CN103244603B - 板梁结构振动的主动电磁控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板梁结构振动的主动电磁控制系统，包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括非铁磁性物质制成的墙壁、板梁结构、电磁铁，所述板梁结构的一端与墙壁连接，板梁结构上设有位移传感器，所述电磁铁包括电磁铁A、电磁铁B、电磁铁C、电磁铁D，所述控制部分包括计算机、功率放大器、不带滤波器的全波整流电路，所述计算机与位移传感器连接，功率放大器输入端与计算机连接，功率放大器输出端的其中一路经不带滤波器的桥式整流电路与电磁铁A、电磁铁D连接，另一路直接与电磁铁B、电磁铁C连接。当板梁结构发生振动时，能够自发地改变电磁铁的磁极极性和磁场强度，使振动较快地衰减，减少了机械系统因振动引起的损坏。

Description

板梁结构振动的主动电磁控制系统

技术领域

本发明涉及机械振动及噪声控制技术领域，尤其涉及一种板梁结构振动的主动电磁控制系统。

背景技术

任何一个机械系统受到动态激励或干扰时，都会产生响应，表现为结构的振动和噪声，这不仅会降低机械系统的性能，而且会危害人类健康，随着航空航天、精密机械、微纳米技术等领域的发展，对结构振动的抑制成为各种系统设计的一个重要研究课题。然而，现有技术中大多数是采用附加阻尼和压电智能结构的方法进行控制，其存在以下不足：

1）由于设备的运行负荷、运行条件等经常发生变化，引起的振动剧烈程度也在发生变化，而普通的附加阻尼结构一旦制作安装好，其阻尼系数的大小就不可改变，当机械系统运行环境发生变化，特别是共振时，其本身不具备增加阻尼的能力。

2）对压电智能结构，由于现有的压电作动器对振动结构作用力的大小有限，往往会影响控制效果。

本发明采用电磁铁的磁极极性和磁场强度大小变化来控制板梁结构的振动，适合刚度较大板梁结构振动的控制。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的不足，提供一种板梁结构振动的主动电磁控制系统；包括不带阻尼材料层的主动电磁控制系统、和带阻尼材料层的主动电磁阻尼控制系统，实现对板梁结构的振动进行控制，以减少机械系统因振动引起的损坏，保持设备的精度和工作可靠性，延长设备的使用寿命，抑制结构对环境产生的噪声污染、保证操作人员的身心健康。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种板梁结构振动的主动电磁控制系统，所述系统包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括非铁磁性物质制成的墙壁、板梁结构、电磁铁，所述板梁结构的一端与非铁磁性物质制成的墙壁连接，板梁结构上设有位移传感器，所述电磁铁包括电磁铁A、电磁铁B、电磁铁C、电磁铁D，其中电磁铁A、电磁铁C设于非铁磁性物质制成的墙壁内，所述电磁铁B、电磁铁D设于板梁结构的两侧，所述电磁铁A、电磁铁B、电磁铁D的线圈缠绕方向相同，电磁铁C线圈缠绕方向与电磁铁A、电磁铁B、电磁铁D缠绕方向相反，电磁铁A与电磁铁D通过导线串接在一起，电磁铁B和电磁铁C通过导线串接在一起；所述电磁铁A与电磁铁B的中心线共线，电磁铁C与电磁铁D的中心线共线；所述控制部分包括计算机、功率放大器、整流电路，所述计算机与位移传感器连接，功率放大器输入端与计算机连接，功率放大器输出端的其中一路经不带滤波器的桥式整流电路与电磁铁A、电磁铁D连接，另一路直接与电磁铁B、电磁铁C连接。功率放大器将来自计算机的控制信号放大到设定的倍数，使电磁铁之间产生的作用力足够大以克服板梁的振动，所述驱动电路在功率放大器输出端分为两路，一路经不带滤波器的桥式整流电路与电磁铁A、D连接，另一路直接与电磁铁B、C连接。

所述电磁铁A、电磁铁C以板梁结构4的中心平面为对称面、对称地设于非铁磁性物质制成的墙壁内，所述电磁铁B、电磁铁D对称地设于板梁结构的两侧，所述电磁铁A与电磁铁B的中心线共线，电磁铁C与电磁铁D的中心线共线。

在振动板梁的上下两侧设有阻尼材料层，所述阻尼材料层外面设有约束层，所述电磁铁B、电磁铁D设于约束层外面、并靠近墙壁的一端。

位移传感器设于板梁结构上侧或下侧，位移传感器设于远离非铁磁性物质制成墙壁的一端。当板梁结构向下弯曲振动时位移传感器检测到的位移为正值；当板梁结构向上弯曲振动时位移传感器检测到的位移为负值。位移传感器通过信号线与控制系统计算机连接，计算机通过功率放大器与电磁铁连接，其中功率放大器输出端分为两路，一路通过不带滤波器的桥式全波整流电路与电磁铁A和电磁铁D连接，这样即使功率放大器输出电流方向变化，通过电磁铁A和电磁铁D的电流方向不变，也就是磁极极性总是不变，但其磁场强度可以通过调整电流大小来控制；另一路直接与电磁铁B和电磁铁C连接，这样B和C的磁极极性和磁场强度大小都可以控制。

所述间接控制结构阻尼材料可采用丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶的任意一种，高温环境可以使用硅橡胶。

所述电磁铁采用螺线管电磁铁，铁心插入螺线管内部、并与其固定。铁心采用消磁较快的软铁或硅钢材料制成，这些材料能够在电磁铁断电后立即消磁，当线圈通有电流时，线圈内部产生磁场使软铁棒磁化，铁棒产生的磁场与线圈磁场叠加使螺线管的磁场大大增强，但电流切断后，线圈及软铁棒的磁性就消失。本发明中，直接控制结构的两块电磁铁直接安装于板梁结构上，间接控制结构在电磁铁和板梁结构之间增加阻尼材料层和约束材料层，而其余两块电磁铁分别安装于和板梁结构垂直的墙壁上，并与板梁结构上的电磁铁位置对齐。所有电磁铁通过导线要连接到功率放大器上，电磁控制系统发出控制信号，经功率放大器，对电磁铁线圈通电，通过计算机PID控制算法调整控制电流的方向和大小，来控制电磁铁的磁极极性和磁场强度大小，进而改变板梁结构电磁铁和墙壁电磁铁之间的作用力，减弱板梁结构的振动。

整流电路采用不带滤波器的桥式全波整流电路，包括四个两两对接的二极管组成。桥式整流电路左端接功率放大器输出端中的一路，右端接电磁铁A和电磁铁D，当板梁结构向下弯曲振动，位移为正值，输入电流为正，二极管对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通，二极管对D2、D4加反向电压，D2、D4截止，电路就由功率放大器、二极管D1、电磁铁A和电磁铁D、二极管D3构成通电回路，在电磁铁A、D上有正的半波整流电压；当板梁结构向上弯曲振动，位移为负值，输入电流为负，二极管对D2、D4加正向电压，D2、D4导通，二极管对D1、D3加反向电压，D1、D3截止，电路就由功率放大器、二极管D2、电磁铁A和电磁铁D、二极管D4构成通电回路，同样在电磁铁A、D上有正的半波整流电压。如此重复下去，结果在电磁铁A、D上便得到未经滤波的全波整流电压，也就是说电磁铁A、D的磁极极性是不变的，而磁场强度是可控的。

计算机通过PID控制算法对位移传感器输入的位移信号进行处理，计算机根据位移值大小计算出相应的输出信号，该输出信号经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在磁极极性不变而磁场强度大小可控的电磁铁A、电磁铁D上，另一路直接加在磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、电磁铁C上。具体处理步骤是，所述PID控制算法通过比较器，将位移传感器测量位移值与设计最小位移比较，当位移的绝对值小于设计最小位移绝对值时，控制系统计算机不发控制信号，电磁铁断电；当位移传感器测量位移的绝对值大于设计最小位移绝对值并且为负值时，表明板梁结构向上弯曲振动，PID控制算法根据位移值大小计算出相应的输出，该输出经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在磁极极性不变而磁场强度大小可控的电磁铁A、D上，另一路直接加在磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、C上，这样就使电磁铁A和B之间产生排斥力，C和D之间产生吸引力，对于直接控制结构，电磁铁直接安装于板梁结构上，通过电磁铁之间的作用力直接控制板梁结构的振动，此时产生一个顺时针弯矩，减弱向上弯曲板梁的振动。对于间接控制结构，当板梁向上弯曲振动时，贴在板梁上、下侧的阻尼材料层发生剪切变形，除了产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，还能通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，使振动尽快衰减下来；同理，当位移传感器测量位移的绝对值大于设计最小位移绝对值并且为正值时，表明板梁结构向下弯曲振动，PID控制算法根据位移值大小计算出相应的输出，该输出经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在电磁铁A、D上，另一路直接与电磁铁B、C连接，这样就使电磁铁A和B之间产生吸引力，C和D之间产生排斥力，对于直接控制系统，电磁铁之间的作用力直接控制板梁结构的振动，产生一个逆时针弯矩，减弱板梁结构向下弯曲的振动。对于间接控制结构，当板梁向下弯曲振动时，贴在板梁结构上、下侧的阻尼材料受到反向剪切变形，除了产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，还可通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，使振动尽快衰减下来。

本发明实施后，当板梁结构振动时，电磁控制系统利用PID控制算法对控制电路的电流方向和大小进行控制，实现本系统电磁铁极性和磁场强度大小的可控性。当机械系统运转状态发生改变或环境变化时，引起系统结构振动状况发生变化，当位移传感器将检测到的位移信息转化为电信号并传送到电磁控制系统的计算机，该计算机将位移测量值与控制目标值进行比较，并根据电磁控制的PID算法计算出电流大小及方向，经功率放大器放大，输入电磁铁，通过改变电磁铁的电流方向和大小，从而改变板梁结构电磁铁和墙壁电磁铁之间的作用力，产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩，使悬臂板梁结构的振动快速衰减下来。位移传感器再将测量的位移反馈给控制系统计算机，通过对电磁铁磁极极性和磁场强度的控制，实现了对板梁结构振动位移的闭环控制。

本发明的工作原理：电磁铁是一种利用电流的磁效应使软铁芯具有磁性的装置，一般而言，电磁铁所产生的磁场强弱与电流大小、线圈匝数及中心的铁芯有关，将软铁棒插入螺线管内部，当线圈通有电流时，线圈内部产生磁场使软铁棒磁化，铁棒产生的磁场与线圈磁场叠加，螺线管的磁场强度大大增强，但电流切断后，线圈及软铁棒的磁性就消失。电磁铁的磁极极性可以通过电流方向来控制，磁场强弱可以通过电流大小控制。本发明利用控制电磁铁的磁极极性和磁场强度大小来控制板梁结构的振动，通过位移传感器和计算机控制固定在墙壁上电磁铁和固定在板梁结构上电磁铁的磁极极性和磁场强度大小，利用磁铁的同性相斥异性相吸原理使磁极之间产生随振动位移大小变化的阻力（或阻力矩），而且位移越大，阻力（或阻力矩）也就愈大，从而使悬臂板梁的振动快速衰减下来。位移传感器放置于板梁结构的上侧，当板梁结构向上弯曲振动时，采集到位移为负值；当板梁结构向下弯曲振动时，采集到位移为正值。位移传感器将采集到的位移转化为电信号，传送至控制计算机，计算机根据位移大小和符号并按照PID控制算法计算出应该加载在电磁铁上的电流大小和方向，送至功率放大器放大，最后施加在电磁铁上。

当悬臂板梁振动产生向上弯曲位移时，位移传感器接收到负的位移信号并将该信号送至控制系统的计算机，该计算机根据位移传感器检测到的位移大小和方向，利用PID控制算法计算出相应控制信号的强弱和方向，经功率放大器放大处理后分为两路，一路直接连接磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、C，使其通电产生磁场；另一路送至不带滤波器的桥式整流电路，该电路产生的电流使电磁铁A、D产生的磁极极性不变而磁场强度大小可控，这样使电磁铁A的右端和电磁铁B的左端磁极均为S极产生排斥力，电磁铁C的右端为S极，电磁铁D的左端为N极，产生吸引力，从而合成一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩，而且位移越大，该作用力矩也就愈大。对于直接控制系统，电磁铁直接安装于板梁结构上，通过电磁铁之间的作用力直接控制板梁结构的振动，此时产生一个顺时针弯矩，从而减弱板梁向上弯曲的振动位移；对于间接控制系统，在电磁铁和板梁结构之间增加了阻尼材料层，当板梁向上弯曲振动时，贴在板梁上、下侧的阻尼材料因受到剪切力而变形，除了产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，还可通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，从而使振动尽快衰减下来。

同理，当板梁结构向下弯曲振动时，位移传感器接收到正的位移信号，正向的电流经过不带滤波器的桥式整流电路后电流方向不变，因此，这时通过A、B、C、D四个电磁铁的电流均为正向电流，电磁铁A的右端磁极极性仍为S极，电磁铁B的左端磁极极性变为N极，产生吸引力，电磁铁C的右端和电磁铁D的左端磁极极性均为N极产生排斥力。对于直接控制系统，电磁铁之间的作用力直接控制板梁结构的振动，产生一个逆时针弯矩，而且位移越大，作用力矩也就愈大，从而减弱向下弯曲板梁结构的振动；对于间接控制系统，当板梁向下弯曲振动时，粘贴在板梁上、下侧的阻尼材料受到反向剪切变形，除了产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，还可通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，使结构振动尽快衰减下来。

本发明的有益效果：

1.本发明将现代控制理论、计算机技术和电磁技术相结合，在板梁结构振动时自发地改变电磁铁磁极极性和磁场强度，使其振动较快的衰减下来，实现对板梁结构振动的智能化主动控制，可靠性高，减少了机械系统因振动引起的损坏，保持设备的精度，延长设备的使用寿命，并抑制结构对环境产生的噪声污染、保证操作人员的身心健康，实用性强、经济性高；

2.提供了直接控制和间接控制两种板梁结构振动控制系统，前者电磁铁直接安装在板梁结构上，后者在电磁铁和板梁结构之间增加阻尼材料层，除了磁极之间的直接作用外，还有部分振动能量是通过阻尼材料层的剪切变形消耗掉，达到控制振动之目的；与前者相比，后者的控制效果要更加平稳；

3.采用位移传感器对板梁结构的振动状态信息实时监测，位移传感器将采集板梁结构的振动位移信息反馈给控制系统计算机，实现电磁铁磁极极性和磁场强度大小的智能控制，系统控制精度高、重量轻、灵敏度高；

4.电磁铁磁极极性通过电流方向来控制，磁场强度大小通过电流的大小来控制，便于对电磁振动控制系统进行自适应控制；

5.采用丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、以及在高温环境下使用硅橡胶作为阻尼减振材料，具有损耗因子高的优点；

6.采用电磁铁控制能够对板梁结构产生较大的作用力，因此本发明特别适用于高刚度的板梁结构的振动控制，振动控制效果好；

7.采用不带滤波的桥式全波整流电路，利用二极管的单向导通特性使与桥式整流电路相连电磁铁的电流方向不变，也就是电磁铁的磁极极性不变，而磁场强度大小能够通过位移传感器检测信号大小来控制，本发明的这种设计具有结构简单、可靠性高，控制效果好。

附图说明

图1板梁振动的主动电磁控制系统（图中黑点表示此处的相交导线连接）；

图2板梁振动的主动电磁阻尼控制系统（图中黑点表示此处的相交导线连接）；

图3板梁振动的主动电磁控制结构；

图4板梁振动的主动电磁阻尼控制结构；

图5无滤波器的桥式整流电路；

图6控制软件流程图(图中S为传感器测量的位移值，a为设计最小位移)；

图7直接控制结构向上弯曲振动时电磁铁之间的相互作用（图中箭头为电流方向）；

图8间接控制结构向上弯曲振动时电磁铁之间的相互作用（图中箭头为电流方向）；

图9直接控制结构向下弯曲振动时电磁铁之间的相互作用（图中箭头为电流方向）；

图10间接控制结构向下弯曲振动时电磁铁之间的相互作用（图中箭头为电流方向）；

图11系统控制原理图；

图12（a）控制系统的传感器信号波形例图；

图12（b）控制系统的功率放大器输出信号对应波形例图；

图12（c）控制系统的整流电路输出信号对应波形例图；

图中：1.非铁磁性物质制成的墙壁，2.电磁铁，3.导线，4.板梁结构，5.位移传感器，6.整流电路，7.约束层，8.阻尼材料层，A、B、C、D分别是四个电磁铁的编号，D1、D2、D3、D4分别为桥式整流电路的四个二极管编号，N、S分别为电磁铁的两个极性。

具体实施方式

下面结合图1至图12与实施例对本发明做进一步说明。

一种板梁结构振动的主动电磁控制系统,结合图1至图12c,所述系统包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括非铁磁性物质制成的墙壁1、板梁结构4、电磁铁2，所述板梁结构4的一端与墙壁1连接，板梁结构4上设有位移传感器5，所述电磁铁2包括电磁铁A、电磁铁B、电磁铁C、电磁铁D，其中电磁铁A、电磁铁C设于墙壁1内，所述电磁铁B、电磁铁D设于板梁结构4的两侧，所述电磁铁A、电磁铁B、电磁铁D的线圈缠绕方向相同，电磁铁C线圈缠绕方向与电磁铁A、电磁铁B、电磁铁D缠绕方向相反，电磁铁A与电磁铁D通过导线3串接在一起，电磁铁B和电磁铁C通过导线3串接在一起；所述电磁铁A与电磁铁B的中心线共线，电磁铁C与电磁铁D的中心线共线；所述控制部分包括计算机、功率放大器、不带滤波器的整流电路6，所述计算机与位移传感器5连接，功率放大器输入端与计算机连接，功率放大器输出端的其中一路经不带滤波器的桥式整流电路与电磁铁A、电磁铁D连接，另一路直接与电磁铁B、电磁铁C连接。功率放大器将来自计算机的控制信号放大到设定的倍数，使电磁铁之间产生的作用力足够大以克服板梁的振动，驱动电路在功率放大器输出端分为两路，一路经不带滤波器的桥式整流电路与电磁铁A、D连接，另一路直接与电磁铁B、C连接。能够实现对直接控制结构和间接控制结构进行控制。

所述的电磁铁A、电磁铁C以板梁结构4的中心平面为对称面、对称地设于非铁磁性物质制成的墙壁1内，所述电磁铁B、电磁铁D对称地设于板梁结构4的两侧，所述电磁铁A与电磁铁B的中心线共线，电磁铁C与电磁铁D的中心线共线。

所述间接控制板梁结构的上下两侧设有阻尼材料层8，所述阻尼材料层8外面设有约束层7，所述电磁铁B、电磁铁D设于约束层7外面、并靠近墙壁的一端。能够实现对间接控制结构进行控制。

所述位移传感器5设于板梁结构的上侧、或下侧，并位于远离墙壁1的那一端。当板梁结构向下弯曲振动时位移传感器检测到的位移为正值，如图12a所示第一个半周期；当板梁结构向上弯曲振动时位移传感器检测到的位移为负值，如图12a所示第二个半周期。位移传感器通过信号线与控制系统计算机连接，计算机通过功率放大器与电磁铁连接，其中功率放大器输出端分为两路，一路通过不带滤波器的桥式全波整流电路与电磁铁A和电磁铁D连接，这样即使功率放大器输出控制信号如图12b所示，其电流大小和方向是变化的，而通过电磁铁A和电磁铁D的电流方向不变，如图12c所示，也就是磁极极性总是不变，但其磁场强度大小可以通过调整电流大小来控制；另一路直接与电磁铁B和电磁铁C连接，这样B和C的磁极极性和磁场强度大小都可以控制。

所述位移传感器将采集板梁结构的振动位移信息反馈给控制系统计算机以实现电磁铁磁极极性和磁场强度大小的智能控制，具有灵敏度高、体积小、重量轻的特点。位移传感器放置于板梁结构的上侧，当板梁结构向上弯曲振动时，采集到位移为负值；当板梁结构向下弯曲振动时，采集到位移为正值。位移传感器将采集到的位移转化为电信号，传送至控制计算机，计算机根据位移大小和符号并按照PID控制算法计算出控制电流大小和方向，送至功率放大器放大，最后施加在电磁铁上。

所述间接控制结构阻尼材料层采用丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、高温环境可以使用硅橡胶。阻尼材料层粘贴于板梁结构的上下两表面，约束层粘贴于阻尼材料层外面，在约束层靠近墙壁的一端安装电磁铁。

所述电磁铁采用螺线管电磁铁，铁心插入螺线管内部、并与其固定。铁心采用消磁较快的软铁或硅钢材料制成，这些材料能够使电磁铁断电立即消磁，当线圈通有电流时，线圈内部产生磁场使软铁棒磁化，铁棒产生的磁场与线圈磁场叠加使螺线管的磁场大大增强，但电流切断后，线圈及软铁棒的磁性就消失。在本发明中，如图3所示的主动电磁控制结构的两块电磁铁是直接安装于板梁结构上，主动电磁阻尼控制结构如图4所示，则是在电磁铁和板梁结构之间增加阻尼材料层和约束材料层，而其余两块电磁铁分别安装于与板梁结构垂直的墙壁上，并与板梁结构上的电磁铁位置对齐（电磁铁的中心线要共线）。通过导线将电磁铁分别连接到功率放大器上，电磁控制系统发出控制信号，经功率放大器，对电磁铁线圈通电，通过计算机PID控制算法调整控制电流的方向和大小，来控制电磁铁的磁极极性和磁场强度大小，进而改变板梁结构电磁铁和墙壁电磁铁之间的作用力，减弱板梁结构的振动。

所述整流电路采用不带滤波器的桥式全波整流电路，是由4个两两对接的二极管组成的，具体如图5所示。桥式整流电路左端接功率放大器输出端中的一路，右端接电磁铁A和电磁铁D，当板梁结构向下弯曲振动，位移为正值，输入电流为正半周，二极管对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通，二极管对D2、D4加反向电压，D2、D4截止，电路就由功率放大器、二极管D1、电磁铁A和电磁铁D、二极管D3构成通电回路，在电磁铁A、D上有正的半波整流电压；当板梁结构向上弯曲振动，位移为负值，输入电流为负半周，二极管对D2、D4加正向电压，D2、D4导通，二极管对D1、D3加反向电压，D1、D3截止，电路就由功率放大器、二极管D2、电磁铁A和电磁铁D、二极管D4构成通电回路，同样在电磁铁A、D上有正的半波整流电压。如此重复下去，结果在电磁铁A、D上便得到未经滤波的全波整流电压，也就是说电磁铁A、D的磁极极性是不变的，而磁场强度是可控的。

所述计算机通过PID控制算法对位移传感器输入的位移信号进行处理，具体如图6所示，计算机根据位移值大小计算出相应的输出信号，该输出信号经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在磁极极性不变而磁场强度大小可控的电磁铁A、电磁铁D上，另一路直接加在磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、电磁铁C上。具体处理步骤是，所述PID控制算法通过比较器，将位移传感器测量位移值与设计最小位移比较，当位移值的绝对值小于设计最小位移绝对值时，控制系统计算机不发控制信号，电磁铁断电；当位移传感器测量位移的绝对值大于设计最小位移绝对值并且为负值时，表明板梁结构向上弯曲振动，PID控制算法根据位移值大小计算出相应的输出，该输出经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在磁极极性不变而磁场强度大小可控的电磁铁A、D上，另一路直接加在磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、C上，这样就使电磁铁A和B之间产生排斥力，C和D之间产生吸引力，对于直接控制结构，电磁铁直接安装于板梁结构上，通过电磁铁之间的作用力直接控制板梁结构的振动，此时产生如图7所示的一个顺时针弯矩，减弱向上弯曲板梁的振动。对于间接控制结构，当板梁向上弯曲振动时，贴在板梁上、下侧的阻尼材料层发生剪切变形，除了产生一个如图8所示的使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，还能通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，使振动尽快衰减下来；同理，当位移传感器测量位移的绝对值大于设计最小位移绝对值并且为正值时，表明板梁结构向下弯曲振动，PID控制算法根据位移值大小计算出相应的输出，该输出经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在电磁铁A、D上，另一路直接与电磁铁B、C连接，这样就使电磁铁A和B之间产生吸引力，C和D之间产生排斥力，对于直接控制系统，电磁铁之间的作用力直接控制板梁结构的振动，产生一个如图9所示的逆时针弯矩，减弱板梁结构向下弯曲的振动。对于间接控制结构，当板梁向下弯曲振动时，贴在板梁结构上、下侧的阻尼材料受到反向剪切变形，除了产生一个如图10所示的使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，还可通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，使振动尽快衰减下来。

本发明实施后，当板梁结构振动时，电磁控制系统利用PID控制算法对控制电路的电流方向和大小进行控制，具体如图6所示，实现本系统电磁铁磁极极性和磁场强度大小的可控性。当机械系统运转状态发生改变或环境变化时，引起系统结构振动状况发生变化，当位移传感器将检测到的位移信息转化为电信号并传送到电磁控制系统的计算机，该计算机将位移测量值与控制目标值进行比较，并根据电磁控制的PID算法计算出电流大小及方向，经功率放大器放大，输入电磁铁，通过改变电磁铁的电流方向和大小，从而改变板梁结构电磁铁和墙壁电磁铁之间的作用力，产生一个与结构弯曲振动方向相反的弯矩，使悬臂板梁结构的振动快速衰减下来。位移传感器再将测量的位移反馈给控制系统计算机，通过对电磁铁磁极极性和磁场强度的控制，实现对振动板梁结构振动位移的闭环控制，具体原理如图11所示。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述系统包括机械部分和控制部分，所述机械部分包括非铁磁性物质制成的墙壁、板梁结构、电磁铁，所述板梁结构的一端与墙壁连接，板梁结构上设有位移传感器，所述电磁铁包括电磁铁A、电磁铁B、电磁铁C、电磁铁D，其中电磁铁A、电磁铁C设于非铁磁性物质制成的墙壁内，所述电磁铁B、电磁铁D设于板梁结构的两侧，所述电磁铁A、电磁铁B、电磁铁D的线圈缠绕方向相同，电磁铁C线圈缠绕方向与电磁铁A、电磁铁B、电磁铁D缠绕方向相反，电磁铁A与电磁铁D通过导线串接在一起，电磁铁B和电磁铁C通过导线串接在一起；所述控制部分包括计算机、功率放大器、不带滤波器的桥式全波整流电路，所述计算机与位移传感器连接，功率放大器输入端与计算机连接，功率放大器输出端的其中一路经不带滤波器的桥式全波整流电路与电磁铁A、电磁铁D连接，另一路直接与电磁铁B、电磁铁C连接。

2.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述电磁铁A、电磁铁C以板梁结构(4)的中心平面为对称面、对称地设于非铁磁性物质制成的墙壁内，所述电磁铁B、电磁铁D对称地设于板梁结构的两侧，所述电磁铁A与电磁铁B的中心线共线，电磁铁C与电磁铁D的中心线共线。

3.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述板梁结构的上、下两侧设有阻尼材料层，所述阻尼材料层外面设有约束层，所述电磁铁B、电磁铁D设于约束层外面、并靠近墙壁的一端。

4.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述位移传感器设于板梁结构上侧、或下侧，位移传感器设于远离墙壁的一端。

5.如权利要求3所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述阻尼材料层采用丁基橡胶、或氯丁橡胶、或丁腈橡胶、或硅橡胶。

6.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述电磁铁采用螺线管电磁铁，铁心插入螺线管内部、并与其固定，铁心采用消磁较快的软铁或硅钢材料制成。

7.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述整流电路采用不带滤波器的桥式全波整流电路，包括四个两两对接的二极管组成，桥式全波整流电路左端接功率放大器输出端中的一路，右端接电磁铁A和电磁铁D，电磁铁A、电磁铁D上得到未经滤波的全波整流电压。

8.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述计算机通过PID控制算法对位移传感器输入的位移信号进行处理，计算机根据位移值大小计算出相应的输出信号，该输出信号经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在磁极极性不变而磁场强度大小可控的电磁铁A、电磁铁D上，另一路直接加在磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、电磁铁C上，产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩。

9.如权利要求3所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，所述计算机通过PID 控制算法对位移传感器输入的位移信号进行处理，计算机根据位移值大小计算出相应的输出信号，该输出信号经功率放大器放大后分为两路，一路经不带滤波器的桥式全波整流电路加载在磁极极性不变而磁场强度大小可控的电磁铁A、电磁铁D上，另一路直接加在磁极极性和磁场强度大小均可控的电磁铁B、电磁铁C上，产生一个使板梁结构回到平衡位置的可变力矩外，同时还能通过阻尼材料层的剪切变形来消耗振动能量，使振动尽快衰减下来。

10.如权利要求1所述的板梁结构振动的主动电磁控制系统，其特征是，位移传感器能将测量的位移反馈给控制系统计算机，通过对电磁铁磁极极性和磁场强度的控制，实现了对板梁结构振动位移的闭环控制。