50年代末发展到今天，已逐渐成熟地应用于多个领域。本文对机械振动主动控制技术的研究和其在机械工程领域的应用作一简单介绍，并从发展现状和技术的开发情况对这一技术的未来发展进行展望。

1  振动主动控制技术研究现状

 振动主动控制技术始于20世纪20年代，由简单的电磁阀控制缓冲器发展而来。1960年左右在此基础上进行升级出现振动主动控制系统，之后随着科学技术的飞速发展，这项技术也随之快速发展。目前在航空航天的振动控制、土木建筑工程的抗振、车辆工程的减振以及其他机械的振动控制方面得到广泛应用。

 在航空航天工程方面，对于大柔性结构的振动主动控制是关键，也成为主动控制的主要方面。其研究的主要方面是提高大柔性结构的控制效果，减少振动的影响。近年来，大量新型材料被应用于大柔性结构的振动主动控制，但是在减振方面还需进一步研究。

 随着我国土木工程施工材料和技术的不断改进，土木工程领域的建筑和桥梁结构逐渐扩大，但随之带来的是结构的强度明显降低，建筑的舒适性和抵抗外力的作用已达不到工程要求。因此人们开始考虑对土木工程结构实行振动控制，实践证明达到了一定的减振效果。土木工程结构的振动主动控制不是定时常规的线性控制系统，需要在工程进行中根据实际情况实时作出判断，建立系统。因此，在自适应控制方面还需进一步深入探索。

 同样在车辆工程方面，为满足人们驾驶车辆的稳定性和乘坐舒适性要求，相关研究人员在减少车辆的振动方面进行了大量尝试，比如成本较低的开关式半主动隔振系统，该系统由开关控制，具有很强的非线性。但是由于市场和技术的难度，在强迫振动方面还未进行大量研究，如何攻克这项难题是目前研究的重点。

 一些高密度的机械加工对加工机床的振动有严格的要求，传统的振动被动控制已不能满足精密加工的要求，必须进行主动控制。机器人和各种电子设备的加工向轻量级方向发展，控制机器人的柔性机械臂问题受到重点关注。机械工程领域控制转子的振动一直比较重要，近年主要探索利用新型材料来改善振动，也获得了一些成功。

2  机械振动的主动控制

2.1  机体振动主动控制

 机体的振动主动控制主要应用在精密加工的主动隔振中，防止地面振动造成机体振动。由于精密加工的严格要求，主动控制能对振动进行有效控制。其中最常见的方法是在基础和机体间安装作动器，提供主动控制力，减小机体振动。机体振动主动控制原理如图1所示。当传感器接收到机体的振动信号后，由控制器处理，驱动作动器达到减小振动的目的。其中传感器是整个工作原理的关键，高精度的传感器能够增强减振效果。

2.2  转子振动主动控制

 1970年开始对转子振动主动控制进行研究，主要对象是挠性转子。转子振动主动控制主要是对高速运转的机械超过临界转速情况下运转引起的振动进行控制，因此保证转子的安全稳定运行是关键。

2.2.1  主动磁悬浮技术

 主动磁悬浮技术以其非接触、无摩擦、无润滑和低功耗等特点，成为转子振动主动控制的重要技术。其中电磁轴承可以当作作动器控制挠性转子，该技术通过计算机模拟，肯定了其可行性。而且还通过此项技术研究出了控制刚度和阻尼的方法，均得到了很好的验证。

2.2.2  挤压油膜技术

 挤压油膜技术也能实现对转子的振动主动控制。转子的振动偏幅能够通过油膜阻尼器来降低，而且其质量轻、体积小、结构简单，可以充分提高转子的稳定性。因此该技术早在20世纪60年代就被应用于航空发动机上，但是这还是一种被动的阻尼器，会给机体造成严重影响，在此基础上，又研究出了减振更好的可控挤压油膜轴承。

2.2.3  电流变技术

 由于电流变阻尼器在减振方面具有很好的效果，因此电流变技术经过研究人员的证实可用于控制转子的振动；同时发现通过控制电场强度也可以控制转子振动，只需将电流变液体注射到挤压油膜阻尼器内即可。研究者的多项研究表明，电流阻尼器可以很好地控制振动。

2.2.4  主动静压轴承技术

 超精密机床运转大多采用液体或者空气来对主轴进行静压，研究者提出了主动静压轴承技术来扩大机床的回转精度。

2.3其他方面

 还有对机器人等其他精密、高速、承载力大的机械领域的柔性机械臂的振动进行控制。

3振动主动控制方法

3.1  极点配置法

 极点配置主要是对特征值和特征向量进行配置，振动主动控制系统的动态特性由特征值决定，稳定性由特征向量决定，而特征值和特征向量又是根据系统的动态要求来确定，通过反馈和输出反馈改变极点位置，达到控制的目的。

3.2  自适应控制

 当机械结构和参数不确定时，可以选择自适应控制，其中包括前馈、校正、模型参考。前馈控制通常认为干扰源是可以测定的；校正是通过在线识别参数并对参数进行整定的方式；模型参考是将受控结构通过自适应驱动，输出参考模型。

3.3  最优控制

 理论上采用极值、动态规划和最优滤波方法可以实现机械结构振动的最优控制，实际中经常采用建立降阶模型的方法。但由于模型的约束条件很多，很难实现最优控制，只能进行次最优控制，但如果将极点配置法和最优控制结合起来，设计一种低阶控制器就能实现最优控制。

3.4鲁棒控制

 鲁棒控制是根据线性规律和系统的抗干扰能力反馈来满足控制要求。其中，滑膜变结构控制和滑膜变结构与自适应控制结合的方法，已经得到了广泛应用。这种控制方法能很好地解决高开关切换频率引起的振动，

4发展展望

 (1)振动主动控制技术在航空航天和土木工程领域仍是研究的重点和热点。

 (2)精密机械工程的微幅振动主动控制技术，以及传统控制技术理论是否完全适用于该技术是需要进一步研究的重点方向。

 (3)高精度、稳定性较强的传感器、作动器等新型材料的研究是必然。

 (4)智能化控制方法的研究可以对实际系统的非线性结构的不确定性进行良好控制，也可以将智能化与鲁棒等控制方法结合，这需要多学科的共同努力。

5结束语

 纵观当前基于机械振动主动控制技术的研究现状，可以肯定的是在一些方面已取得了一定的成效，但是，之前研究的振动主动控制技术已很难满足目前精密机械加工所要求的微幅振动控制方法，因此，在今后的研究中，重点将放在机械振动控制的现代化和智能化方面，以适应更高的振动控制要求。