柔性结构振荡控制的方法与技巧

根据是否需要外界能源，柔性结构振动控制方法分为被动控制方法和主动控制方法。被动控制方法是指在材料和结构上对系统进行重新设计，选择耗能和储能材料，通过结构设计改变机构的质量、刚度和阻尼，从而改变系统的固有频率和阻尼比，达到振动控制的目的。被动控制方法不需要外界能源，在许多场合得到了应用。但这一方法受到工程材料和机械结构等因素的限制。

主动控制方法可以分为两类：闭环控制技术和开环控制技术。闭环控制方法主要包括［2-3］线性控制、H∞控制、滑模控制、自适应控制、非线性控制和神经网络控制、模糊控制等。闭环控制原理是通过对振动状态进行在线检测来实时调节执行器的运动轨迹实现振动抑制任务。振动状态检测误差对控制效果影响很大。柔性结构通常具有小阻尼的特点，很多应用领域尚没有经济上可接受和易于工程实现的传感器方案能对振动状态进行在线检测，因而影响了反馈控制实际应用。人的操作实质上也是一种反馈过程，反馈控制器会与操作者之间的操作过程发生冲突。如果选择低权控制器将不会干扰人操作，但是振动控制效果较差。

开环控制方法通过修改输入命令来产生最小振动效果的最优运动轨迹。Input Shaping技术是将输入命令与一系列脉冲函数的离散卷积来构造整形后的命令驱动机器运动，以达到振动抑制的目的。这种特定的脉冲函数被称作Input Shaper。目前比较常用的Input Shaper 有ZV Shaper、ZVD Shaper、EI Shaper 和SI Shaper。成功地应用在桥式起重机［4］、塔式起重机［5］、悬臂起重机［6］、码头起重机［7］、三坐标测量机［8］、飞行器［9］、多种类型机器人［10-12］、微型铣床［13］、纳米驱动平台［14］和线性步进电机［15］的振动控制。但是Input Shaping技术构造的速度曲线在边界附近可能出现加速度急剧变化，容易对机器产生冲击。Input Shaping技术对机械系统参数不灵敏范围可以做到很宽，但是不能抑制外扰动引起的振动。Input Shaping技术对线性单模态柔性机械系统效果很好。抑制多模态系统振动需要依赖高模态信息，高模态模型很难精确测量和估计，因而对多模态机械系统振动抑制效果有限。

人类使用光滑函数来抑制机械系统振动有很长的历史，至今有几百篇科学论文对光滑函数实现振动抑制进行过报道。有代表性的光滑函数技术包括S曲线［16］、三角函数［17］、高斯曲线［18］、样条函数［19］和凸轮多项式曲线［20］。光滑函数促使速度曲线缓慢增大到最大速度，或者引导速度曲线缓慢减小。所产生的光滑速度曲线减小了柔性结构产生振动的趋势，这些光滑函数曲线在制造业有广泛应用。缺点是没有利用柔性结构的一些已知的固有特性，仅仅提供低通滤波特性来抑制振动［21］，因而具有较差的鲁棒性和较长的调节时间。(www.xing528.com)

数字滤波是将输入指令与一系列脉冲函数的离散卷积来构造整形后的指令驱动机器运动。从功能上说低通滤波器和陷波滤波器都可以实现振动抑制的作用。低通滤波器是利用高频滤波特性来抑制机械振动。柔性结构的固有频率被设计为陷波滤波器在滤波频率带上时也可以抑制机械振动。但是低通滤波器和陷波滤波器具有较差的鲁棒性和较长的调节时间。

最优运动路径属于逆动力学问题求解。它是通过对机械系统动力学过程进行计算和分析，以振动抑制为目标计算得到最优运动路径，通过设计控制器来驱动机器沿着这个计算出的最优路径运动，以达到减小振动的目的。但是这种方法设计计算复杂，不容易工程实现。