利用非线性特性实现振动隔离和控制的方法研究

Nonlinearity often brings difficulty in system analysis and modeling. But more and more recent research results indicate that nonlinearity could also take a special and beneficial role in vibration suppression or control. This project aims at developing effective methods for nonlinear analysis and design in vibration suppression/control systems using a frequency domain approach for a class of nonlinearity. Novel methods for the analysis, characterization and design of the class of nonlinearities in vibration control will be developed, together with a supplementary adaptive identification and characterization of system nonlinearities and uncertainties. The new methods will allow a frequency domain analysis and design of the nonlinear effects on system output spectrum, which can privide a useful tool for exploiting nonlinear benefits in vibration control. Theoretical results will be tested experimentally by a typical vibration suppression and control platform. The new results will provide novel insights into the analysis and design of nonlinear behavior in vibration control, and also facilitate characterization and understanding of nonlinear dynamics in the frequency domain.

非线性可能给系统的建模和分析带来麻烦，但越来越多的研究表明，非线性在系统振动的隔离或控制中也可以起到非常特殊的有利的作用。本课题针对一类典型的非线性行为，研究其在振动隔离/控制系统中的作用和影响，开发一套在振动隔离系统中分析、设计和利用该类非线性特性的频域分析方法。本课题将会充分分析和挖掘这类非线性行为在振动控制中的优越特性，研究分析、设计与刻化该类非线性的一般理论方法，以及辅助的非线性自适应辨识方法。这套方法将基于广义频域响应函数概念，在频域内对系统非线性输出谱的非线性参数特性进行分析设计，从而为分析、设计和利用潜在的非线性优势提供一个有效的工具。本课题的理论结果和方法将通过一个典型的振动隔离和控制系统平台进行实验验证。本课题研究结果将能够对振动隔离或控制中的非线性行为的分析和设计提供一套新的方法，同时也将有助于从频域角度描述分析与理解非线性行为。

针对工程应用中的各种振动控制问题，本课题着重研究了如何利用非线性实现振动的控制，隔离或抑制，以及利用等问题，并着重的研究了非线性振动控制的被动结构设计和实现的问题，取得了以下几方面的重要进展:.(1) 根据过去10几年的研究，系统的研究出了一套针对性的非线性的频域分析和设计方法，取得重大进展。该方法可以针对任意振动激励信号，实现非线性输出谱和设计参数的解析函数表达，并应用在系统振动控制的分析和设计，故障诊断，结构参数辨识等等，发表了一些列的国际文章和一本专著由著名的springer出版社发表，获得2017年欧洲结构动力学协会Senior Research Prize(首次颁给华人)。.(2) 针对利用非线性实现振动控制或隔离，本课题创造性的开展了仿生骨骼结构和肢体结构的研究，取得突破性进展。本课题系统的发现并总结出了仿生肢节结构的非线性刚度和阻尼特性，国际上第一次解释了动物肢体结构具有优越的非线性刚度和阻尼特性，可以实现最大的振动抑制并保持所需要的静刚度。发表了一系列的国际文章，收到媒体广泛关注(包括香港本地和国际媒体130多家报道，以及TVB节目专访)，取得美国2017 TechConnect全球技术创新奖，2017欧洲结构动力学协会高级研究奖等。.(3) 创造性的利用非线性准零刚度特性，国际上首次设计出可以在移动载体上实现精确到毫米级的绝对振动位移的测量。发表文章和申请专利若干。.(4) 在各种工程振动，系统辨识，故障诊断，机器人设计等的应用，发表文章若干篇。其中，基于仿生非线性隔振结构设计的工程机械反振动外骨骼技术，获得2017香港建筑业协会技术创新一等奖。