CN101299156A - 基于数字控制器的主动反共振隔振装置 - Google Patents

Abstract

一种基于数字控制器的主动反共振隔振装置，特点在于其构成是：一台压电加速度传感器位于隔振平台上，在隔振平台和基座之间设置作动器，所述的压电加速度传感器的输出端接数字控制器，该数字控制器的输出端接所述的作动器的输入端，该作动器在所述的数字控制器的控制下动作，对所述的隔振平台施力产生抗振运动，该运动的频率与基座给隔振平台的振动频率相同，而运动的振幅与基座给隔振平台的振动振幅的大小相等，运动的方向相反。本发明能同时实现若干个频率的反共振隔振。

Description

基于数字控制器的主动反共振隔振装置

技术领域

本发明涉及一种动力反共振隔振装置，特别是一种基于数字控制器的主动反共振隔振装置。

背景技术

传统的动力反共振隔振装置属于被动控制的范畴，简单，可靠，成本低，对于系统的窄带响应有良好的减振效果，但是它对于宽带振动的减振效果则较差。如图1所示，M为隔振平台的质量，K为弹性元件的刚度，C为阻尼系数。m为摆锤质量，b为摆锤与支点的距离，a为两个支点间的距离。振动传递率可表示为 $T=\frac{x}{u},$ 其中u为基座位移，x为隔振平台的振动位移。

传统的被动式动力反共振隔振只在频率为ω处存在振动传递率的极小点。

这里 $\mathrm{\ω}=\sqrt{K/m\frac{b}{a}(1+b/a)},$ 也就是说这类反共振隔振只在某个特定的频率附近具有很高的隔振效率。不能调节反共振频率点，不具备多个反共振区。此类隔振装置完全没有调节能力，有一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于数字控制器的主动反共振隔振装置，可以同时实现若干个频率处的反共振隔振。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于数字控制器的主动反共振隔振装置，特点在于其构成是：一台压电加速度传感器位于隔振平台上，在隔振平台和基座之间设置作动器，所述的压电加速度传感器的输出端接数字控制器，该数字控制器的输出端接所述的作动器的输入端，该作动器在所述的数字控制器的控制下动作，对所述的隔振平台施力产生抗振运动，该运动的频率与基座给隔振平台的振动频率相同，而运动的振幅与基座给隔振平台的振动振幅的大小相等，运动的方向相反。

利用上述基于数字控制器的主动反共振隔振装置进行主动反共振隔振的方法，包括下列步骤：

①在隔振平台上设置一台压电加速度传感器，在隔振平台和基座之间设置作动器，所述的压电加速度传感器的输出端接数字控制器，该数字控制器的输出端接所述的作动器的输入端；

②利用频谱分析仪测量并分析隔振平台由基座产生的和必须隔离的干扰振动的频率ω_i和相应的归一化相对幅值a_i，其中i＝1，2，3…N；

③向所述的数字控制器输入所述的必须隔离的干扰振动的频率ω_i和相应的归一化相对幅值a_i；在数字控制器内建立比例函数W(x)： $W\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{T{A}_i}{1-e^{j{\mathrm{\ω}}_{i}T}{x}^{-1}},$ 式中，T为采样周期，N为控制器级联数，A_i为比例参数，TA_i与a_i相关，所述的数字控制器相应的拉氏域内的比例函数为 $W\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{A_i}{(s-j{\mathrm{\ω}}_i)};$

④工作时，当外界干扰从基座传递到隔振平台，所述的压电加速度传感器测得隔振平台垂直方向上的振动加速度，送给所述的数字控制器，该数字控制器将所述的振动加速度经数据处理获得隔振平台的位移信号X(s)的比例函数W(s)，将该比例函数W(s)的电信号输入到所述的作动器；

⑤所述的作动器根据输入的比例函数的电信号输出相应的力F(s)，F(s)＝-W(s)X(s)作用于所述的隔振平台，使所述的隔振平台产生与基座给所述的隔振平台的干扰振动的反共振振动，实现隔振平台在所需的频率ω_i处的隔振。

当外界干扰从基座传递到隔振平台时，压电加速度传感器测得隔振平台垂直方向上的振动加速度，通过内部集成的电荷放大器，转化为与之呈正比的放大的电压信号输出。直接输入到所述的数字控制器内置的A/D转换接口，将模拟信号转换为数字信号，然后经过两级积分，得到隔振平台的位移信号。该数字控制器按照本发明提出的控制算法进行实时分析和控制计算后，获得隔振平台位移信号的比例函数的电信号，经功率放大输入到作动器，该作动器根据输入的比例函数的电信号输出相应的力，实现隔振平台在我们想要的频率处有反共振。

本发明中的数字控制器的输出信号为隔振平台位移信号的比例函数，即输出F(s)＝-W(s)X(s)。通过比例函数W(s)的设定，可以实现隔振对象在我们想要的频率处的隔振传递率接近零。

具体来讲，采用级联型结构的数字式控制器。该数字式控制器输出的比例函数为：

$W\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{T{A}_i}{1-e^{j{\mathrm{\ω}}_{i}T}{x}^{-1}}$

式中，T为采样周期，N为控制器级联数，A_i为比例参数。

理论依据：隔振平台的运动方程为

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}=c\stackrel{\·}{u}+\mathrm{ku}+f---\left(1\right)$

式中：f为作动器输出的控制力，其中u、为基础的位移和速度，x、

和

分别为隔振平台的振动位移、速度和加速度。

将式(1)进行拉氏变换有

(ms²+cs+k)X(s)-F(s)＝(cs+k)U(s)      (2)

式中：X(s)，U(s)，F(s)分别为x，u，f的拉氏变换。

当未施加控制时，即作动器输出F(s)＝0，隔振平台的位移为

$X_0\left(s\right)=\frac{k+\mathrm{cs}}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}U\left(s\right)---\left(3\right)$

当作动器对隔振平台施加的控制力为：

F(s)＝-W(s)X(s)        (4)

式中：W(s)为隔振平台的振动位移与作动器施加控制力之间的比例函数，负号表示作动器施加控制力使隔振平台产生的位移与基座对隔振平台干扰振动方向相反。将式(4)代入式(2)后整理得

$\frac{X\left(s\right)}{X_0\left(s\right)}=\frac{1}{1+\frac{W\left(s\right)}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}}=K_1\left(s\right)---\left(5\right)$

如果选择W(s)具有如下形式：

$W\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{A_i}{(s-j{\mathrm{\ω}}_i)}$

则式(5)有

$K_1\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{X_0\left(s\right)}=\frac{1}{1+\frac{1}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{A_i}{(s-j{\mathrm{\ω}}_i)}}$

当 $\underset{\mathrm{\ω}\→{\mathrm{\ω}}_i}{\lim }\left|K_1\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=0$

进一步， $\frac{X\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{X\left(s\right)}{X_0\left(s\right)}\frac{X_0\left(s\right)}{U\left(s\right)}=K_1\left(s\right)\frac{k+\mathrm{cs}}{m{s}^2+\mathrm{cs}+k}$

得到 $\underset{\mathrm{\ω}\→{\mathrm{\ω}}_i}{\lim }\left|\frac{X\left(s\right)}{U\left(s\right)}\right|=0$

即使得频率为ω_i(i＝1，2，3…)处的扰动传递率为零，从而使该频率下的隔振效果十分显著。

将模拟滤波器转换为数字滤波器时，有三种常用的映射方法，即脉冲响应不变法、阶跃响应不变法和双线性Z变换法。采用脉冲响应不变法可以将拉氏域内控制器的比例函数 $W\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{A_i}{(s-j{\mathrm{\ω}}_i)}$ 变换到数字域内，其表达式如下：

$W\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{T{A}_i}{1-e^{j{\mathrm{\ω}}_{i}T}{x}^{-1}}$

式中，T为采样周期，N为控制器级联数，A_i为比例参数。

这种控制器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到有严格的线性相位特性。

本发明的优点在于：

能同时实现若干个频率区的反共振隔振，带宽增加。使用数字控制器，可以实现实时控制，减小时滞。采用级联型结构，直接改变第i级控制器特性而不影响另一级控制器的零极点特性，参数调节变得简单有效。

采用的振动式压电加速度传感器精度高，结构紧凑，抗干扰能力提高。

附图说明

图1为被动式动力反共振隔振图

图2为本发明基于数字控制器的主动反共振隔振装置的结构框图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2为本发明基于数字控制器的主动反共振隔振装置的结构框图，由图可见，本发明基于数字控制器的主动反共振隔振装置的构成是：一台压电加速度传感器2位于隔振平台1上，在隔振平台1和基座之间设置作动器4，所述的压电加速度传感器2的输出端接数字控制器3，该数字控制器3的输出端接所述的作动器4的输入端，该作动器4在所述的数字控制器3的控制下动作，对所述的隔振平台1施力产生抗振运动，该运动的频率与基座给隔振平台1的振动频率相同，而运动的振幅与基座给隔振平台的振动振幅的大小相等，运动的方向相反。

利用上述基于数字控制器的主动反共振隔振装置进行主动反共振隔振的方法，包括下列步骤：

①在隔振平台1上设置一台压电加速度传感器2，在隔振平台1和基座之间设置作动器4，所述的压电加速度传感器2的输出端接数字控制器3，该数字控制器3的输出端接所述的作动器4的输入端；

②利用频谱分析仪测量并分析隔振平台1由基座产生的和必须隔离的干扰振动的频率ω_i和相应的归一化相对幅值a_i，其中i＝1，2，3…N；

③向所述的数字控制器3输入所述的必须隔离的干扰振动的频率ω_i和相应的归一化相对幅值a_i；在数字控制器3内建立比例函数W(x)： $W\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{T{A}_i}{1-e^{j{\mathrm{\ω}}_{i}T}{x}^{-1}},$ 式中，T为采样周期，N为控制器级联数，A_i为比例参数，TA_i与a_i相关，所述的数字控制器3相应的拉氏域内的比例函数为 $W\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{A_i}{(s-j{\mathrm{\ω}}_i)};$

④工作时，当外界干扰从基座传递到隔振平台1，所述的压电加速度传感器测得隔振平台垂直方向上的振动加速度，送给所述的数字控制器3，该数字控制器3将所述的振动加速度经数据处理获得隔振平台的位移信号X(s)的比例函数W(s)，将该比例函数W(s)的电信号输入到所述的作动器4；

⑤所述的作动器4根据输入的比例函数的电信号输出相应的力F(s)，F(s)＝-W(s)X(s)作用于所述的隔振平台1，使所述的隔振平台1产生与基座给所述的隔振平台的干扰振动的反共振振动，实现隔振平台1在所需的频率ω_i处的隔振。

本实施例中的压电加速度传感器2的技术指标为：灵敏度：10mV/g；测量范围：0.5g pk；频率范围0.10-2000Hz；恒流源电源供电：2-20mA；直流激励电压：18-30V。

Claims (2)

1、一种基于数字控制器的主动反共振隔振装置，特征在于其构成是：一台压电加速度传感器位于隔振平台上，在隔振平台和基座之间设置作动器，所述的压电加速度传感器的输出端接数字控制器，该数字控制器的输出端接所述的作动器的输入端，该作动器在所述的数字控制器的控制下动作，对所述的隔振平台施力产生抗振运动，该运动的频率与基座给隔振平台的振动频率相同，而运动的振幅与基座给隔振平台的振动振幅的大小相等，运动的方向相反。

2、利用权利要求1所述的主动反共振隔振装置进行主动反共振隔振的方法，其特征在于包括下列步骤：

①在隔振平台上设置一台压电加速度传感器，在隔振平台和基座之间设置作动器，所述的压电加速度传感器的输出端接数字控制器，该数字控制器的输出端接所述的作动器的输入端；

②利用频谱分析仪测量并分析隔振平台由基座产生的和必须隔离的干扰振动的频率ω_i(i＝1，2，3…)和相应的归一化相对幅值a_i；

③向所述的数字控制器(3)输入所述的必须隔离的干扰振动的频率ω_i(i＝1，2，3…N)和相应的归一化相对幅值a_i；在数字控制器内建立比例函数W(x)： $W\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{T{A}_i}{1-e^{j{\mathrm{\ω}}_{1}T}{x}^{-1}},$ 式中，T为采样周期，N为控制器级联数，A_i为比例参数，TA_i与a_i相关，所述的数字控制器相应的拉氏域内的比例函数为 $W\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\frac{A_i}{(s-j{\mathrm{\ω}}_i)};$

④工作时，当外界干扰从基座传递到隔振平台，所述的压电加速度传感器测得隔振平台垂直方向上的振动加速度，送给所述的数字控制器，该数字控制器将所述的振动加速度经数据处理获得隔振平台的位移信号X(s)的比例函数W(s)，将该比例函数W(s)的电信号输入到所述的作动器；

⑤所述的作动器根据输入的比例函数的电信号输出相应的力F(s)，F(s)＝-W(s)X(s)作用于所述的隔振平台，使所述的隔振平台产生与基座给所述的隔振平台的干扰振动的反共振振动，实现隔振平台在所需的频率ω_i处的隔振。

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