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工程结构振动控制研究综述
工程结构振动控制研究综述
摘要：随着科技的发展，人们在实际工程应用中越来越重视结构振动控制技术。本文综述了振动控制技术的发展史以及对工程结构振动控制的应用，包括主动、被动和半主动控制方法、控制器设计、传感器配置和实现的方法等。
关键词：振动控制，主动控制，被动控制，半主动控制，控制器设计，传感器配置
一、绪论
随着现代工程技术的快速发展，越来越多的大型建筑、桥梁、机械和航空航天器等结构进入人们的日常生活和工作领域。与此同时，这些结构的振动问题也越来越严重，严重威胁着工程的正常运行和安全性。为了实现工程结构的安全和有效控制其振动，控制技术的研究已成为当今工程技术中最热门的领域之一。
振动控制技术主要是通过引入外部反馈和控制信号，对工程结构的振动进行控制，从而使结构的振动降低到合理的范围。因此，振动控制技术在重要的工业应用（如建筑、桥梁、飞机、汽车、机械和电子加速器等）中表现出了广泛和重要的应用前景，迫切需要有更多的研究来提高控制方案和算法的效率和可行性。
本文综述了振动控制方法的发展史以及对工程结构振动控制的应用。主要包括主动、被动和半主动控制方法及其控制器设计、传感器配置和实现方法等。
二、振动控制方法
1.主动控制方法
主动控制是通过直接施加控制力或采用驱动振动器在结构上产生反作用力，从而有效控制结构振动的一种方法。实现主动控制通常需要较为复杂的控制策略和先进的控制器设计。此外，主动控制还要求有较强的控制信号能力来产生足够的反作用力。
主动控制可以有效地抑制高频振动，特别适用于大型建筑、桥梁和机械等结构响应较快的情况。除此之外，主动控制还可用于零件和部件的控制，如悬挂和车辆控制系统。主动控制的主要优点是因其高反馈性和广泛的可调性，能够快速抑制结构振动，从而提高结构安全性和性能。但是，主动控制也存在着操作成本高、能源消耗大等缺点，难以在实际工程中大规模应用。
2.被动控制方法
被动控制是通过设置不同的约束或阻尼元件来控制结构的振动，从而实现降低结构振动的效果。相对于主动控制，被动控制的系统响应速度较慢，所施加的控制力和能量依赖于结构的响应，无法直接响应外部扰动。在实际工程应用中，被动控制方法常用于减震建筑、处置设备和机械等，对抑制结构振动特别有效。
被动控制方法包括依靠固有的结构阻尼（如在机械和建筑结构上安装阻尼器），在结构上安装质量块或悬挂物，以及通过设置支座等对结构进行刚度调整。被动控制方法不要求能源消耗，易于实现，适用于很多实际应用场景。但是，被动控制方法不利于抑制高频振动和结构的非线性效应，无法适应复杂结构和复杂应变场景。
3.半主动控制方法
半主动控制是一种混合了主动和被动控制方法的技术，主要包括电液缸、磁流变和电致致动器等设备。相对于上述两种方法，半主动控制方法更具有adaptability性质，能够在不同的结构和应变场景中自适应地进行控制。半主动控制方法可大大减小能量消耗，成本避免过高，控制性能高。
半主动控制方法主要依靠电液缸、磁流变和电致致振动器等装置来实现。使用这些装置可以通过电磁感应或电流来产生控制力。这些装置的控制信号可以根据实际应用来进行适当地调整。相对于主动控制，半主动控制方法需要的能量消耗较少，能够在不同的结构和应变场景中适应降低振动，成本较低。
三、控制器设计
结构振动控制器设计通常采用的方法是基于实时反馈控制原理，根据反馈到的结构振动信号采用三种代表性的控制方法：比例-积分-微分（PID）控制、模型预测控制（MPC）和顺序控制器（SC）。其中，PID控制是最常用的基本控制方法，因其易于实现和适应性较强而受到广泛使用；MPC的核心是建立最优控制的模型预测器，可以依据系统模型对结构进行控制，适用于大型结构和先进的控制应用。与此相反，SC方法是一种具有逻辑复杂性的控制方法，需要仔细调试以获取良好的性能。
四、传感器配置
振动传感器主要用于在结构上实时检测和监控结构振动，并向控制器反馈振动信号。传感器通常分为位移与加速度两种类型。为了增强控制对振动信号的反馈，通常需要在结构的不同位置安装多个传感器。
目前，流行的传感器配置方法有多种，包括全局配置、最佳配置和随机配置等。全局配置意味着在全结构上覆盖传感器，以提高控制全面性能。最佳配置是通过数值优化和快速分形算法，选择最少的传感器数并获得最佳控制性能，适用于大型结构和符合结构动力学特性的情况。随机配置方法简单易用，但难以达到最优配置性能要求。
五、控制实现
在振动控制的实现方面，存在有很多标准算法和软件工具来辅助协助。通常依赖于MATLAB、SIMULINK和LabVIEW等软件平台进行快速算法设计和模拟分析。对于大型耦合系统和现场实验，可能需要专业的实验设备和现场部署技术支持。
结构振动控制实现方案的选择将取决于应用程序特点、