第1章 绪论
　　本章*先对振动类型、振动控制的目的及分类、振动的被动控制方法等作简单介绍，然后结合控制理论的发展历程及目前普遍采用的控制方法，对振动主动控制的构成、分类、研究内容、工程应用及发展趋势等进行介绍。
　　学习要点：
　　(1) 正确理解振动的定义及分类；
　　(2) 理解振动控制的目的及振动被动控制、振动主动控制的优缺点；
　　(3) 理解振动主动控制的研究内容、工程应用及发展趋势等。
　　1.1 振动简介
　　振动是指物体在其平衡位置附近做的往复运动，是自然界和工程中广泛存在的物理现象。大至宇宙，小至微观粒子，无不存在振动。振动是通信、广播、电视、雷达等工作的基础，振动传输、振动筛选、振动研磨及振动沉桩等装备和工艺极大地改善了劳动条件和劳动生产率。人们生活中也离不开振动，如心脏搏动、耳膜振动等都是人体不可缺少的功能；人的视觉靠光的刺激，而光本质上也是一种电磁振动；声音的产生、传播和接收都离不开振动。可以预期，随着生产实践和科学研究的不断发展，振动的利用将会与日俱增。但与振动利用相比，振动的消极作用也很普遍，有时还会带来灾难性的后果。例如，振动会影响精密仪器设备的功能、降低加工精度和光洁度、加剧构件的疲劳和磨损；车船和机舱的振动会劣化乘载条件和降低舒适性；强烈的地震、风振会引起房屋、桥梁等结构物的垮塌；而飞机机翼颤振、抖振会导致飞机失稳甚至坠毁等严重后果。
　　为了充分利用振动的有利一面，并尽可能减少振动的不利影响，人们在工程领域中对振动进行了大量研究。研究振动的*终目的是实现对振动的有效控制。但振动的形式不同，振动控制的方式也有很大区别，故下面对振动的不同类型作简要介绍。
　　振动的类型根据分类方式的不同有所不同。
　　(1) 按产生振动的原因分类。
　　按产生振动的原因分，振动可分为自由振动、受迫振动和自激振动。自由振动是指没有外部激励，只靠其弹性恢复力来维持的振动，当有阻尼时振动便逐渐衰减。自由振动的频率只取决于系统本身的物理性质，故称为系统的固有频率；受迫振动是指系统受外界持续激励所产生的振动，包含瞬态振动和稳态振动。当外部激励的频率接近系统固有频率时，系统振幅将急剧增加，系统出现共振现象；自激振动是指系统只受其本身产生的激励所维持的振动。自激振动系统本身除具有振动元件外，还具有非振荡性的能源、调节环节或反馈环节，因此无外界激励时，它也能产生一种稳定的周期振动，且与初始条件无关，其频率等于或接近系统的固有频率。例如，飞机飞行过程中机翼的颤振、机床工作台在滑动导轨上低速移动时的爬行、钟表摆的摆动和琴弦的振动等都属于自激振动。
　　(2) 按能否用确定的时间函数关系式分类。
　　按能否用确定的时间函数关系式描述，振动可分为确定性振动和随机振动。确定性振动是指激励和响应能用确定的数学关系式来描述，对于某一指定时刻，可以确定相应的函数值。确定性振动又分为周期振动和非周期振动： 周期振动包括只含有一个振动频率的简谐周期振动和含有多个振动频率(其中任意两个振动频率之比是有理数)的复杂周期振动。非周期振动包括准周期振动(没有周期性，在所包含的多个振动频率中至少有两个频率之比为无理数)和瞬态振动(一些可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动)；随机振动是指激励或参数具有随机特点、每次观测的结果都不相同，从而导致无法用精确的数学关系式来描述的振动。随机振动不能预测未来任何瞬间的精确值，只能用概率统计的方法来描述其振动规律，如车辆由随机路面激励引起的振动、结构物由风振地震引起的振动等。
　　(3) 按弹簧力、阻尼力与位移和速度的函数关系分类。
　　按弹簧力、阻尼力与位移和速度的函数关系，振动可分为线性振动和非线性振动。线性振动是指系统的弹簧力、阻尼力可以用位移和速度的线性函数关系来描述；而非线性振动的弹簧力、阻尼力则是位移和速度的非线性函数。根据非线性参数的量级，非线性振动又可分为弱非线性振动、强非线性振动等。
　　针对不同的振动形式，其分析方式及控制方式有很大区别，相关内容将在后面的章节中逐步展开。
　　1.2 振动控制的目的及分类
　　1.2.1 振动控制的目的
　　由于工业和运输业中广泛采用的机械系统，如汽轮机、水轮机和电机等动力机械，汽车、火车、船舶和飞机等交通运输工具，以及工作母机、矿山和工程机械等，无不朝高速、重载方向发展，因此1.1节介绍的各种振动在工程中普遍存在。若不对日益强烈的振动加以控制，不仅会影响使用效果，严重时还会发生机毁人亡的重大事故；而在精密机床和精密加工技术的发展中，如果离开严格隔振的平静环境，将无法达到预期的精度目标；飞机、导弹、坦克、战车通常在*为恶劣的环境下工作，因此**部门对减振环节的要求也日渐增多，尤其是目前精准打击方向的研究，更需要减振理论的支持。因此，无论是民用还是军事工业，对振动进行有效控制的要求日益强烈。
　　振动控制不仅与振动有关，还与数学、物理、控制理论、计算机技术及试验技术等紧密相关，属于多学科交叉科学。经过不同领域科学工作者的不懈努力，目前已初步形成“振动控制”这一专门学科领域。振动控制的目的，就是通过一定的手段使受控对象的振动水平满足人们预先设定的性能指标要求。虽然振动控制包括两方面的内容： 振动利用和振动抑制，但绝大多数振动对系统本身及环境都是有害的，因此本书主要针对振动抑制问题进行介绍。
　　1.2.2 振动控制的分类
　　与振动类似，振动控制的类型也根据其分类方式的不同而有所不同。
　　1. 按振动性质分类
　　按振动性质分，振动控制分为动响应控制和动稳定性控制。一般情况下，外界随时间变化的扰动都会引起振动系统的动力响应，而当受控对象的某个固有频率与外激励频率接近或重合时会出现共振，其大幅度的振动常导致产品或结构在短时间内失效或破坏。针对振动响应进行的控制称为动响应控制；而动不稳定是由于受控对象内部出现正反馈而引起随时间增长而增大的振动，即使在无交变外扰(但存在外界常能源)的情况下也会出现，也是一类容易短时间导致产品或结构严重破坏的振动。对系统稳定性进行控制称为动稳定性控制。
　　2. 按是否需要外在能源分类
　　按是否需要外在能源分类，振动控制可分为振动被动控制和振动主动控制。
　　1) 振动被动控制
　　振动被动控制不需要外界能源，控制装置相对比较简单。通过对振源、传递途径和系统的动力学特性等进行研究，目前已提出了一系列减振效果与可靠性都较好的被动控制方法。现以简谐激励下单自由度系统的强迫振动为例，来说明被动控制方法的理论依据。简谐激励下单自由度强迫振动系统响应的幅值为：式中为频率比；为阻尼比；F为激励力的幅值。其中，ω为系统激励频率；为系统固有频率，k为系统刚度、m为系统质量；n为阻尼系数、c为阻力系数。此公式说明，强迫振动的振幅取决于激励力幅值的大小、频率比、阻尼比，以及系统的刚度、阻尼及质量等。据此提出了振动被动控制的一系列方法，主要包括消振、隔振、吸振、阻振及结构修改等，其结构框图如图1.1所示。
　　图1.1 被动控制系列方法
　　下面对被动控制方式分别进行介绍。
　　(1) 消振：即消除或减弱振源，尽可能减少干扰力幅值F。这是治本的方法，振源消除或减弱，响应自然将减少。例如，采用动平衡方法消除或减弱不平衡转子的离心力及力矩，通过加冷却剂的方法减小切削时车刀与工件之间的摩擦力，以破坏其出现颤振(一种动不稳定现象)的条件，也可以利用专门的装置降低振动的幅值，如柴油机使用的多摆式抗振器可以用来控制多阶干扰力矩。
　　(2) 隔振：在振源与受控对象之间串接一个子系统(称为隔振器)，利用振动元件间阻抗的不匹配，以消除或减弱振动传输，即把物体和隔振器系统的固有频率设计得远离激励频率。改变结构固有频率可通过改变系统刚度k或质量m来实现。此外，还应该考虑阻尼的作用，对启动过程中变速的机械，设计隔振器时应增加阻尼措施，以避免经过共振频率时振动过大。按照传递方式的不同，隔振可分为积极隔振、消极隔振。积极隔振： 用隔振器将振动的机器(振源)与地基隔开，防止或减小传递到地基上的动压力，从而抑制振源对周围设备的影响，即隔离振源。例如，动力机械通过隔振器与基础相连，从而减小机械运转时产生的交变干扰力和力矩向基础传递；消极隔振： 将需要保护的机器用隔振器与振动的地基(振源)隔开，防止或减小地基振动对机器的影响，即隔离响应。例如，飞机座舱内仪表板通过隔振器与机体相连，从而减小机体振动向仪表板的传递。
　　(3) 吸振：又称动力吸振。在受控对象上附加一个子系统称为动力吸振器，用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应。例如，为减小直升机在飞行中的机体振动而采用连于驾驶舱内的弹簧质量块吸振器及连于桨叶根部的摆式吸振器等。对于大跨度桥梁和高耸建筑结构，也常安装动力吸振器。
　　(4) 阻尼减振，简称阻振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过黏滞效应或摩擦作用把振动能量转换成热能而耗散。阻尼减振技术能降低结构或系统在共振频率附近的动响应和宽带随机激励下响应的均方根值，以及消除由于自激振动而出现的动不稳定现象。例如，通过在汽车壁板粘贴阻尼材料，能有效地降低车辆在不平路面上行驶引起的随机激励响应；增加直升机桨叶减摆器的阻尼，以防止出现动不稳定现象等。阻尼减振有两种方式： 非材料阻尼(如各种成型阻尼器)和材料阻尼(各种黏弹性材料，如橡胶及复合材料等)。
　　(5) 结构修改：通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满足预定的要求。这是一种不需要附加任何子系统的振动控制方案，目前是非常引人注目的。动力学特性参数是指影响受控对象质量、刚度与阻尼特性等的参数，如惯性元件的质量、转动惯量及其分布等。对于实际存在的受控对象，这是结构修改问题；而对于处于初始设计阶段的受控对象，则是动态设计、优化设计问题。
　　早期的振动控制主要是被动控制，它是伴随着振动的发展而发展的，而消振、隔振、吸振等减振措施也一直被人们有意或无意地使用着。时至今日，小到橡胶、泡沫塑料隔振，大到汽车的悬架系统、船舶的浮筏系统，无不在使用振动的被动控制方法。可以预期，在今后很长一段时间内，振动被动控制仍将在很多场合发挥重要作用。
　　2) 振动主动控制
　　被动控制虽然有很多优点，如不需要外界能源、装置结构简单、易于实现、经济性与可靠性好等。但随着人们对振动环境、产品结构等性能要求的提高，很多情况下，被动控制已难以满足人们的要求。例如，无阻尼动力吸振器只对变化很小的简谐外扰激起的振动有抑制作用，对频率变化较大的简谐外扰情况不适用；又如，对低频(如小于2Hz)外扰的隔振，在实现时会遇到静变形过大与失稳的问题，造成低频隔振难题。伴随着计算机技术、信息技术及控制技术的发展，控制效果好、适应性强的振动主动控制应运而生。
　　振动主动控制是指需要外加能源的控制，是集振动力学、控制理论、计算机技术、测试和信号分析技术及材料科学等于一身的综合技术，有着重要的应用价值与发展前景，目前已成为振动工程研究领域中的热点，它是可控的，但需要外部能量。振动主动控制过程一般包括如下环节：确定振源特性与振动特征、确定衡量振动水平的参量及标准、建立受控对象与控制装置的力学模型、确定振动控制方法及对控制装置参数与结构进行设计等。下面将对振动主动控制的相关问题作进一步介绍。
　　1.3 振动主动控制研究
　　振动主动控制是伴随着控制理论的发展而发展的。现对振动主动控制的构成、分类、研究内容、工程应用及发展趋势等进行介绍。
　　1.3.1 振动主动控制的构成
　　振动主动控制主要包括：受控对象、测量系统、控制器、作动器及外加能源等。控制过程中根据传感器检测到的结构或系统振动，控制器应用一定的控制策略实时计算所需控制力，驱动作动器对结构或系统施加一定的力或力矩，以抑制结构或系统的振动。