CN106838095B - 一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法 - Google Patents

一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，首先判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励，然后分类实施控制策略。本发明通过对吸振器刚度和阻尼的调节，可以对单频激励和多频激励实施分类控制，针对单频激励情况，本发明调节吸振器刚度和阻尼，使主系统能够在一定频带内得到有效控制；针对多频激励情况，本发明调节吸振器刚度和阻尼，使吸振器成为传统动力吸振器，该传统动力吸振器可以实时修正刚度和阻尼参数，使其始终保持最佳调谐频率和最优阻尼比,从而对主系统振动实施有效控制。

Description

一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法
技术领域
本发明涉及测试振动控制，尤其是一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法。
背景技术
动力吸振器自从Frahm发明以来，引起众多学者和研究人员的关注，现已成为振动控制的有效装置。传统动力吸振器属于被动型动力吸振器，如图1所示，结构简单、造价低，减振效果好，但是其自身参数一经设计将不可改变，固有频率和阻尼不可调节，有效减振频带较窄。针对传统动力吸振器有效减振频带过窄的缺点，研究人员提出了众多类型的自适应动力吸振器，如变刚度动力吸振器，变质量动力吸振器，变阻尼动力吸振器、变刚度变质量复合型动力吸振器、变刚度变阻尼组合式动力吸振器等类型，变刚度变阻尼组合式动力吸振器如图2所示。针对以上类型的动力吸振器研究人员提出了各种控制方法，但仍未有适用于变刚度变阻尼组合式动力吸振器的控制方法。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种适用于变刚度变阻尼组合式动力吸振器的控制方法，在外界激振力变化的情况下，通过对吸振器刚度和阻尼的调节，使变刚度变阻尼组合式动力吸振器达到较好的减振效果。
技术方案：一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，首先判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励，然后分类实施控制策略：如果主系统所受激励为单频激励，激励频率为ω，则控制器一方面控制吸振器刚度k2按照以下控制原则变化：
其中，k2min为吸振器可变刚度的最小值，k2max为吸振器可变刚度的最大值，m2为吸振器的质量，为吸振器固有频率最小值，为吸振器固有频率最大值；
同时控制阻尼器阻尼为可变阻尼器的最大值cmax，当变刚度结束之后控制阻尼器阻尼为可变阻尼器的最小值cmin；
如果主系统所受激励为多频激励，则控制吸振器刚度为吸振器最优同调状态下的刚度值k2opt，并控制阻尼器阻尼为吸振器最优同调状态时的最优阻尼copt。
优选的，所述判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励具体为：在激励源上设置用于测量激励信号的振动传感器，对振动传感器采集的振动信号进行快速傅里叶变换，计算出主系统所受激励的频率响应函数，再根据频率响应函数判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励。
优选的，所述振动传感器选用位移传感器、速度传感器或者加速度传感器中的任意一种。
优选的，所述吸振器可变刚度的最小值k2min和吸振器可变刚度的最大值k2max满足k2min＜k2opt＜k2max，其中k2opt满足：
其中，γopt为吸振器的最优同调频率比，μ为动力吸振器与主系统的质量比，k1为主系统的刚度。
优选的，动力吸振器与主系统的质量比其中：m1为主系统的质量。
优选的，所述吸振器的最优同调频率比γopt满足
优选的，所述吸振器最优同调状态时的最优阻尼copt满足：
其中，μ为动力吸振器与主系统的质量比，k1为主系统的刚度。
优选的，所述可变阻尼器的最大值cmax和可变阻尼器的最小值cmin满足：
有益效果：
(1)本发明提供了一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，通过对吸振器刚度和阻尼的调节，可以针对单频激励和多频激励实施分类控制，针对单频激励情况，本发明调节吸振器刚度和阻尼，使主系统能够在一定频带内得到有效控制；针对多频激励情况，本发明调节吸振器刚度和阻尼，使吸振器成为传统动力吸振器，该传统动力吸振器可以实时修正刚度和阻尼参数，使其始终保持最佳调谐频率和最优阻尼比,从而对主系统振动实施有效控制。
(2)针对单频激励，本发明变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法可以有效抑制刚度变化初期主系统的振动。
(3)针对多频激励情况，本发明控制方法使变刚度变阻尼组合式动力吸振器变为传统动力吸振器，本发明控制方法能够实时监控传统动力吸振器参数因长时间工作而引起的变化，并能够对其进行修正，使传统吸振器始终保持最佳的设计参数。
(4)本发明控制方法简单，易于实现，针对单频激励和多频激励均能实施有效控制，联合了传统动力吸振器和自适应动力吸振器的优点。
(5)本发明控制方法耗能少，只需提供改变刚度单元和阻尼单元的能量，大幅降低了主动控制所需的能量。
附图说明
图1是传统动力吸振器振动模型图；
图2是变刚度变阻尼组合式动力吸振器振动模型图；
图3是应用本发明控制方法所得主系统加速度响应图；
图4是变刚度动力吸振器的主系统加速度响应图；
图5是传统动力吸振器的主系统加速度响应图；
图6是传统动力吸振器参数改变后主系统加速度响应图。
具体实施方式
下面通过一个实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
本实施例根据可变刚度单元和可变阻尼器的选取原则，选用磁流变弹性体作为变刚度单元，磁流变液阻尼器作为可变阻尼器，选取的主系统和变刚度变阻尼组合式动力吸振器参数(参数归一化后)如下表所示：
表1变刚度变阻尼组合式动力吸振器主系统参数
主系统参数 参数值
m<sub>1</sub> 1
k<sub>1</sub> 400
表2变刚度变阻尼组合式动力吸振器吸振器参数
组合式吸振器参数 参数值
m<sub>2</sub> 0.1
k<sub>2max</sub> 60
k<sub>2min</sub> 30
c<sub>max</sub> 1
c<sub>min</sub> 0.1
(1)确定动力吸振器与主系统的质量比μ：
式中：m1为主系统的质量，m2为吸振器的质量；
(2)根据动力吸振器与主系统的质量比μ确定吸振器的最优同调频率比γopt，最优同调频率比即吸振器设计理论中不动点等高时，吸振器固有频率与主系统固有频率之比：
(3)根据最优同调频率比γopt和主系统的刚度k1，确定吸振器最优同调状态下的刚度值k2opt：
(4)选取可变刚度单元，选取原则：可变刚度单元的变化范围越大越好，即最小刚度k2min和最大刚度k2max需满足以下条件：
k2min＜k2opt＜k2max
式中：k2min为吸振器可变刚度最小值，k2max为吸振器可变刚度最大值；本系统选取的可变刚度单元的最大可变刚度k2max为60，最小可变刚度k2min为30；
(5)根据吸振器可变刚度的最小值k2min与最大值k2max，确定吸振器固有频率ω2n的变化范围：
本实施例中吸振器固有频率ω2n的变化范围为
(6)根据质量比μ确定吸振器最优同调状态时的最优阻尼copt：
(7)选取可变阻尼器，选取原则：可变阻尼器的最小阻尼cmin越小越好，即可变阻尼器的最小值cmin和可变阻尼器的最大值cmax满足以下条件：
本实施例中选取的磁流变液阻尼器的最小阻尼cmin为0.1，最大阻尼cmax为1；
(8)在激励源上设置用于测量激励信号的振动传感器，所述振动传感器为位移传感器、速度传感器或者加速度传感器中的任意一种；
(9)对步骤(8)中振动传感器采集的振动信号进行快速傅里叶变换，计算出主系统所受激励的频率响应函数；
(10)根据步骤(9)计算的频率响应函数判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励，分类实施控制策略：如果主系统所受激励为单频激励，激励频率为ω，则控制器一方面控制吸振器刚度k2按照以下控制原则变化：
同时控制阻尼器阻尼为最大值cmax，当变刚度结束之后控制阻尼器阻尼为最小值为吸振器固有频率ω2n的最小值，为吸振器固有频率ω2n的最大值；
如果主系统所受激励为多频激励，所述多频激励即为包含两个及两个以上频率的激励，或连续频率激励或随机激励，则控制吸振器刚度为k2opt，并控制器控制阻尼器阻尼为最优阻尼copt。
即根据控制策略，具体的控制方法将根据激励类型进行分类控制：(a)主系统所受激励为单频激励时，刚度分三种情况变化，第一种情况激励频率小于吸振器固有频率ω2n的最小值时，吸振器刚度取最大值k2max；第二种情况激励频率位于吸振器固有频率ω2n变化区间 内时，吸振器刚度为m2ω2，使吸振器处于调谐状态；第三种情况激励频率大于吸振器固有频率ω2n的最大值时，吸振器刚度取最小值k2min，同时控制吸振器阻尼取最大值cmax，当变刚度结束之后控制吸振器阻尼为最小值cmin。
(b)主系统所受激励为多频激励时，控制吸振器刚度取最优同调状态下的刚度值k2opt，阻尼取最优阻尼copt。
本实施例中，系统参数如表1和表2所示。主系统前200s所受的外界激振力为第200s至400s所受的外界激振力为
本实施例中，判断主系统所受激励在前200s为单频激励，激励频率为则在前200s内首先控制吸振器刚度按照以下控制原则变化：
此时，应控制刚度为30，同时控制吸振器阻尼为最大值1，刚度变化结束之后控制吸振器阻尼为最小值0.1；在200s到400s范围为多频激励，激励频率为和22，则在200s到400s之间控制吸振器刚度和阻尼分别为最优同调状态下刚度值和最优阻尼
下面通过主系统振动的时域信号对本发明所述控制方法的实施效果进行说明。应用本发明所述的控制方法，对吸振器刚度和阻尼分别进行控制，所得结果如图3所示(其中刚度变化在5s内完成)。利用传统动力吸振器，所测试的结果如图4所示。利用变刚度动力吸振器，所测试的结果如图5所示(其中刚度变化在5s内完成)。对比图3、图4和图5可得，应用本发明所述控制方法对吸振器刚度和阻尼进行控制，与传统动力吸振器和变刚度动力吸振器相比，具有以下特点：(A)在前200s应用本发明，与传统动力吸振器相比，主系统振幅峰值下降了83.12％，与变刚度动力吸振器相比，在最初控制时的最大振幅值下降了56.8％；(B)在第200s至400s之间应用本发明，主系统振幅峰值与传统动力吸振器相同，但比使用变刚度动力吸振器时下降了67.57％；(C)本发明控制方法不但兼具了传统动力吸振器和变刚度动力吸振器两者的减振性能，而且在最初控制时，比变刚度动力吸振器的减振效果好。
值得指出的是，用于控制多频激励的传统动力吸振器因长时间工作可能引起参数的改变，进而影响其减振性能。传统动力吸振器因长时间工作引起吸振器刚度和阻尼轻微改变后的主系统加速度响应如图6所示。对比图5与图6可见，在前200s，参数变化引起主系统加速度响应上升了25.64％，在200s到400s之间，加速度响应上升了5.8％。
本发明所述控制方法，可以控制吸振器因长时间工作而造成参数偏离最优设计参数，当吸振器参数偏离最优设计参数时，本发明专利控制刚度和阻尼，使其等于最优设计参数，从而提高传统动力吸振器的有效减振性能。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，首先判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励，然后分类实施控制策略：
如果主系统所受激励为单频激励，激励频率为ω，则控制器控制吸振器刚度k2按照以下控制原则变化：
其中，k2min为吸振器可变刚度的最小值，k2max为吸振器可变刚度的最大值，m2为吸振器的质量，为吸振器固有频率ω2n的最小值，为吸振器固有频率ω2n的最大值；
同时控制阻尼器阻尼为可变阻尼器的最大值cmax，当变刚度结束之后控制阻尼器阻尼为可变阻尼器的最小值cmin；
如果主系统所受激励为多频激励，则控制器控制吸振器刚度为吸振器最优同调状态下的刚度值k2opt，并控制阻尼器阻尼为吸振器最优同调状态时的最优阻尼为copt。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，所述判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励具体为：在激励源上设置用于测量激励信号的振动传感器，对振动传感器采集的振动信号进行快速傅里叶变换，计算出主系统所受激励的频率响应函数，再根据频率响应函数判断主系统所受激励为单频激励还是多频激励。
3.根据权利要求2所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，所述振动传感器选用位移传感器、速度传感器或者加速度传感器中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，所述吸振器可变刚度的最小值k2min和吸振器可变刚度的最大值k2max满足如下条件：k2min＜k2opt＜k2max，其中k2opt计算公式如下：
其中，γopt为吸振器的最优同调频率比，μ为动力吸振器与主系统的质量比，k1为主系统的刚度，k2opt为吸振器最优同调状态下的刚度值。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，动力吸振器与主系统的质量比其中：m1为主系统的质量。
6.根据权利要求4所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，所述吸振器的最优同调频率比γopt满足
7.根据权利要求1所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，所述吸振器最优同调状态时的最优阻尼copt满足：
其中，μ为动力吸振器与主系统的质量比。
8.根据权利要求7所述的一种变刚度变阻尼组合式动力吸振器控制方法，其特征在于，所述可变阻尼器的最大值cmax和可变阻尼器的最小值cmin满足：
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