基于惯容的无源机械零极点配置与半主动控制

Inerter is a new mechanical element, proposed several years ago, which has been successfully applied in various mechanical systems. Semi-active inerter is a new semi-active element proposed by the applicant, which has the property that the coefficient of the inerter can be controlled online. Since many theoretical and practical issues remain unsolved, the proposed research investigates the inerter and semi-active inerter based passive and semi-active vibration control problems and their application in building vibration control systems and suspension systems. The key focuses of the research include (1) the inerter-based pole-zero placement problems for passive mechanical control systems; (2) the modelling of semi-active inerter and its nonlinear control problems; (3) the application of inerter and semi-active inerter in building vibration control systems and suspension systems. The results of the proposed research can promote the development of passive and semi-active control theory, and can also provide low energy consumption, low-cost, high reliability and high performance vibration control methods for mechanical control systems.

惯容是本世纪初提出的一种新型机械元件，已成功应用在一级方程式赛车悬架系统等多类机械系统中，受到了学术界和工业界的广泛关注。半主动惯容是申请人在改进已有惯容中参数不可在线调节问题后提出的一种新型半主动器件。本项目针对已有研究中基于惯容的无源控制以及基于半主动惯容的半主动控制在理论与应用方面的不足，研究含惯容和半主动惯容的机械系统设计与控制问题。主要研究以下内容：1.基于惯容的无源机械系统零极点配置问题，给出极点任意配置的充分必要条件和零点配置的充分条件；2.半主动惯容建模与非线性控制问题，建立半主动惯容的非线性模型、虚拟样机和物理原型；3.惯容和半主动惯容在房屋减振系统和悬架系统中的应用问题，分别给出基于零极点配置和非线性控制的设计方法。项目预期成果将为无源和半主动控制理论的发展起到推动作用，为机械系统控制提供低能耗、低成本、高可靠性和高性能的控制手段，有着重要的理论和实际意义。

作为一种新型无源机械元件，惯容已经成功应用于各类机械控制系统中，相关的研究问题已经受到了学术界和工业界的广泛关注。基于惯容的机械振动控制系统设计也为经典的无源网络综合理论、无源控制理论等提出了新的挑战。半主动惯容是近期提出的一种半主动器件，是对惯容在半主动控制中的拓展。本项目围绕惯容和半主动惯容的系统设计与应用问题展开，重点研究了基于惯容的固有频率配置问题、惯容和半主动惯容在各类机械系统如风力机系统和悬架系统中的应用问题等问题。在基于惯容的固有频率配置问题中，本研究分析了一类弹簧质量系统固有频率特点，给出了基于惯容进行固有频率配置的充分必要条件。该研究结果对含惯容系统的固有频率配置问题进行创新性分析，所得理论结果可直接推广到其他类型机械系统中，为含惯容系统的控制奠定了理论基础。针对半主动惯容控制问题，研究了基于天棚惯容理念的悬架系统设计方法，给出了半主动惯容模拟天棚惯容的三种控制策略，并通过仿真实验证实了有效性。其中分析惯容非线性对悬架系统性能的影响。研究了基于惯容的海上风力机无源结构控制问题，提出了一种时间效率较高的参数优化方法，并通过贴近实际的仿真软件证实了惯容的优势。研究了低复杂度无源悬架系统设计问题，给出了一阶、二阶和三阶导纳函数作为无源悬架时的最优性能和最优实现结构。该成果对含惯容的低复杂度悬架系统设计问题进行了全面的总结。