振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展綜述

閆政濤 丁少春 樓京俊

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

0 引言

艦船機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲一直是船舶界研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)，機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)噪聲一方面會(huì)顯著降低設(shè)備本身的使用壽命，另一方面也會(huì)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(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲過大會(huì)降低艦船的戰(zhàn)斗性能。艦船將振動(dòng)噪聲通過船體輻射至水下，這會(huì)使敵人在很遠(yuǎn)的地方通過聲接收設(shè)備就能發(fā)現(xiàn)艦船，從而暴露目標(biāo)［1］。在艦船設(shè)備振動(dòng)控制領(lǐng)域中，目前研究最多的即是振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)［2］。本文將針對(duì)艦船振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，綜述艦船振動(dòng)主動(dòng)控制策略，分析各種控制策略的特點(diǎn)，為進(jìn)一步研制艦船振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

主動(dòng)控制即是在被控對(duì)象系統(tǒng)中增加作動(dòng)器，通過控制算法來調(diào)節(jié)作動(dòng)器的輸出，使作動(dòng)器的輸出與被控設(shè)備的振動(dòng)相抵消，從而達(dá)到減振的目的，可以對(duì)低頻振動(dòng)有較強(qiáng)的跟蹤消除能力，具有更強(qiáng)的靈活性。但主動(dòng)控制技術(shù)能耗巨大，高頻隔振性能不佳，工程上常將主動(dòng)控制和被動(dòng)隔振兩種技術(shù)手段相結(jié)合，以期獲得良好的隔振效果。

圖1是艦船動(dòng)力系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的浮筏主動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。被控位置的振動(dòng)通過傳感器來拾取，控制器進(jìn)一步根據(jù)傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)，結(jié)合控制算法計(jì)算出發(fā)送到作動(dòng)器的信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)反相振動(dòng)以抵消剩余振動(dòng)，從而進(jìn)一步減小振動(dòng)。作動(dòng)器是主動(dòng)控制的執(zhí)行部件，對(duì)控制效果起到非常重要的作用。在對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行建模，所建立模型的精確程度直接影響主動(dòng)控制效果的好壞。此外，主動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)是主動(dòng)控制的核心，算法設(shè)計(jì)的目的是使主動(dòng)控制系統(tǒng)在滿足被控對(duì)象各種約束條件下，選擇合適的控制參數(shù)，求得最優(yōu)控制輸出力，實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

圖1 艦船主動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

本文將僅對(duì)振動(dòng)主動(dòng)控制策略進(jìn)行綜述，以期為主動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

2 控制算法

2.1 最優(yōu)控制算法

最優(yōu)控制算法以現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間理論為基礎(chǔ)，采用極值原理，使用最優(yōu)濾波或者動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)化方法，進(jìn)一步求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)最優(yōu)控制輸入，在振動(dòng)主動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍。當(dāng)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)模型可以被精確建模，并且激勵(lì)和測(cè)量信號(hào)比較確定時(shí)，采用最優(yōu)算法設(shè)計(jì)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(tǒng)建模復(fù)雜，建立其精確的系統(tǒng)模型存在一些困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用最優(yōu)控制算法進(jìn)行船舶隔振控制系統(tǒng)研究也開展了一些研究性工作。但最優(yōu)控制算法要求實(shí)時(shí)求解Riccati方程，增加了應(yīng)用的難度，同時(shí)由于實(shí)際模型的復(fù)雜性，難以用數(shù)學(xué)方法精確描述，因此該方法很難在工程上應(yīng)用。

2.2 自適應(yīng)控制算法

在針對(duì)船舶隔振系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制技術(shù)研究中，理論建立的系統(tǒng)模型與實(shí)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(yīng)控制算法不要求結(jié)構(gòu)參數(shù)模型嚴(yán)格精確，因此具有更強(qiáng)的適應(yīng)性［3］。自適應(yīng)濾波算法以自適應(yīng)算法為基礎(chǔ)，采用FIR濾波器對(duì)抵消通道進(jìn)行辨識(shí)，同時(shí)自適應(yīng)濾波也采用FIR濾波器，因?yàn)榍梆伩刂婆c輸出無關(guān)，因此自適應(yīng)濾波算法具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。但自適應(yīng)算法在控制之前需要對(duì)抵消通道模型進(jìn)行離線辨識(shí)，針對(duì)自適應(yīng)濾波算法中的在線辨識(shí)技術(shù)尚在研究之中。因此，目前所用的自適應(yīng)濾波算法必須在控制之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，或者對(duì)被控系統(tǒng)特性進(jìn)行預(yù)知，且性能比較穩(wěn)定，這就限制了自適應(yīng)濾波算法的應(yīng)用。

2.3 模糊控制算法

振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性，同時(shí)模型結(jié)構(gòu)也具有不確定性，對(duì)于如此復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的線性控制方法難以達(dá)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(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過經(jīng)驗(yàn)和理論分析即可總結(jié)出模糊控制規(guī)則，進(jìn)一步根據(jù)模糊隸屬函數(shù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制［4］。由于該控制規(guī)則基于推理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，因此魯棒性較強(qiáng)。

2.4 功率流控制算法

功率流理論是從物理學(xué)的功率概念中引申而來，它表示單位時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)振動(dòng)大小，從而更科學(xué)地評(píng)估和預(yù)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由于振動(dòng)控制設(shè)備基礎(chǔ)是柔性的，因此機(jī)器設(shè)備與柔性基礎(chǔ)的耦合問題越來越突出，也使得功率流方法得到更多的關(guān)注［5］，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)傳遞功率流可作為評(píng)估隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性的重要指標(biāo)。柔性基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以認(rèn)為是對(duì)基礎(chǔ)傳遞功率流的控制。功率流研究方法主要分為行波方法、統(tǒng)計(jì)能量法、波動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)法、導(dǎo)納功率流方法等。

2.5 混沌隔振控制算法

艦船隔振系統(tǒng)是非線性很強(qiáng)的系統(tǒng)，采用非線性系統(tǒng)控制方法進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制是合適的選擇，混沌控制是近年發(fā)展起來的一種非線性系統(tǒng)控制方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混沌隔振控制理論進(jìn)行了深入研究，已經(jīng)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(chǎn)生持續(xù)的混沌運(yùn)動(dòng)是下一步研究的重點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)是振動(dòng)噪聲控制研究中的關(guān)鍵技術(shù)，近年來國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和機(jī)構(gòu)針對(duì)該技術(shù)展開了卓有成效的研究。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)艦船振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)提出了諸多控制算法，已經(jīng)有成熟的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品。我國(guó)在船舶振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)方面的研究與國(guó)外還有很大差距，還沒有真正應(yīng)用于實(shí)踐的船舶振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)。未來研究將集中于提高控制精度與控制實(shí)時(shí)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(yīng)變沖程的作動(dòng)器和更加適應(yīng)于工程環(huán)境的控制系統(tǒng)是改善振動(dòng)主動(dòng)控制效果的關(guān)鍵。本文針對(duì)艦船的振動(dòng)主動(dòng)控制算法進(jìn)行了綜述，詳細(xì)對(duì)比了各控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，可以作為下一步指導(dǎo)艦船振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

［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(jī)雙層隔振的自適應(yīng)模糊控制方法及模擬試驗(yàn)的研究［J］.船舶工程，2001（6）

［4］趙存生，朱石堅(jiān).雙層隔振系統(tǒng)的模糊—PID控制方法［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（2）

［5］熊冶平，宋孔杰，韓玉長(zhǎng).復(fù)雜柔性耦合系統(tǒng)的功率流傳遞譜［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，1996（4）