魏廣威，王漢平，楊 鳴，王紹助，王林鵬

(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081)

在航空系統(tǒng)中，飛行器的氣動(dòng)彈性會(huì)引起一系列的振動(dòng)，如自激振動(dòng)引起的蒙皮顫振、翹曲發(fā)散、跨音速區(qū)因氣流分離而產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)即抖振效應(yīng)等，例如德國(guó)的V－2導(dǎo)彈在荷蘭的普里伯特˙馬薩試驗(yàn)時(shí)就多次發(fā)生因蒙皮顫振而引起的事故。推力偏心、質(zhì)量偏心以及陣風(fēng)、紊流、氣動(dòng)力等各種不對(duì)稱因素也都會(huì)使導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中產(chǎn)生彈性振動(dòng)(彎曲)，從而加大了導(dǎo)彈的攻角和偏角，對(duì)其控制系統(tǒng)性能造成一定程度的影響，彈性振動(dòng)引起的彈體失穩(wěn)而發(fā)生的事故有很多。如某彈道式導(dǎo)彈在設(shè)計(jì)穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)，將彈看成了絕對(duì)剛體，沒有考慮彈的彎曲振動(dòng)的影響，結(jié)果在靶場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，在飛行的第8 s鐘，導(dǎo)彈由于失穩(wěn)而嚴(yán)重偏離彈道，在最后60 s落地墜毀。在關(guān)世義譯的文獻(xiàn)中列舉了20種飛機(jī)和21種導(dǎo)彈的失穩(wěn)事例，可以說(shuō)明這一問(wèn)題的嚴(yán)重性和研究意義［1］;隨著大長(zhǎng)徑比導(dǎo)彈的發(fā)展，長(zhǎng)徑比的增加使得導(dǎo)彈的抗彎剛度和橫向振動(dòng)的固有頻率降低，在發(fā)射過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生橫向彎曲振動(dòng)，會(huì)引起起始擾動(dòng)，而且彈身的振動(dòng)將給整個(gè)導(dǎo)彈系統(tǒng)帶來(lái)一系列影響，導(dǎo)致導(dǎo)彈所攜帶儀器的工作精度下降、影響控制系統(tǒng)的控制精度，影響發(fā)射特性、飛行特性以及射擊精度等等，這些影響疊加在一起最終會(huì)影響到導(dǎo)彈的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訉?dǎo)致導(dǎo)彈的損毀。Choi H D研究了KSR(Korea Sounding Rocket)－II型兩級(jí)音速火箭的控制問(wèn)題，該型火箭長(zhǎng)徑比達(dá)到26，箭體的彈性振動(dòng)相當(dāng)明顯，他們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)彈性振動(dòng)會(huì)通過(guò)反饋通道疊加到控制器的輸出上，從而對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，作者通過(guò)采用自適應(yīng)濾波技術(shù)，在反饋通道中濾掉這種影響，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性［2］。因此，彈性體導(dǎo)彈的振動(dòng)主動(dòng)控制問(wèn)題已經(jīng)成了必須要解決的問(wèn)題，是振動(dòng)控制要拓展應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。

在航天領(lǐng)域，大型化、低剛度與柔性化是各類航天結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，這類大型柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼小，對(duì)這些彈性體的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制更是必不可少的。以大型運(yùn)載火箭為例，需要減振控制的部位很多，例如儀器倉(cāng)，由于安裝有火箭的控制、遙測(cè)等各種儀器，對(duì)振動(dòng)環(huán)境有嚴(yán)格的要求;船箭或星箭接口支架，它傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、級(jí)間分離等引起的對(duì)飛船或衛(wèi)星的沖擊，振動(dòng)控制可以減少?zèng)_擊對(duì)飛船或衛(wèi)星的影響;飛船逃逸系統(tǒng)的柵格翼打開后，要保證飛船運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定，振動(dòng)控制是重要的保證措施。隨著一些事故的發(fā)生，彈性體的振動(dòng)控制越來(lái)越引起人們的關(guān)注和研究，所以，在航天航空領(lǐng)域，彈性體的振動(dòng)控制是振動(dòng)主動(dòng)控制急需拓展的領(lǐng)域。

1 振動(dòng)主動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

1955年，美國(guó)科學(xué)家率先提出了振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究報(bào)告，進(jìn)入上世紀(jì)70年代振動(dòng)主動(dòng)控制才進(jìn)入廣泛的探索階段，如1972年Jnares等首先提出結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的概念，1979年國(guó)際理論和應(yīng)用力學(xué)協(xié)會(huì)(IUTAM)召開了首屆振動(dòng)主動(dòng)控制學(xué)會(huì)研討會(huì)。盡管如此，上世紀(jì)70年代仍是被動(dòng)控制技術(shù)占主導(dǎo)地位，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)只停留在研究和探索階段，應(yīng)用很有限。上世紀(jì)80年代，現(xiàn)代控制理論—尤其是隨著信號(hào)處理技術(shù)的成熟，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。發(fā)展到上世紀(jì)90年代，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)已日趨成熟，其研究對(duì)象己經(jīng)從簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，控制系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的單輸入單輸出發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)，控制方法也在不斷改進(jìn)，如近年來(lái)出現(xiàn)的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制新型方法均有在振動(dòng)主動(dòng)控制中得到應(yīng)用。

振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)是指在振動(dòng)控制過(guò)程中，根據(jù)所檢測(cè)到的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，應(yīng)用一定的控制策略，經(jīng)過(guò)適時(shí)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加某種影響，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在允許的范圍以內(nèi)。振動(dòng)主動(dòng)控制的控制方程是二階常微分方程組，其一般形式:

式(1)中，M、C、K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，且均為n×n階矩陣;p(t)、x(t)分別為系統(tǒng)的n維輸入、輸出向量，u(t)為施加于結(jié)構(gòu)的控制力向量。主動(dòng)控制的目的就在于尋求最佳的主動(dòng)力u(t)，使結(jié)構(gòu)在給定的輸入情況下，其輸出x(t)滿足一定的要求。

下文就振動(dòng)主動(dòng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，主要從作動(dòng)器和控制律兩方面進(jìn)行分析:

1.1 振動(dòng)主動(dòng)控制中的作動(dòng)器

對(duì)于主動(dòng)控制系統(tǒng)，作動(dòng)器是不可缺少的重要器件。傳統(tǒng)型有液壓作動(dòng)、氣壓作動(dòng)、電磁作動(dòng)3種;新型的有壓電陶瓷(PZT)、壓電薄膜(PVDF)、電致伸縮陶瓷(ES)、形狀記憶合金(SMA)、磁致伸縮合金(MS)、電流變流體(ERF)等6種。

振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究的重點(diǎn)課題之一就是用主動(dòng)控制技術(shù)控制彈性航天器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。利用機(jī)敏(智能)材料作為傳感器和作動(dòng)器元件控制彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)已引起廣泛的關(guān)注，而壓電智能材料以其優(yōu)良的機(jī)電耦合特性被越來(lái)越多的應(yīng)用于航空、航天器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制當(dāng)中，代表了目前研究和應(yīng)用中的一個(gè)廣闊而又活躍的領(lǐng)域。文獻(xiàn)［3］提出了采用壓電元件作為傳感器和作動(dòng)器，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的柔性結(jié)構(gòu)主動(dòng)振動(dòng)控制方法，對(duì)柔性梁在正弦和偽隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)下的振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，取得了較好的控制效果。David Ertur將壓電作動(dòng)器應(yīng)用在柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制中［4］。文獻(xiàn)［5］使用壓電作動(dòng)器和PVDF薄膜做模態(tài)傳感器對(duì)板振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制試驗(yàn)。文獻(xiàn)［6］利用壓電陶瓷作為作動(dòng)器采用獨(dú)立模態(tài)控制法對(duì)柔性懸臂梁的前兩階模態(tài)實(shí)施主動(dòng)控制，控制后明顯增加了柔性懸臂梁的結(jié)構(gòu)阻尼。EdwardF.Crawley給出了壓電陶瓷與宿主結(jié)構(gòu)作用的詳細(xì)模型［7］。文獻(xiàn)［8］以壓電陶瓷作為作動(dòng)器，研究表明基于主動(dòng)振動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)的SRF補(bǔ)償器可以大幅度地提高撓性結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的阻尼，抑制撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。文獻(xiàn)［9］以多柔性機(jī)械臂為研究對(duì)象，采用PID模糊控制融合的方法建立控制系統(tǒng)，利用壓電陶瓷作為作動(dòng)器，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，控制了柔性機(jī)械臂的彈性振動(dòng)。Giurgiutiu介紹了壓電晶片傳感器在航空航天中的應(yīng)用［10］。Suleman對(duì)壓電作動(dòng)器用于飛機(jī)的氣動(dòng)彈性振動(dòng)控制的可行性進(jìn)行了研究［11］。Hansson研究了壓電單元用于火車體的豎向彈性振動(dòng)控制［12］。文獻(xiàn)［13］提出并設(shè)計(jì)制作了一種新穎的弓型壓電作動(dòng)器，將其應(yīng)用在彈性梁振動(dòng)主動(dòng)控制中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種弓型壓電作動(dòng)器具有良好的作動(dòng)效能。

壓電材料在目前的振動(dòng)控制中使用比較廣泛，其中壓電材料的位置分布是目前振動(dòng)主動(dòng)控制中一個(gè)很活躍的研究課題。Ning采用遺傳算法研究了結(jié)構(gòu)主動(dòng)振動(dòng)控制中壓電作動(dòng)器的最優(yōu)數(shù)量和位置問(wèn)題［14］。Li Y等以控制系統(tǒng)能耗最大為基礎(chǔ)，提出了一種新的同時(shí)考慮壓電致動(dòng)器/傳感器和控制器反饋增益優(yōu)化方法［15］。Kumar K等將壓電致動(dòng)器/傳感器位置描述為零一優(yōu)化問(wèn)題，以 LQR控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)函數(shù)最小化為目標(biāo)函數(shù)用遺傳算法求解零一問(wèn)題，獲得了致動(dòng)器/傳感器的最優(yōu)位置［16］。Roy等首先基于系統(tǒng)可控性指標(biāo)采用遺傳算法獲得了壓電致動(dòng)器/傳感器的最優(yōu)位置，進(jìn)而又以閉環(huán)系統(tǒng)阻尼比為目標(biāo)函數(shù)研究了最優(yōu)控制器中權(quán)矩陣的優(yōu)化［17］。

1.2 振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)算法

主動(dòng)控制的算法決定了控制系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期控制效果，不同的環(huán)境條件、不同的要求精度、不同的控制對(duì)象要求的控制算法有所不同，振動(dòng)主動(dòng)控制器的控制算法列舉如下，其中就模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制進(jìn)行了詳細(xì)論述。

傳統(tǒng)的控制算法主要有以下幾種:

1)獨(dú)立模態(tài)空間控制方法。將無(wú)限自由度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為在模態(tài)空間內(nèi)少量幾個(gè)模態(tài)的控制，即把具有分布參數(shù)特征的彈性體離散化為模態(tài)序列，通過(guò)控制振動(dòng)的主模態(tài)對(duì)彈性體進(jìn)行控制。Baz和Poh研究提出了用少于受控模態(tài)的作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)模態(tài)控制的修正的獨(dú)立模態(tài)空間控制方法［18］。

2)最優(yōu)控制法。它是現(xiàn)代控制理論中的控制方法，用極值原理、最優(yōu)濾波、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、隨機(jī)分析原理等最優(yōu)化方法設(shè)計(jì)控制算法。Hsiao利用最優(yōu)控制在模態(tài)空間中得到了較好的結(jié)果［19］。Huang利用一種新的最優(yōu)控制方法，減少了實(shí)時(shí)計(jì)算量［20］。

3)自適應(yīng)控制法。自適應(yīng)控制可分為自適應(yīng)前饋控制、自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制，自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有不確定性的系統(tǒng)，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。Rodellar研究了混合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的直接自適應(yīng)控制方法［21］。

4)直接輸出反饋和前饋控制。直接輸出反饋可以避免獨(dú)立模態(tài)空間控制方法中的模態(tài)溢出等問(wèn)題，但是控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定則存在爭(zhēng)議，R.L.Clark認(rèn)為控制系統(tǒng)如果考慮傳感器件動(dòng)力學(xué)和電路信號(hào)放大、調(diào)節(jié)的情況，控制系統(tǒng)將面臨穩(wěn)性、魯棒性的問(wèn)題［22］。前饋控制的作用是從擾動(dòng)施加到系統(tǒng)時(shí)開始的，要比反饋控制系統(tǒng)反應(yīng)快。Sungkook KANG指出只有在擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性已知時(shí)，前饋控制的作用才是顯著的［23］。

5)極點(diǎn)配置法。它是根據(jù)對(duì)被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，確定系統(tǒng)特征值與特征向量的分布，通過(guò)狀態(tài)反饋或輸出反饋來(lái)將系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)放在復(fù)平面中預(yù)定的位置，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的要求。文獻(xiàn)［24］在常規(guī)極點(diǎn)配置法的基礎(chǔ)上，提出了同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)極點(diǎn)和傳感器/作動(dòng)器位置的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

實(shí)際應(yīng)用的彈性體結(jié)構(gòu)一般是一個(gè)非線性時(shí)變動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)理論分析建立較為準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型十分困難，如在彈性體導(dǎo)彈主動(dòng)減振控制領(lǐng)域，振動(dòng)主動(dòng)控制應(yīng)用還不是很廣泛，原因主要有兩點(diǎn):其一是現(xiàn)有導(dǎo)彈振動(dòng)大都仍在容許的范圍內(nèi)，且工程上更偏向于從材料和結(jié)構(gòu)上解決導(dǎo)彈的振動(dòng)問(wèn)題;其二是從減振控制的角度進(jìn)行減振設(shè)計(jì)本身存在諸多難點(diǎn)，它首先要求精確的描述彈體的整個(gè)耦合關(guān)系，由于導(dǎo)彈的橫向振動(dòng)受到各種因素影響，這種耦合關(guān)系的描述較為困難。所以急需解決具有不確定性、非線性、時(shí)變和滯后的復(fù)雜系統(tǒng)的建模與控制問(wèn)題，傳統(tǒng)的振動(dòng)控制方法在這一領(lǐng)域受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，從而要求人們探索新的振動(dòng)控制方法。故一些新型的控制算法就得到了蓬勃發(fā)展，也是近期主動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前彈性體振動(dòng)控制律研究較多的主要有模糊控制、H∞魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，下面就這些控制算法的研究進(jìn)行分析。

魯棒控制選擇線性反饋律，使得閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性或性能對(duì)于擾動(dòng)具有一定的抵抗能力。當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)小擾動(dòng)時(shí)，實(shí)際模態(tài)可能發(fā)生很大的變化，必須考慮魯棒性問(wèn)題。Liu等人利用μ理論研究了結(jié)構(gòu)中剛度參數(shù)含不確定性的魯棒控制問(wèn)題［25］。Nishitani給出了使用降階模型的H∞結(jié)構(gòu)響應(yīng)控制。H∞控制將魯棒性直接反映在控制性能指標(biāo)上，設(shè)計(jì)出的控制律具有其他方法無(wú)可比擬的穩(wěn)定魯棒性［26］。Friang J P探討了彈性體導(dǎo)彈的彈性變形環(huán)節(jié)所帶來(lái)的參數(shù)不確定性問(wèn)題以及建模不確定性問(wèn)題，用H∞回路成形方法設(shè)計(jì)魯棒控制方案，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析［27］。文獻(xiàn)［28］運(yùn)用附加作動(dòng)力進(jìn)行主動(dòng)減振，提出了彈性體導(dǎo)彈主動(dòng)減振組合控制方案，仿真分析了控制器的減振效果。他們針對(duì)解耦的剛性子系統(tǒng)設(shè)計(jì)H∞控制器模擬彈性體導(dǎo)彈的剛體控制器，針對(duì)彈性子系統(tǒng)設(shè)計(jì)LQR控制器，再基于耦合關(guān)系對(duì)H∞控制器和LQR控制器進(jìn)行組合，得到主動(dòng)減振組合控制器。

模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，模糊控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展為振動(dòng)主動(dòng)控制帶來(lái)了新的活力，它不僅提供系統(tǒng)的客觀信息，而且可以將人類的主觀經(jīng)驗(yàn)和直覺納入控制系統(tǒng)，這就為非線性、存在不確定因素、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制提供了更為有力的理論方法。模糊控制直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。模模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的不利影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。

模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，組成如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)的原理

模糊控制器的控制是通過(guò)微機(jī)采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E，把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化成模糊量，誤差E的模糊量可用響應(yīng)的模糊語(yǔ)言來(lái)表示，由誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策，得到模糊控制量u

式(2)中u是一個(gè)模糊量。在模糊控制理論中，由于被控對(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制策略的不同，可以構(gòu)成各種類型的控制器:如Fuzzy-PID復(fù)合控制，常見的是Fuzzy-PI雙?？刂菩问?參數(shù)自整定模糊控制;模型參考自適應(yīng)模糊控制;自組織模糊控制;具有自學(xué)習(xí)功能的模糊控制;多變量模糊控制等。

自從L.A.Zadeh首先提出了用模糊集合描述事物以來(lái)，模糊數(shù)學(xué)及應(yīng)用的發(fā)展十分迅速，為解決不易或無(wú)法建模的復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題提供了有力的手段，模糊技術(shù)在振動(dòng)控制中得到了較廣泛的應(yīng)用。Joghataie A利用模糊推理規(guī)則改進(jìn)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器［29］。文獻(xiàn)［30］將模糊控制與優(yōu)化方法相結(jié)合，提出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)橫向振動(dòng)的模糊控制方法。文獻(xiàn)［31］將模糊控制和PI控制相結(jié)合應(yīng)用于壓電撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制，采用Fuzzy-PI雙模控制方法，對(duì)瞬態(tài)激勵(lì)作用下?lián)闲詰冶哿旱恼駝?dòng)主動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［32］在已有模糊控制和自適應(yīng)方法相結(jié)合的控制基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊邏輯的自適應(yīng)前饋振動(dòng)控制方法，針對(duì)柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算結(jié)果表明模糊自適應(yīng)前饋濾波達(dá)到了預(yù)期的控制效果。文獻(xiàn)［33］提出了一種模糊自整定PID算法，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)模糊自整定PID控制器，通過(guò)模糊控制規(guī)則在線調(diào)整PID控制器參數(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳整定，從而實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂的振動(dòng)主動(dòng)控制。文獻(xiàn)［34］結(jié)合模糊控制方法智能化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種不依賴模型參數(shù)且可以自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器增益的控制算法，試驗(yàn)表明，模糊變?cè)鲆婵刂品椒ūＡ袅似胀≒ID控制的穩(wěn)定性能，并且結(jié)合模糊控制方法智能化的特點(diǎn)，使系統(tǒng)具備了更強(qiáng)的適應(yīng)能力和適用范圍。Qu Wenzhong在柔性結(jié)構(gòu)上研究了自適應(yīng)模糊振動(dòng)主動(dòng)控制算法的有效性。試驗(yàn)中采用了兩種模糊控制器，一種模糊控制器用來(lái)辨識(shí)柔性結(jié)構(gòu)非線性系統(tǒng)的誤差通道，抑制參考信號(hào)對(duì)非線性系統(tǒng)的擾動(dòng);另一種模糊控制器通過(guò)非線性壓電作動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明了這種控制算法的有效性［35］。Gustavo Luiz C.M.de Abreu和Jose F.Ribeiro以壓電材料作為傳感器利用自組織模糊控制算法對(duì)柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制研究。試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)這種控制策略能方便地執(zhí)行，粘連在柔性結(jié)構(gòu)上的壓電作動(dòng)器能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制且控制效果在預(yù)先設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)［36］。目前模糊振動(dòng)控制取得了一定的研究成果，也存在一些問(wèn)題，如精度不太高，自適應(yīng)能力有限，易產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象等，為進(jìn)一步應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)了研究的動(dòng)力。

智能控制中最具代表性的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，作為智能控制的一個(gè)重要分支，在“黑箱”系統(tǒng)的辨識(shí)與非線性控制方面表現(xiàn)出巨大的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能大規(guī)模并行分布處理非線性系統(tǒng)，故在更高層次上體現(xiàn)了人類的智能行為。而控制系統(tǒng)所面臨的愈來(lái)愈嚴(yán)重的挑戰(zhàn)促進(jìn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展，目前這一研究正蓬勃發(fā)展、方興未艾。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術(shù)方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、魯棒性、容錯(cuò)性和自組織離散分布處理能力，不僅可以用于系統(tǒng)模型的辨識(shí)，也可用于系統(tǒng)振動(dòng)控制，對(duì)于非線性具有很強(qiáng)的逼近或映射能力，尤其適用于描述復(fù)雜非線性系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)控制中，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算過(guò)程中誤差的反復(fù)計(jì)算和迭代過(guò)程計(jì)算量很大，會(huì)遇到耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，因此較適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前控制中常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP網(wǎng)絡(luò))。

目前已將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊技術(shù)互相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由此組成一種更接近人腦的智能信息處理系統(tǒng)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有其他控制法所不具有的優(yōu)點(diǎn)，故在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)［37］將最優(yōu)控制算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了受隨機(jī)波浪力作用下的海洋平臺(tái)的振動(dòng)主動(dòng)控制。文獻(xiàn)［38］采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的間接自適應(yīng)控制策略對(duì)彈性連桿機(jī)構(gòu)實(shí)施了振動(dòng)主動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，取得了比較理想的減振效果。Kavous Jorabchi等人基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用反饋線性化控制方法(NARMA－L2模型)對(duì)智能尾翼結(jié)構(gòu)減振系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)和控制，并通過(guò)閉環(huán)測(cè)試跟PID控制器進(jìn)行控制效果的比較［39］。文獻(xiàn)［40］采用間接神經(jīng)參考模型自適應(yīng)控制方法對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)主動(dòng)控制研究。文獻(xiàn)［41］采用線性人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行在線辨識(shí)，并利用辨識(shí)得到的信息，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，將該算法應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼振動(dòng)主動(dòng)控制數(shù)值仿真。文獻(xiàn)［42］分別利用模態(tài)控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考控制方法對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［43］以某型飛行器的垂尾模型為研究對(duì)象，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了垂尾結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的非線性振動(dòng)模型辨識(shí)和振動(dòng)主動(dòng)控制研究和實(shí)驗(yàn)。

2 主動(dòng)控制技術(shù)展望

現(xiàn)有的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展雖然取得了一些成果，但是還有一些理論和技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和探索。

1)研究智能主動(dòng)控制算法，如連續(xù)分布系統(tǒng)的控制方法、存在非線性特性和結(jié)構(gòu)的時(shí)變不確定性系統(tǒng)的控制方法。隨著系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)控制算法受到很大限制，需要發(fā)展智能控制技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，而智能控制技術(shù)在振動(dòng)主動(dòng)控制中亦尚有許多問(wèn)題亟待解決。

2)要實(shí)現(xiàn)更精確的控制，開發(fā)高精度、智能化傳感器、作動(dòng)器和集成化傳感作動(dòng)部件已成必然之勢(shì)，而壓電材料具有正逆壓電耦合效應(yīng)，這使得其既可作為感知外部環(huán)境變化的傳感器，又可作為對(duì)外部環(huán)境變化作出迅速反應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)自身適應(yīng)能力的致動(dòng)器，壓電材料是發(fā)展的趨勢(shì)。

3)結(jié)構(gòu)控制一體化優(yōu)化技術(shù)，即將傳感器、作動(dòng)器、控制器等有機(jī)地與結(jié)構(gòu)集成。主動(dòng)改變結(jié)構(gòu)自身剛度和阻尼分布，自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的目標(biāo)。智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器、作動(dòng)器設(shè)計(jì)及其配置、控制器設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)聯(lián)合進(jìn)行。這種智能結(jié)構(gòu)在航空、航天、建筑等工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 關(guān)世義譯.關(guān)于氣動(dòng)彈性引起的飛行器控制系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性的調(diào)查［J］.外國(guó)海軍導(dǎo)彈科技動(dòng)態(tài)，1978(10):52－54.

［2］ Choi H D，Bang H.An adaptive control approach to the attitude control of a flexible rocket［J］.Control Engineering Practice，2000，18(9):1003 －1010.

［3］ 路小波，陶云剛.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制研究［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2000，13(1):107 －110.

［4］ David Ertur.Adaptive vibration isolation for flexible structures［J］.Journal of Vibration and Acoustics，1999 12(1):440－445.

［5］ Y.Gu，R.L.clark，C.R.Fuller.Experiments on Active Control of Plate Vibration Using Piezoelectric Actuators and Polyvinylidene Fluoride(PVDF)Model Sensors［J］.Journal of Vibration and Acoustics，Transactions of the ASME.July 1994，116:303 －308.

［6］ 吳大方，劉安成，麥漢超.壓電智能柔性梁振動(dòng)主動(dòng)控制研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，2(30:)160－163.

［7］ Edward F.Crawley，Eric H.Anderson.Detailed Models of Piezoceramic Actuation of Beams［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Struetures，1990(1):101 －103.

［8］ 朱良寬，馬廣富.撓性航天器魯棒反步自適應(yīng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)及主動(dòng)振動(dòng)抑制［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28(2):132－136.

［9］ 周剛.PID模糊控制融合的壓電柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)，2007.

［10］ Giurgiutiu V，Zagrai A，Bao J.Piezoelectric Wafer Embedded Active Sensors for Aging Aircraft Structural Health Monitoring［J］.Structural Health Monitoring，2002，1(1):41－61.

［11］ Suleman A，Costa A.Adaptive control of an aeroelastic flight vehicle using piezoelectric actuators［J］.Computers ＆Structures，2004，82(17 －19):1303 －1314.

［12］ Hansson J，Takano M，Takigami T，et al.Vibration Suppression of Railway Car Body with Piezoelectric Elements［J］.JSME International Journal Series C，2004，47(2):451－456.

［13］楊智春，王巍.一種新型壓電作動(dòng)器及在結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2008，30(5):735 －738.

［14］ Ning H.Optimal number and placements of piezoelectric patch actuators in structural active vibration control［J］.Engineering Computations，2004，21(6):651 －665.

［15］ Li Y，Onoda J，Minesugi K.Simultaneous optimization of piezoelectric actuator placement and feedback for vibration suppression［J］.Acta Astronautica，2002，50(6):335－341.

［16］ Kumar K，Narayanan S.Active vibration control of beams with optimal placement of piezoelectric sensor/actuator pairs［J］.Smart Materials and Structures，2008，17:055008.

［17］ Roy T，Chakraborty D.Optimal vibration control of smart fiber reinforced composite shell structures using improved genetic algorithm［J］.Journal of sound and vibration，2009，319(1－2):15－40.

［18］ Baz A，Poh S.Experimental Implementation of the Modified Independent Modal Space Control Method［J］.Journal of Sound and Vibration，1990，139(1):76 －79.

［19］ Min-Hung Hsiao.An Optimal Modal-Space Controller for Structural Damping Enhancements［C］//Maryland:Proceedings of the American Conf.，Baltimore，June，1994.

［20］ Shiuh-Jer Huang etc.Active Optimal Vibration Control for a Lumped System［J］.Computers ＆ Structures，1994，51(6):45－47.

［21］ Rodellar J.Response analyses of buildings with a new nonlinear base isolation system［C］//Los Angeles:Proc.First World Conf on Struct Control，1994:31 －40.

［22］ Clark R L.Moving Away from Collocated Control［J］.J.of Sound ＆ Vib，1996，190(1):81 －83.

［23］ Sungkook KANG etc.Criterion Functions and Their Control Characteristics for Active Vibration Control［J］.JSME International Journal，Series C，1994，37(3):89 －91.

［24］陳大躍，胡宗武，范祖堯.振動(dòng)控制的特征結(jié)構(gòu)配置［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1991，2(2):75 －81.

［25］ Liu D D，Mao J Q，Zhang J.Structure control with stiffness uncertainty in earthquake zone［C］//Italy:IEEE International Conf.on Control App，1998.

［26］ Nishitani A.H∞structural response control with reduced-order controller［C］//Los An-geles:Proc.First World Conf.Struct.Control，1994，TP4:63 －72.

［27］ Friang J P，Gilles D，Bonnet J P.Robust autopilot for a flexible missile:Loop-Shaping H∞design and real analysis［J］.International Journal of Robust and Nonlinear Control，1998，18(2):129 －153.

［28］高強(qiáng).彈性體導(dǎo)彈振動(dòng)主動(dòng)控制研究［D］.合肥:中國(guó)科技大學(xué)，2009.

［29］ Joghataie A.Neural networks and fuzzy logic in structural control［C］//Los Angeles:Proc.First World Conf.Struct.Control，1994，F(xiàn)A2:63 －72.

［30］ Yuan Y，Wen B C.Studies of a fuzzy control method for a rotor system transverse vibration［C］//Beijing:Proceeding of the International Conference on Vibration Engineering ICVE’94，1994:823 －827.

［31］魏井君，邱志成.基于模糊控制的壓電撓性梁的振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2008，27(12):91－96.

［32］侯新科，劉巍.基于模糊自適應(yīng)控制的懸臂梁振動(dòng)主動(dòng)控制算法研究［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20(3):75－77.

［33］曹青松，周繼惠.基于模糊自整定PID算法的壓電柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2010，29(12):181－186.

［34］邵敏強(qiáng)，陳衛(wèi)東.基于PID控制方法的模糊變?cè)鲆嬲駝?dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44(1):20－24.

［35］ Qu Wenzhong，Sun Jincai，Qiu Yang.Active Control of Vibration using a fuzzy control method［J］.Journal of Sound and vibration.2004(275):917 －930.

［36］ Gustavo Luiz C.M.de Abreu，Jose F.Ribeiro.A Self-organizing fuzzy logic controller for the active control of flexible structures using piezoelectric actuators.Applied Soft Computing，2002(1):271 －283.

［37］周亞軍，趙德有.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海洋平臺(tái)振動(dòng)主動(dòng)控制［J］.船舶力學(xué)，2003，7(5):65 －69.

［38］宋軼民，馬文貴.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的彈性連桿機(jī)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26(5):660 －665.

［39］ Kavous Jorabchi，Aghil Yousefi-Koma.A Neural Network Controller for Vibration Suppression of a Smart Fin［C］//47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics and Materials Conference，2006(5):1 －4.

［40］王玉輝.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁振動(dòng)主動(dòng)控制研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［41］李偉，童中翔.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)翼振動(dòng)主動(dòng)控制［J］.機(jī)械與電子，2004(9):56－58.

［42］吳召明.梁的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2006.

［43］孫麗華.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)垂直尾翼振動(dòng)主動(dòng)控制［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.

(責(zé)任編輯周江川)