基于自寻最优控制方法实现结构振动主动控制

　　工程实际中,很多结构是处于一种周期激振之下,振动响应常常以某一基频分量为主,例如旋转机械的振动响应主要和旋转体的转速相关,并且这一频率如与结构的谐振频率相等,还将使结构进入共振状态。因此,如果能使振动的主要频率分量得到有效抑制,就可有效地减小结构的振动响应。针对这种基本等效于结构承受单频正弦激振的振动状况,找到一种简便实用的振动主动控制方法是有实际意义的。本文提出了一种基于自寻最优控制方法的结构振动响应主动控制技术,其突出的优点就是概念简单、易于理解和便于实现,通过在软、硬件开发的基础上建立自适应控制系统。基于这一控制策略本文对一压电机敏桁架结构进行了振动主动控制实验。实验结果充分表明了这一方法的可行性与有效性。

　　1　控制方法分析

　　自寻最优控制方法[1]是一种自动搜索和保持受控系统输出位于极值状态的控制方法,一般无需建立受控对象的数学模型,仅要求受控对象输入-输出特性有一个代表最优运行状态的极值点。对于受控系统,采用这一控制策略即要求系统自动保持极值运行状态,使运行状态的梯度为零。为了保持最优极值点,控制系统必须具备两个功能:探测和调整。探测是为了获取当前运行状态的信息,调整是为了保持最优运行条件。图1所示为自寻最优控制系统采用切换法的寻优控制过程图。

　　图1(a)为受控对象输入-输出特性,最优点在(x=0,y=0)。在该点附近,一般可认为满足y=kx2,k>0。假设开始时x为负,即比最优输入小,随后匀速增长,如图1(e)所示。这时输出y也随之减小逐渐达到最小值,如图1(c)所示。与此相对应,在图1(d)中,y的微商dy/dt开始为负,然后线性增长,过零后变正,当它达到规定的临界值(切换值)时,输入x立即以同一速度反向变化。由于x减小,所以输出y又减小,dy/dt跳到负值,输出再次逐渐减小到极小值。如此周而复始,形成一个围绕最优点的自动搜索过程,从而使输出量y始终保持在最优点附近波动。

　　采用自寻最优控制方法实现结构振动响应主动控制,基本思想就是设计出能自动调整控制信号相位与幅度的控制器,其输出通过作动器产生控制力作用于受控对象,使受控对象中对振动水平有一定要求的位置上的响应与外扰在这些位置上的响应相抵消,达到消除或降低受控对象

　　振动水平的目的。从这一设计思想出发,控制过程如下:首先直接采样与激振信号相关的参考信号,随机调整相位与幅度作为初始控制信号,通过驱动器输出产生控制力作用于受控对象,开始控制进程。施加控制后,系统同时进行结构响应误差信号的采集,每经过设定次数的若干次采样,即依据最小均方误差准则进行一次相位或幅度的调整。首次调整时,先将初次采样误差均方值作为基准值保存,然后将初始控制信号的相位或幅度在某一方向进行第一次试探调整,并将调整后的控制信号输出。接着再次对误差信号进行设定次数的采样,完成后即进入下一次调整过程。通过判断调整前后误差响应信号均方值的微商正负,就可决定此次调整的方向。如此动态循环调整控制信号的相位与幅度,最终可寻求到最佳相位及幅度,从而保持控制信号在此最优点附近波动。