香港理工大学朱松晔研究团队：自供能主动式振动控制——从概念到模拟测试丨Engineering
香港理工大学朱松晔研究团队：自供能主动式振动控制——从概念到模拟测试丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第4期，原文出自：Self-Powered Active Vibration Control: Concept, Modeling, and Testing
引言
主动式振动控制技术通常拥有优异的控制性能，但其在大型结构应用中常常伴随着巨大的能耗，使得在实际工程应用中较难看到它的身影。针对这一问题，香港理工大学朱松晔研究团队创新性地提出了一种全新的解决方案：自供能的主动式振动控制系统；并针对性地对其拓扑设计、工作原理、能量流动等方面进行了介绍。通过对振动过程中能量流动的详细分析，研究人员进一步确认了系统的自供能可行性。此外，研究人员于实验室内搭建了一套所提出的自供能主动式控制系统，并成功将其应用到一个小型主动隔振台上。通过对解析、数值和实验结果的一系列探究，这个新型系统的有效性与可行性得到了充分的印证。预期这套新型装置可以非常容易地推广到其他多种工程领域中来实现所期望的主动控制效果。
振动控制（有时也被理解为减振或隔振）涵盖了一系列针对保护主结构从而使系统免受外部动态激励的影响的技术。其被广泛地应用于航天、机械和土木等相关结构中，包含噪声控制、车辆悬挂减振、卫星振动控制、大型土木结构在强台风和强地震作用下的减振保护等。 现有的振动控制技术大致上可被分成三类：被动式控制、半主动式控制和主动式控制，而三者各有优劣。 其中被动控制不需要任何外部反馈系统和能量供给，仅仅通过改变结构的固有性质或消耗系统的动能而达到振动控制效果。相比之下，主动控制一般通过施加基于反馈信号的最优主动控制力而达到最优的控制效果。但巨大的能量需求很大程度上限制了其在大型结构中的应用（如土木基础设施结构），此问题在偏远地区能量供给不便的情况下显得尤为突出。半主动控制则介于被动控制和主动控制之间。它在相较主动控制耗能更少的情况下，能够取得一个相较被动控制更好的控制效果。表1总结了针对上述三种振动控制技术的一些既有观念。
表1 不同种类振动控制技术之间的比较
尽管如此， 近年来出现的一些新兴技术使得上述既有观念产生了一定变化。 例如，被动控制和半主动控制的能耗问题，就因为一些新型基于振动的能量采集技术的出现而被重新定义。能够同时提供阻尼并进行能量采集的双功能阻尼器的出现，使得原本的被动阻尼器摇身一变成为能量回收装置（即从零能耗变成了负能耗），其中的电磁装置实现了动能向电能的转化，而电能则可被电容或可充电电池存储起来以供未来之需。鉴于电磁阻尼器已经在振动控制装置中得到了广泛应用（如电磁质量阻尼器或驱动系统、电磁分流阻尼器、电磁惯质阻尼器），这种能量采集范式可在多种应用中得到实现。例如，通过将调谐质量阻尼器（TMD）与能量采集阻尼器结合而得到的能量回收调谐质量阻尼器已被成功研发。部分研究人员回顾了有关具备能量回收功能的减振器的一些最新进展。电动汽车中具备能量回收功能的刹车系统，也是此类可做能量采集的被动阻尼器研究大类中的一个重要科研方向。
许多科研人员同时也开始了有关自供能半主动振动控制的探索。相比之下，自供能主动式振动控制设备的研发，则是一项更具颠覆性但也更有挑战性的任务。对此，既有的研究主要聚焦在两种策略上。 第一种策略是通过利用两套独立的单元来分别实现能量采集和主动控制功能 ，其想法与上述自供能半主动控制方案类似。 第二种策略则是通过让控制装置在被动（能量采集）和主动（能量消耗）之间轮流运作而达到目的。 但是，上述 两种策略还不能实现真正意义上的自供能主动控制效果。
所以一种真正的自供能主动振动控制系统的可行性仍有待论证。 图1展示了一个典型的主动隔振系统中，控制器的力与速度的关系曲线。当曲线落于一三象限内，则主动控制器的瞬时输出功率为正（即做能量采集），而若曲线在二四象限内，则瞬时输出功率为负（即做能量消耗）。因此，如果一三象限内被包络的面积大于二四象限，则净能量输出应当为正（图1）。那么能否将这个结论推广到更普遍的振动控制中呢？值得注意的是，主动式振动控制是结构控制技术中的一个特殊子集，最终目标是最小化主结构的动能。尽管可以允许某一时刻的瞬态能量流动为负，但是为了避免系统失稳，应避免整体向主结构净注能情况的发生（即负能量输出）。因此理论上讲，通过将主动控制中的瞬态能量存储起来并反馈到之后的振动周期中，是可以实现自控能主动控制的。
图1. 主动隔振系统中典型的力-速度曲线。Q：象限。
上述这一概念迄今仍未完全实现，且实际过程中可能会比上述理想情况更加复杂也更具挑战性。因此，在本研究中， 香港理工大学朱松晔研究团队首次提出并探索了一种新型自供能主动式振动控制系统 ；并对其结构拓扑、工作原理与系统的能量分析等方面进行了介绍与讨论。此外，所提出的系统也被应用于一套主动隔振台中来实现经典的天钩控制算法。其主动控制表现与自供能特性通过数值和实验研究都得到了成功验证。
尽管本研究只展示了天钩控制算法及其自供能的可行性，但是所提出的方案与装置本质上提供了一个具有普遍意义上的解决方案。 其他多种主动控制策略亦可通过更新单片机中的算法并添加所需的相应传感器而轻松实现。因此， 所提出的自供能主动控制方案预期可对现存不同应用中的多种主动控制技术产生深远影响。
关键词：自供能主动式振动控制；能量采集；天钩控制；能量平衡；智能控制
扫二维码 | 查看原文
原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.03.022
以上内容来自：Jin-Yang Li, Songye Zhu. Self-Powered Active Vibration Control: Concept, Modeling, and Testing [J]. Engineering, 2022, 11(4): 126-137.