机械振动自适应频谱塑形主动控制原理及应用

本书共11章，第1章介绍了自适应频谱塑形主动控制的发展脉络与研究现状，第2章介绍了自适应频谱塑形主动控制的理论基础，第3～6章分别介绍了四种自适应频谱塑形主动控制的方法，第7章介绍了多源多变量自适应频谱塑形主动控制，第8章介绍了主动控制系统的有限元在环仿真系统，第9章介绍了主动控制的惯性式作动器原理与设计，第10章和第11章分别介绍了自适应频谱塑形主动控制在舰船领域和高速铁路装备振动试验领域的应用。
本书可作为从事机械动力学振动分析与控制、机械控制工程研究人员和专业技术人员的参考书籍，也可作为高等院校相关专业研究生的教材或参考书。

在振动科学和振动工程领域，主动控制（Active Control）技术特指对振动或噪声的有源控制技术，是与阻尼、耗散等被动控制（Passive Control）技术相对应的新技术。无论是振动与噪声的治理还是利用，都离不开主动控制。通常认为主动控制对振动和噪声的消减或消除即是治理，主动控制对振动和噪声的产生或增强即是利用。随着主动控制技术的发展，出现了一种新的控制形式：它的控制目标既不是单一的消减或消除，也不是单一的产生或增强，而是在某种意义上两者的结合，即结构的振动或噪声可按照某种预定的模式进行，这种控制形式称为频谱塑形主动控制（Spectral Reshaping Active Control，SRAC），它是指通过主动控制的方法有目的地改变强干扰环境下（随机或非随机）的结构振动响应频谱，使得控制后的结构振动响应频谱和目标频谱一致。频谱塑形主动控制系统在时域上表现为含有强干扰的跟随系统。振动与噪声的治理、利用与改造（频谱塑形）三者共同构成了主动控制新的目标和内涵。主动控制对振动与噪声的治理包括主动参数（也称为半主动控制）、主动吸声吸振、主动隔声隔振等应用。主动控制对振动与噪声的利用包括了测试诊断、振动机械、力学环境可靠性试验、振动加工等应用。主动控制对振动与噪声的改造即频谱塑形主动控制，它起源于噪声均衡，目前主要的应用领域为声品质控制、力学环境试验、切削颤振消除等。在军事领域，为了实现伪装和隐身，也可以对舰艇的振动与噪声进行频谱塑形主动控制。目前，国内外针对水下舰艇隐身的主动控制技术研究主要以主动隔振和主动消振为基础。作者所在团队一直致力于从仿生学的角度去探索频谱特征改造的新技术，即频谱塑形主动控制的研究，期望未来的机械装备具有随着环境（或需求）而改变声辐射特性的能力。
本书内容包括自适应滤波和控制的基本理论梳理、多种基于自适应理论的频谱塑形主动控制方法、嵌入结构有限元模型的主动控制仿真系统、频谱塑形主动控制在船舶和力学环境试验领域的应用等，涵盖了作者近10年的相关研究成果。本书的相关研究得到了国家自然科学基金“潜艇声特征隐身的频谱塑形主动控制研究”（51705396）、“水下航行器多源耦合宽频振动的可调优化控制研究”（51225501）、“基于智能非线性吸振器的旋转机械振动与噪声控制研究”（51911530774）的资助，还得到了中国博士后面上项目（2017M610635）、特别资助项目（2018T111047）的资助，相关成果支撑获得了2020年陕西省科学技术奖之“技术发明奖”一等奖。本书的出版得到了中国科协航发产学联合体青年人才托举工程项目的支持。
本书对从事机械动力学振动分析与控制、机械控制工程的研究人员和专业技术人员具有一定的参考价值，也可作为高等院校相关专业研究生的教材或参考书。
由于作者水平有限，书中难免会有各种纰漏与错误，烦请各位读者批评指正、不吝赐教。希望通过本书和同行学者进行深入的学术交流，起到抛砖引玉的作用。

前言
主要符号说明
第1章绪论1
1.1主动控制技术研究的意义1
1.1.1振动与噪声的危害及治理1
1.1.2振动与噪声的价值及利用2
1.1.3主动控制的目标与内涵4
1.2主动控制理论和技术的发展现状6
1.2.1系统建模与辨识理论6
1.2.2控制律设计理论9
1.2.3传感器及作动器技术15
1.3自适应频谱塑形主动控制的由来与发展17
1.3.1自适应逆控制的发展现状18
1.3.2自适应主动控制的发展现状20
1.3.3自适应频谱塑形主动控制的发展现状23
1.4本书的写作目的24
第2章自适应频谱塑形主动控制的理论基础25
2.1自适应基本理论26
2.1.1自适应控制27
2.1.2自适应滤波34
2.2自适应逆控制40
2.2.1模型参考自适应逆控制41
2.2.2自适应主动控制43
2.3自适应频谱塑形主动控制45
2.3.1FELMS算法45
2.3.2ANE算法46
2.4本章小结47
第3章EANE型自适应频谱塑形主动控制49
3.1初级噪声模型49
3.2EANE算法介绍50
3.2.1闭环传递函数分析51
3.2.2EANE算法54
3.2.3多频EANE算法57
3.2.4EANE算法仿真算例60
3.3本章小结64
第4章幅值相位自适应频谱塑形主动控制66
4.1APC算法介绍66
4.1.1相位塑形和频率注入的需求66
4.1.2APC算法67
4.1.3APC算法性能分析71
4.1.4APC算法仿真算例73
4.2基于试验数据及模型的APC算例78
4.2.1APC的试验数据及模型78
4.2.2APC算例80
4.3本章小结82
第5章参考频率自适应的频谱塑形主动控制83
5.1自适应主动控制系统的鲁棒性84
5.1.1模型的不确定性84
5.1.2误差信号的不确定性84
5.1.3参考信号的不确定性85
5.2参考频率自适应的频谱塑形主动控制算法介绍85
5.2.1线谱自适应主动控制的一般结构85
5.2.2参考频率失配分析88
5.2.3参考频率自适应的线谱主动控制算法94
5.2.4参考频率自适应的频谱塑形主动控制算法100
5.2.5参考频率自适应的频谱塑形主动控制仿真算例101
5.3基于试验数据及模型的参考频率自适应的频谱塑形主动控制算例103
5.3.1参考频率自适应的频谱塑形主动控制的试验数据及模型103
5.3.2参考频率自适应的频谱塑形主动控制算例104
5.4本章小结108
第6章自适应功率谱塑形主动控制109
6.1APLC算法110
6.2基于电液伺服系统的实验验证113
6.2.1实验系统113
6.2.2实验验证116
6.3本章小结117
第7章多源多变量自适应频谱塑形主动控制118
7.1多源多变量自适应频谱塑形主动控制的一般结构118
7.2多源多变量自适应频谱塑形主动控制算法121
7.2.1多源多变量的ANE算法121
7.2.2多源多变量的APC算法123
7.2.3多源多变量系统收敛性分析125
7.3FMLSR算法介绍127
7.3.1FMLSR算法127
7.3.2计算复杂度分析130
7.3.3基于有限元模型的主动控制算法验证131
7.4本章小结139
第8章主动控制系统的有限元在环仿真系统140
8.1面向多源多变量控制的FEMilS系统140
8.1.1FEMilS系统的一般框架140
8.1.2FEMilS的实现141
8.1.3FEMilS的函数库153
8.1.4FEMilS的工程模型案例153
8.2基于FEMilS的多源多变量主动控制算例158
8.2.1仿真系统158
8.2.2算例A：SFSSSISO系统159
8.2.3算例B：MFSSSISO系统160
8.2.4算例C：MFSSMIMO系统160
8.2.5算例D：MFMSMIMO系统161
8.3本章小结162
第9章主动控制的惯性式作动器原理与设计164
9.1惯性式作动器原理164
9.2惯性式作动器设计166
9.3惯性作动器特性174
9.4惯性式电磁作动器性能测试175
9.5本章小结178
第10章自适应频谱塑形主动控制在舰船领域的应用179
10.1舰船主动控制试验模拟系统182
10.2舰船模型主动控制试验184
10.2.1频响函数矩阵测试184
10.2.2系统辨识试验186
10.2.3主动控制试验189
10.3舰船试验负载在线监测与主动控制系统194
10.4本章小结195
第11章频谱塑形主动控制在高速铁路装备振动试验领域的应用196
11.1高速铁路转辙机主动控制试验系统方案197
11.1.1高速铁路转辙机振动环境分析197
11.1.2双轴振动试验系统方案与模型200
11.2复合路谱再现主动控制方法202
11.2.1目标谱提取方法202
11.2.2时域频域混合控制方法205
11.3高速铁路转辙机主动控制试验206
11.3.1试验系统与控制系统206
11.3.2目标谱前处理软件209
11.3.3试验结果与分析210
11.4本章小结212
附录213
附录A213
附录B214
参考文献217