CN105546021B - 基于状态观测的半主动吸振器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是控制系统的构成包括半主动悬置系统、状态观测模块、相位差余弦值计算模块以及电流输出模块。其中半主动悬置系统包括减振对象、半主动吸振器、被动隔振器以及安装在减振对象或半主动吸振器上的传感器，用于实时检测与半主动悬置系统的输出向量对应的振动信息；状态观测模块包括模数转换器、自适应状态观测器和状态处理单元，用于实时预测半主动悬置系统的相关状态向量对应的相关振动信息；电流输出模块由模糊逻辑控制单元、积分器和可控电流源构成，实时输出半主动吸振器所需的控制电流。本发明只需使用一个传感器，即可实现对半主动吸振器系统的振动进行快速稳定有效地控制。

Description

基于状态观测的半主动吸振器控制系统

技术领域

本发明涉及基于状态观测的半主动吸振器控制系统，更具体地说是一种适用于汽车发动机悬置系统、新能源汽车动力总成悬置系统、舰艇动力系统、医疗器械系统、特种装备运载器、机床加工设备等使用旋转机械作为动力的磁流变弹性体吸振器减振控制系统。

背景技术

旋转机械在为工程应用提供动力的同时，也给系统带来了振动扰动，且振动扰动的频率与其转速成一定的比例。以汽车内燃机动力总成为例，在内燃机工作时，气缸压力和往复惯性力产生的俯仰力矩是内燃机的主要振动激励，该扰动转矩频率是内燃机转速角频率的两倍。在工程应用中，为减小旋转机械的振动对系统造成的不良影响，在旋转机械和基体之间设置有悬置元件。匹配合理的悬置元件既能有效隔离旋转机械的振动向基体的传递，又能隔离来自基体的扰动对旋转机械产生的不良影响。因此，设计合理的悬置元件不但能有效衰减旋转机械系统的振动，而且可以延长系统相关零部件的使用寿命。

按照悬置元件可控特性，悬置元件可以分为被动悬置元件、半主动悬置元件和主动悬置元件。其中，被动悬置元件以橡胶悬置元件和液压悬置元件最为常见；半主动悬置元件是基于诸如电磁流变材料等智能材料设计的执行器件。通过改变智能材料的可控参数来控制悬置元件的动力学特性，即可有效衰减悬置系统的振动。由于采用智能材料种类的不同及工作原理的差异，半主动悬置元件形式多种多样。其中，基于动力吸振器原理而设计的悬置结构是半主动悬置元件的一种，该悬置元件通过控制动力吸振器的固有频率跟踪旋转机械的激励频率，就可有效衰减旋转机械的振动。动力吸振器的弹性元件由刚度可控的智能材料制成为佳，其中磁流变弹性体是广泛采用的材料之一。磁流变弹性体是磁流变材料的一种，它由高分子聚合物和微米尺度的铁磁性颗粒组成，其磁滞模量可由外加磁场的大小控制。磁流变弹性体具有刚度连续可控、响应速度快、可逆性好、无需封装等优点，适合作为动力吸振器的弹性元件，因此磁流变弹性体动力吸振器在振动控制领域受到了一定的关注。

对磁流变弹性体动力吸振器进行有效的控制是其有效工作的必要条件。已有Kim等人通过实验拟合了磁流变弹性体动力吸振器固有频率与磁感应强度之间的数学表达式，通过测得系统的激励频率计算得到所需的外加磁场，仿真结果表明该算法具有良好的振动控制效果。Zhang等人设计了bang-bang控制算法对磁流变弹性体动力吸振器进行控制，结果表明该算法可以有效地衰减系统的振动。考虑到磁流变弹性体动力吸振器中由磁流变弹性体的非线性因素引起的磁场强度和磁流变弹性体磁滞模量的不确定关系，Liao等人提出了一种基于相位的控制算法，该算法具有调整速度快、稳定性好等优点。

申请号为2005100948823的中国发明专利申请中公开了一种磁流变弹性体移频式吸振器的控制方法，首先测得吸振器的固有频率与其线圈输入电压之间的对应关系，利用传感器测得减振对象的振动信号并检测其振动频率，根据振动频率与线圈电压之间的关系确定所需的控制电压。申请号为200510094987.9的中国发明专利申请中公开了一种磁流变弹性体主动吸振系统的控制方法，通过加速度传感器获得减振对象的振动频率、幅值和相位信息，分别对变刚度元件和主动力元件进行自寻优算法的粗调和精调。申请号为201410299504.8的中国发明专利申请公开了一种变刚度变质量的吸振器控制方法，以快速傅里叶算法获得外界激励频率，并在当前吸振器质量的条件下实现对吸振器刚度的控制。申请号为201410131768.2的中国发明专利申请中公开了一种主动吸振器控制方法，其根据监测得到未知振动源的振动信号，通过控制单元控制主动振动源实现对未知振动源振动的有效控制。

然而，由于旋转机械复杂的工作条件，旋转机械的激励，包括其激励频率和激励幅值总是不断的变化，要对旋转机械的振动信号进行准确的频率识别非常困难。另一方面，由于磁流变弹性体的磁滞模量不仅与外加磁场大小相关，还和磁流变弹性体的应变量和激励频率相关，磁流变弹性体磁滞模量与外加磁场之间的精确数学模型很难建立。所以在旋转机械半主动悬置系统的振动控制中，已有的基于激励频率识别的磁流变弹性体动力吸振器控制算法很难有效地工作。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种基于状态观测的半主动吸振器控制系统，以期能够实现对半主动吸振器的快速、有效、稳定的控制，降低旋转机械传递到基体的振动能量，减小旋转机械相关零部件的振动，延长其使用寿命。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于状态观测的半主动吸振器控制系统的特点是：所述控制系统的构成包括半主动悬置系统、状态观测模块、相位差余弦值计算模块以及电流输出模块；

所述半主动悬置系统包括减振对象、半主动吸振器、被动隔振器以及安装在所述减振对象或半主动吸振器上的传感器；利用所述半主动吸振器对所述减振对象的振动进行半主动吸振控制；利用所述传感器实时检测获得与所述半主动悬置系统的输出向量相对应的实时振动信号的模拟量；所述被动隔振器用于支撑所述减振对象；

所述状态观测模块包括模数转换器、自适应状态观测器和状态处理单元；所述模数转换器用于将所述实时振动信号的模拟量转换为数字量；根据所述实时振动信号的数字量，利用所述自适应状态观测器预测获得所述半主动悬置系统的状态向量，并由所述状态向量获得与相关状态向量对应的半主动悬置系统的相关振动信息；所述状态处理单元根据所述的相关振动信息计算获得半主动吸振器相对于减振对象的相对运动信息，以及减振对象的自身运动信息；

所述相位差余弦值计算模块用来实时计算获得所述相对运动信息和自身运动信息之间的相位差余弦值；

所述电流输出模块由模糊逻辑控制单元、积分器和可控电流源构成；由所述模糊逻辑控制单元根据所述相位差余弦值确定电流输出模块中输出的控制电流的积分增益因子，由积分器通过对所述相位差余弦值进行积分获得相位差余弦值积分信息，以所述相位差余弦值积分信息乘以所述积分增益因子获得电流控制信号，利用所述电流控制信号控制所述可控电流源输出控制电流，所述控制电流输出至所述半主动吸振器，实现对半主动悬置系统的振动的控制。

本发明基于状态观测的半主动吸振器控制系统的特点也在于：所述半主动吸振器为磁流变弹性体吸振器；所述减振对象为旋转机械；所述自适应状态观测器采用Kalman滤波状态观测器。

本发明基于状态观测的半主动吸振器控制系统的特点也在于：按如下方式获得所述相对运动信息和自身运动信息：

设置所述传感器是安装在减振对象上的位移传感器，令：所述半主动悬置系统的输出向量为减振对象的实测振动位移；取所述半主动悬置系统的相关状态向量为半主动吸振器的振动位移；根据所述实测振动位移，并利用所述Kalman滤波状态观测器获得半主动悬置系统的状态向量，利用所述状态向量确定所述减振对象的估计振动位移x₂和半主动吸振器的估计振动位移x₁；并有：半主动吸振器相对于减振对象的估计相对位移x_r为：x_r＝x₁-x₂；

以所述估计相对位移x_r作为所述相对运动信息，以所述减振对象的估计振动位移x₂作为所述自身运动信息。

本发明基于状态观测的半主动吸振器控制系统的特点也在于：所述相位差余弦值计算模块包括均方根计算单元、点乘计算单元和相位差余弦值计算单元；所述相对运动信息和所述自身运动信息之间的相位差余弦值按如下方法获得：

利用所述均方根计算单元分别计算获得所述相对运动信息的均方根值以及所述自身运动信息的均方根值利用所述点乘计算单元计算获得相对运动信息和自身运动信息的点乘运算值X_r·X₂；

利用所述相位差余弦值计算单元按式(1)计算获得相位差余弦值δ：

本发明基于状态观测的半主动吸振器控制系统的特点也在于：所述传感器为位移传感器、速度传感器或加速度传感器；相应的，由所述状态处理单元计算获得的相对运动信息和自身运动信息为位移信息、速度信息或加速度信息。

本发明基于状态观测的半主动吸振器控制系统的特点也在于：所述半主动吸振器与所述被动隔振器采用一体式结构，或是与所述被动隔振器分别独立安装。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.本发明不需检测旋转机械的激励频率，不需要建立磁流变弹性体动力吸振器的固有频率和控制电流之间的非线性数学模型，通过计算磁流变弹性体动力吸振器相对于旋转机械的相对运动信息与旋转机械自身运动信息之间的相位差余弦值信息，从而实现对磁流变弹性体动力吸振器进行快速有效的控制。既防止了激励频率检测过程中出现的误差，也简化了前期的建模过程，而且还能更有效地提高对旋转机械振动的控制效果及系统稳定性。

2.本发明根据旋转机械半主动悬置系统的振动特性，利用自适应状态观测器，实现对半主动悬置系统相关状态向量及对应的相关振动信息实时准确地预测，也能对不易测量的状态向量进行准确的预测。在实际应用中本发明只需要使用一个传感器，节省了传感器的使用数量，既节省了控制系统的成本，又简化了控制系统的硬件复杂性。

3.本发明建立积分增益因子与旋转机械半主动悬置系统振动参数之间的模糊逻辑规则，能根据旋转机械不同的工作状况，即激励频率和激励幅值的时变状况，利用模糊逻辑规则确定对应的积分增益因子，实现磁流变弹性体动力吸振器固有频率对激励频率的准确跟踪。能有效防止当积分增益因子较小时磁流变弹性体动力吸振器的固有频率对激励频率的跟踪较慢导致的延时现象，也能防止积分增益因子较大时磁流变弹性体动力吸振器固有频率对激励频率的跟踪较快导致的震荡现象，有效提高磁流变弹性体动力吸振器对旋转机械振动的控制效果。

附图说明

图1为本发明控制原理示意图；

图2为本发明中旋转机械的输出激励时域图；

图3a为本发明中模糊逻辑控制单元采用的模糊算法相位差余弦值绝对值的隶属度函数；

图3b为本发明中模糊逻辑控制单元采用的模糊算法相位差余弦值绝对值变化率的隶属度函数；

图3c为本发明中模糊逻辑控制单元采用的模糊算法积分增益因子的隶属度函数；

图3d为本发明中模糊逻辑控制单元采用的模糊算法规则曲面；

图4为本发明另一实施方式控制原理示意图。

图中标号：1半主动悬置系统，2状态观测模块，3相位差余弦值计算模块，4电流输出模块，11减振对象，12半主动吸振器，13被动隔振器，14传感器，21模数转换器，22自适应状态观测器，23状态处理单元，31均方根计算单元，32点乘计算单元，33相位差余弦值计算单元，41模糊逻辑控制单元，42积分器，43数模转换器，44可控电流源。

具体实施方式：

本实施例中基于状态观测的半主动吸振器控制系统的构成包括半主动悬置系统1、状态观测模块2、相位差余弦值计算模块3以及电流输出模块4。

如图1所示，半主动悬置系统1包括减振对象11、半主动吸振器12、被动隔振器13以及安装在减振对象11或半主动吸振器12上的传感器14；利用半主动吸振器12对减振对象11的振动进行半主动吸振控制；利用传感器14实时检测获得与半主动悬置系统1的输出向量相对应的实时振动信号的模拟量；被动隔振器13用于支撑减振对象11。

状态观测模块2包括模数转换器21、自适应状态观测器22和状态处理单元23；模数转换器21用于将实时振动信号的模拟量转换为数字量；根据实时振动信号的数字量，利用自适应状态观测器22预测获得半主动悬置系统1的状态向量，并由状态向量获得与相关状态向量对应的半主动悬置系统1的相关振动信息；状态处理单元23根据相关振动信息计算获得半主动吸振器12相对于减振对象11的相对运动信息，以及减振对象11的自身运动信息。

相位差余弦值计算模块3用来实时计算获得相对运动信息和自身运动信息之间的相位差余弦值。

电流输出模块4由模糊逻辑控制单元41、积分器42和可控电流源44构成；由模糊逻辑控制单元41根据相位差余弦值确定电流输出模块4中输出的控制电流的积分增益因子，由积分器42通过对相位差余弦值进行积分获得相位差余弦值积分信息，以相位差余弦值积分信息乘以积分增益因子获得电流控制信号，利用电流控制信号控制可控电流源44输出控制电流，控制电流输出至半主动吸振器12，实现对半主动悬置系统1的振动的控制。

本实施例中半主动吸振器12为磁流变弹性体吸振器；减振对象为旋转机械；自适应状态观测器22采用Kalman滤波状态观测器。

旋转机械振动的激励幅值和激励频率随着其工作状况的不同而改变，且经常包含一定程度的噪声分量。图2为本实施例中采用的旋转机械不断变化的振动激励信号的时域图。

本实施例按如下方式获得半主动吸振器12相对于减振对象11的相对运动信息，以及减振对象11的自身运动信息：

设置传感器14是安装在减振对象11上的位移传感器，令：半主动悬置系统1的输出向量为减振对象11的实测振动位移；取半主动悬置系统1的相关状态向量为半主动吸振器12的振动位移；根据实测振动位移，并利用Kalman滤波状态观测器预测获得半主动悬置系统1的状态向量，关于Kalman滤波状态观测器的工作原理，在崔锦泰、陈关荣编写的《卡尔曼滤波及其实时应用》(ISBN:9787302309079)一书中已经有记载。

本实施例中利用状态向量确定减振对象11的估计振动位移x₂和半主动吸振器12的估计振动位移x₁；并有：半主动吸振器12相对于减振对象11的估计相对位移x_r为：x_r＝x₁-x₂；以估计相对位移x_r作为相对运动信息，以减振对象11的估计振动位移x₂作为自身运动信息。

本实施例中相位差余弦值计算模块3包括均方根计算单元31、点乘计算单元32和相位差余弦值计算单元33；相对运动信息和自身运动信息之间的相位差余弦值按如下方法获得：

具体实施中，均方根计算单元31和点乘计算单元32中均含有存储容量为1000的数据缓冲器。利用均方根计算单元31分别计算获得相对运动信息的均方根值以及自身运动信息的均方根值利用点乘计算单元32计算获得相对运动信息和自身运动信息的点乘运算值X_r·X₂；

利用相位差余弦值计算单元33按式(1)计算获得相位差余弦值δ：

模糊逻辑控制单元41利用相位差余弦值来确定电流输出模块4中输出的控制电流的积分增益因子γ，本实施例中，积分增益因子γ通过如下模糊控制算法得到：

选取相位差余弦值绝对值|δ|及相位差余弦值绝对值|δ|的变化率ε两个变量为模糊控制算法的输入，积分增益因子γ为模糊控制算法的输出；将相位差余弦值绝对值|δ|分为五个子集：极小(VS)，小(S)，中(M)，大(B)和极大(VB)；将相位差余弦值绝对值|δ|的变化率ε分为五个子集：极小(VS)，小(S)，中(M)，大(B)和极大(VB)；将积分增益因子γ分为五个子集：极小(VS)，小(S)，中(M)，大(B)和极大(VB)；分别建立相位差余弦值绝对值|δ|、变化率ε及积分增益因子γ的隶属度函数如图3a、图3b和图3c所示，在确定相位差余弦值绝对值|δ|的模糊子集划分区间时，由于相位差余弦值绝对值|δ|在接近0时变化较慢，在接近1时变化较快，因此在靠近0时的模糊子集划分比接近1时的较密。由于变化率ε和相位差余弦值绝对值|δ|的物理意义相似，根据同样的原则对变化率ε的模糊子集进行划分；并将积分增益因子γ的模糊子集分成了均匀的5个子集。

当相位差余弦值绝对值|δ|越接近1，且变化率ε越接近0时，说明磁流变弹性体动力吸振器的固有频率越偏离旋转机械的激励频率，此时需要较大的积分增益因子γ；当相位差余弦值绝对值|δ|越接近0，且变化率ε越接近1时，说明磁流变弹性体动力吸振器的固有频率越靠近旋转机械的激励频率，此时需要相对较小的积分增益因子γ。

根据上述逻辑关系，制定可得模糊算法规则曲面如图3d所示。最终，模糊逻辑控制单元41利用相位差余弦值δ的信息，输出相应的控制电流的积分增益因子γ。

在确定积分增益因子γ后，积分器42通过对相位差余弦值进行积分获得相位差余弦值积分信息，以相位差余弦值积分信息乘以积分增益因子γ获得电流控制信号，并通过数模转换器43将上述电流控制信号的数字量转化为电流控制信号的模拟量，并输出到可控电流源44。最终可控电流源44输出的控制电流I可以用式(2)计算：

I＝-γ∫δdt (2)

可控电流源44将计算得到的控制电流I输出到磁流变弹性体动力吸振器，实现磁流变弹性体动力吸振器固有频率对旋转机械激励频率的准确跟踪，进而实现磁流变弹性体动力吸振器对旋转机械振动的有效快速的控制。

具体实施中，传感器14可以为位移传感器、速度传感器或加速度传感器；相应地，由状态处理单元23计算获得的相对运动信息和自身运动信息为位移信息、速度信息或加速度信息；半主动吸振器12与被动隔振器13可以采用如图4所示的分别独立安装的结构形式，也可以采用如图1所示的一体式结构，在申请号为201410625438.9的中国发明专利申请说明书中已经公开此类一体式结构，即：一种具有主动吸振能力的隔振器。

本发明提出的控制系统只需安装一个传感器，且可以根据实际应用条件的限制，传感器类型可以为位移传感器，速度传感器或加速度传感器，节省了系统的成本，并提高了控制系统的应用范围。该控制系统不需检测旋转机械的激励频率，也不需要建立磁流变弹性体动力吸振器的固有频率和控制电流之间的非线性数学模型，通过计算磁流变弹性体动力吸振器相对于旋转机械的相对运动与旋转机械自身运动之间的相位差余弦值信息，就可以对磁流变弹性体动力吸振器进行有效控制，既简化了前期复杂的建模过程，又提高了算法的控制速度、精度和稳定性。对于所属技术领域的技术人员而言，基于本发明所述的原理对半主动动力吸振器系统进行控制的明显改动和变形都没有脱离本发明的范围和精神，只要不背离本发明的范围和精神的变化形式都应认定为属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是：所述控制系统的构成包括半主动悬置系统(1)、状态观测模块(2)、相位差余弦值计算模块(3)以及电流输出模块(4)；

所述半主动悬置系统(1)包括减振对象(11)、半主动吸振器(12)、被动隔振器(13)以及安装在所述减振对象(11)或半主动吸振器(12)上的传感器(14)；利用所述半主动吸振器(12)对所述减振对象(11)的振动进行半主动吸振控制；利用所述传感器(14)实时检测获得与所述半主动悬置系统(1)的输出向量相对应的实时振动信号的模拟量；所述被动隔振器(13)用于支撑所述减振对象(11)；

所述状态观测模块(2)包括模数转换器(21)、自适应状态观测器(22)和状态处理单元(23)；所述模数转换器(21)用于将所述实时振动信号的模拟量转换为数字量；根据所述实时振动信号的数字量，利用所述自适应状态观测器(22)预测获得所述半主动悬置系统(1)的状态向量，并由所述状态向量获得与相关状态向量对应的半主动悬置系统(1)的相关振动信息；所述状态处理单元(23)根据所述的相关振动信息计算获得半主动吸振器(12)相对于减振对象(11)的相对运动信息，以及减振对象(11)的自身运动信息；

所述相位差余弦值计算模块(3)用来实时计算获得所述相对运动信息和自身运动信息之间的相位差余弦值；

所述电流输出模块(4)由模糊逻辑控制单元(41)、积分器(42)和可控电流源(44)构成；由所述模糊逻辑控制单元(41)根据所述相位差余弦值确定电流输出模块(4)中输出的控制电流的积分增益因子，由积分器(42)通过对所述相位差余弦值进行积分获得相位差余弦值积分信息，以所述相位差余弦值积分信息乘以所述积分增益因子获得电流控制信号，利用所述电流控制信号控制所述可控电流源(44)输出控制电流，所述控制电流输出至所述半主动吸振器(12)，实现对半主动悬置系统(1)的振动的控制。

2.根据权利要求1所述的基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是：所述半主动吸振器(12)为磁流变弹性体吸振器；所述减振对象(11)为旋转机械；所述自适应状态观测器(22)采用Kalman滤波状态观测器。

3.根据权利要求2所述的基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是：按如下方式获得所述相对运动信息和自身运动信息：

设置所述传感器(14)是安装在减振对象(11)上的位移传感器，令：所述半主动悬置系统(1)的输出向量为减振对象(11)的实测振动位移；取所述半主动悬置系统(1)的相关状态向量为半主动吸振器(12)的振动位移；根据所述实测振动位移，并利用所述Kalman滤波状态观测器获得半主动悬置系统(1)的状态向量，利用所述状态向量确定所述减振对象(11)的估计振动位移x₂和半主动吸振器(12)的估计振动位移x₁；并有：半主动吸振器(12)相对于减振对象(11)的估计相对位移x_r为：x_r＝x₁-x₂；

以所述估计相对位移x_r作为所述相对运动信息，以所述减振对象(11)的估计振动位移x₂作为所述自身运动信息。

4.根据权利要求3所述的基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是：所述相位差余弦值计算模块(3)包括均方根计算单元(31)、点乘计算单元(32)和相位差余弦值计算单元(33)；所述相对运动信息和所述自身运动信息之间的相位差余弦值按如下方法获得：

利用所述均方根计算单元(31)分别计算获得所述相对运动信息的均方根值以及所述自身运动信息的均方根值利用所述点乘计算单元(32)计算获得相对运动信息和自身运动信息的点乘运算值X_r·X₂；

利用所述相位差余弦值计算单元(33)按式(1)计算获得相位差余弦值δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{X_r\·X_2}{2{\stackrel{\‾}{X}}_r\·{\stackrel{\‾}{X}}_2}---\left(1\right).$

5.根据权利要求2所述的基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是：所述传感器(14)为位移传感器、速度传感器或加速度传感器；相应的，由所述状态处理单元(23)计算获得的相对运动信息和自身运动信息为位移信息、速度信息或加速度信息。

6.根据权利要求1所述的基于状态观测的半主动吸振器控制系统，其特征是：所述半主动吸振器(12)与所述被动隔振器(13)采用一体式结构，或是与所述被动隔振器(13)分别独立安装。