振動主動控制技術應用現狀與研究進展綜述

閆政濤 丁少春 樓京俊

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢430033）

0 引言

艦船機械設備振動噪聲一直是船舶界研究的難點與重點，機械設備的振動噪聲一方面會顯著降低設備本身的使用壽命，另一方面也會影響操作人員的正常工作，降低航行的舒適性，最重要的是機械設備振動噪聲過大會降低艦船的戰斗性能。艦船將振動噪聲通過船體輻射至水下，這會使敵人在很遠的地方通過聲接收設備就能發現艦船，從而暴露目標［1］。在艦船設備振動控制領域中，目前研究最多的即是振動主動控制技術［2］。本文將針對艦船振動主動控制技術，綜述艦船振動主動控制策略，分析各種控制策略的特點，為進一步研制艦船振動主動控制系統奠定基礎。

1 振動主動控制技術的應用現狀

主動控制即是在被控對象系統中增加作動器，通過控制算法來調節作動器的輸出，使作動器的輸出與被控設備的振動相抵消，從而達到減振的目的，可以對低頻振動有較強的跟蹤消除能力，具有更強的靈活性。但主動控制技術能耗巨大，高頻隔振性能不佳，工程上常將主動控制和被動隔振兩種技術手段相結合，以期獲得良好的隔振效果。

圖1是艦船動力系統與傳動系統的浮筏主動控制系統示意圖。被控位置的振動通過傳感器來拾取，控制器進一步根據傳感器采集的振動信號，結合控制算法計算出發送到作動器的信號，產生一個反相振動以抵消剩余振動，從而進一步減小振動。作動器是主動控制的執行部件，對控制效果起到非常重要的作用。在對隔振系統進行控制系統設計之前，必須對隔振系統進行建模，所建立模型的精確程度直接影響主動控制效果的好壞。此外，主動控制算法設計是主動控制的核心，算法設計的目的是使主動控制系統在滿足被控對象各種約束條件下，選擇合適的控制參數，求得最優控制輸出力，實現被控系統的最優控制。

圖1 艦船主動控制系統示意圖

本文將僅對振動主動控制策略進行綜述，以期為主動控制系統的發展提供參考。

2 控制算法

2.1 最優控制算法

最優控制算法以現代控制理論中的狀態空間理論為基礎，采用極值原理，使用最優濾波或者動態規劃等最優化方法，進一步求解結構振動最優控制輸入，在振動主動控制領域應用比較普遍。當被控對象結構參數模型可以被精確建模，并且激勵和測量信號比較確定時，采用最優算法設計控制器可以較容易地取得控制效果。由于艦船隔振控制系統建模復雜，建立其精確的系統模型存在一些困難，國內外學者對采用最優控制算法進行船舶隔振控制系統研究也開展了一些研究性工作。但最優控制算法要求實時求解Riccati方程，增加了應用的難度，同時由于實際模型的復雜性，難以用數學方法精確描述，因此該方法很難在工程上應用。

2.2 自適應控制算法

在針對船舶隔振系統進行主動控制技術研究中，理論建立的系統模型與實際物理模型必定存在一定的誤差，采用一般的控制算法無法取得較好的控制效果，但自適應控制算法不要求結構參數模型嚴格精確，因此具有更強的適應性［3］。自適應濾波算法以自適應算法為基礎，采用FIR濾波器對抵消通道進行辨識，同時自適應濾波也采用FIR濾波器，因為前饋控制與輸出無關，因此自適應濾波算法具有更強的穩定性。但自適應算法在控制之前需要對抵消通道模型進行離線辨識，針對自適應濾波算法中的在線辨識技術尚在研究之中。因此，目前所用的自適應濾波算法必須在控制之前對系統進行辨識，或者對被控系統特性進行預知，且性能比較穩定，這就限制了自適應濾波算法的應用。

2.3 模糊控制算法

振動主動控制系統具有較強的非線性，同時模型結構也具有不確定性，對于如此復雜的振動系統，傳統的線性控制方法難以達到控制要求。模糊控制作為智能控制算法的重要分支，無需精確獲知被控系統的數學模型，通過經驗和理論分析即可總結出模糊控制規則，進一步根據模糊隸屬函數實現主動控制［4］。由于該控制規則基于推理實現系統的控制，因此魯棒性較強。

2.4 功率流控制算法

功率流理論是從物理學的功率概念中引申而來，它表示單位時間內結構耗散能量的能力或外力做功的大小，功率流理論從能量的角度上反映外力大小或結構振動大小，從而更科學地評估和預測系統的動態特性。由于振動控制設備基礎是柔性的，因此機器設備與柔性基礎的耦合問題越來越突出，也使得功率流方法得到更多的關注［5］，研究結果表明，系統傳遞功率流可作為評估隔振系統設計有效性的重要指標。柔性基礎隔振系統的設計也可以認為是對基礎傳遞功率流的控制。功率流研究方法主要分為行波方法、統計能量法、波動控制、結構聲強法、導納功率流方法等。

2.5 混沌隔振控制算法

艦船隔振系統是非線性很強的系統，采用非線性系統控制方法進行振動主動控制是合適的選擇，混沌控制是近年發展起來的一種非線性系統控制方法，國內外學者對混沌隔振控制理論進行了深入研究，已經積累了較為豐富的理論研究成果。但如何在大振幅情況下產生持續的混沌運動是下一步研究的重點。

3 總結與展望

振動主動控制技術是振動噪聲控制研究中的關鍵技術，近年來國內外研究學者和機構針對該技術展開了卓有成效的研究。當前，國內外對艦船振動主動控制系統提出了諸多控制算法，已經有成熟的振動主動控制系統產品。我國在船舶振動主動控制系統方面的研究與國外還有很大差距，還沒有真正應用于實踐的船舶振動主動控制系統。未來研究將集中于提高控制精度與控制實時性方面，研制高靈敏度、高可靠性的傳感器，高模量、高可靠性、大應變沖程的作動器和更加適應于工程環境的控制系統是改善振動主動控制效果的關鍵。本文針對艦船的振動主動控制算法進行了綜述，詳細對比了各控制算法的優缺點，可以作為下一步指導艦船振動主動控制技術研究的基礎。

［1］ Mizuno T，Takasaki M，Kishita D，et al.Vibration Isolation System Combining Zero－power Magnetic Suspension with Springs［J］.Control Engineering Practice，2007（2）

［2］Elliott S J，Serrand M，Gardonio P.Feedback Stability Limits for Active Isolation Systems wit h Reactive and Inertial Actuators［J］.Jour nal of Vibration and Acoustics，2001（2）

［3］繆赟，龔雅萍，劉侍剛，等.柴油機雙層隔振的自適應模糊控制方法及模擬試驗的研究［J］.船舶工程，2001（6）

［4］趙存生，朱石堅.雙層隔振系統的模糊—PID控制方法［J］.海軍工程大學學報，2004（2）

［5］熊冶平，宋孔杰，韓玉長.復雜柔性耦合系統的功率流傳遞譜［J］.聲學學報，1996（4）