CN107272761A - 一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征是控制系统的构成包括半主动吸振系统、数据采集分析模块、数据处理模块以及电流输出模块。其中半主动吸振系统包括1:2半主动吸振器、振动系统以及安装在振动系统上的传感器，用于实时监测与半主动吸振系统的输出向量对应的振动信息；数据采集分析模块包括电荷放大器、模数转换器和自适应状态观测器，用于实时预测半主动吸振系统的相关状态向量对应的相关振动信息；数据处理模块包括FFT单元和频率比较单元，用于给予电流输出模块所需的控制信号；电流输出模块根据控制信号输出不同电流，实现对振动系统的控制。本发明基于1:2内共振的原理，构造吸振器与振动系统之间1:2内共振关系，具有低能耗、减振频带宽等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，它可在振动系统和吸振器之间构建模态能量交互通道，将振动系统的振动能量迁移至吸振器并由阻尼耗散，振动系统包括柔性机械臂、发动机等非线性振动系统，属于振动控制领域。
背景技术
振动控制方法概括来说主要有以下五种：消振、隔振、阻振、结构修改及吸振。其中，吸振是对振动系统进行减振的一项重要技术。所谓吸振，就是通过在被控主振系统的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统，即动力吸振器。合理选择该子系统的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，以改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到子系统上，从而减少或消除主振系的振动。动力吸振器主要可以划分为三种类型：被动式吸振器、半主动式吸振器和主动式吸振器。半主动吸振器具有吸振频带宽、能耗低的优点，已成为吸振技术的重要发展方向。
近几年出现了一种新型的磁流变材料——磁流变弹性体。磁流变弹性体是高分子化合物与磁性颗粒混合组成的复合材料。将微米级别的磁性颗粒投入到高分子化合物中，搅拌均匀，放置在强磁场下进行固化，磁性颗粒沿磁场方向形成链状结构。磁流变弹性体兼有弹性体和磁流变材料的特点，响应迅速、具有可逆性、结构简单、稳定性好，在振动控制领域具有广泛的应用前景。
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块、稳定性好等优点。
另一方面，内共振为非线性振动系统特有的现象。对于振动系统中的两个固有频率，在满足内共振条件时，两个振动模态强烈地耦合，发生一种振动激发另一种振动的现象，称为非线性系统振动的内共振现象。在不计阻力的条件下，系统的能量在两种振动之间不断地转换而不衰减，振幅和相位周期性变化。通过内共振可以实现系统内不同模态之间的能量传递，如果某一阶内共振模态存在着一定的阻尼，那么该模态就会利用内共振所建立的能量交换机制不断从其它内共振模态那里获取并且耗散其振动能量。因此，通过内共振来实现振动系统的吸振成为我们解决非线性振动的新思路。
为了解决振动系统振动的问题，本专利申请中提出一种“基于1:2内共振的半主动吸振控制系统”，该系统具有可变刚度、鲁棒性好的特点，通过调节频率形成内共振，利用内共振使得振动系统振动能量传递到吸振器并由阻尼耗散掉，达到减小振动系统振动的作用。
发明内容
本发明的目的是针对大幅非线性振动控制方法的欠缺及不足，为解决大幅度振动，特别是具有非线性耦合振动情况的机械系统，在工作过程中的振动控制问题，提供了一种基于1:2 内共振的半主动吸振控制系统。具有减振效果明显、控制稳定和鲁棒性好的特点。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的特点是：所述控制系统的构成包括半主动吸振系统、数据采集分析模块、数据处理模块以及电流输出模块；
所述半主动吸振系统包括1:2半主动吸振器、振动系统以及安装在振动系统上的传感器；利用所述1:2半主动吸振器对所述振动系统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吸振系统的输出向量相对应的实时振动信号的模拟量；
所述数据采集分析模块包括电荷放大器、模数转换器和自适应状态观测器；所述电荷放大器用于将所述实时振动信号进行放大；所述模数转换器用于将所述放大后的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吸振系统的状态向量，并由所述状态向量获得与相关状态向量对应的半主动吸振系统的相关振动信息，1:2半主动吸振器的自身运动信息以及振动系统的自身运动信息；
所述数据处理模块包括FFT单元和频率比较单元；所述FFT单元用于将所述1:2半主动吸振器的自身运动信息，以及振动系统的自身运动信息进行快速傅里叶变换分别得到1:2半主动吸振器以及振动系统的振动频率；所述频率比较单元用于将所述1:2半主动吸振器的振动频率与所述振动系统的振动频率的1/2进行比较，得到三种比较结果；
所述电流输出模块根据所述频率比较单元获得的三种结果得到三种不同的电流控制信号，利用所述电流控制信号控制所述可控直流电源输出电流，所述控制电流输出至所述1:2 半主动吸振器，改变励磁线圈两端的电压，形成不同的减振刚度，形成内共振，消耗振动能量从而实现对半主动吸振系统的振动的控制。
本发明一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的特点也在于：所述1:2半主动吸振器为磁流变弹性体吸振器；所述振动系统为柔性机械臂、发动机等非线性振动系统；所述自适应状态观测器采用卡尔曼滤波状态观测器。
本发明一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的特点也在于：按如下方式获得所述运动信息：
设置所述传感器是安装在振动系统上的加速度传感器，令：所述半主动吸振系统的输出向量为振动系统的实测振动加速度；取所述半主动吸振系统的相关状态向量为1:2半主动吸振器的振动加速度；根据所述状态向量确定所述1:2半主动吸振器的估计振动加速度a1和振动系统的估计振动加速度a2。
本发明一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的特点也在于：根据所述自适应状态观测器获得的相关运动信息，通过所述FFT单元获得所述频率信息。
本发明一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的特点也在于：所述频率比较单元设计的算法基于1:2内共振的原理，达到减振的目的。
本发明一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的特点也在于：所述传感器为加速度传感器；所述自适应状态观测器获得的运动信息为加速度信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明突破了现有的运用线性振动理论来解决非线性振动问题的理论方法层面的束缚，充分利用了非线性振动系统发生内共振时，模态能量在不同模态之间交互的特性，提供了一种理论基础科学且简单易行的非线性振动控制系统。
2.本发明根据磁流变弹性体剪切刚度随外加磁场强度改变的性质实现吸振器和振动系统之间的内共振，可针对不同的控制状态，调节励磁线圈的电压值改变磁流变弹性体的刚度来进行匹配，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。
3.本发明根据非线性振动系统的振动特性，利用自适应状态观测器以及状态处理单元，实现对半主动吸振系统相关状态向量及对应的相关振动信息实时准确的预测。在实际应用中，本发明只需要使用一个加速度传感器，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。
附图说明
图1为本发明控制原理示意图；
图2为本发明中数据处理模块控制算法的流程框图；
以上的图中有：半主动吸振系统(1)，数据采集分析模块(2)，数据处理模块(3)，电流输出模块(4)，1:2半主动吸振器(11)，振动系统(12)，加速度传感器(13)，电荷放大器(21)，模数转换器(22)，自适应状态观测器(23)，FFT单元(31)，频率比较单元(32)，可控直流电源(41)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。
如图1所示，本实施例中一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统的构成包括半主动吸振系统1、数据采集分析模块2、数据处理模块3以及电流输出模块4。
半主动吸振系统1包括1:2半主动吸振器11、振动系统12以及安装在振动系统上的加速度传感器13；利用1:2半主动吸振器11对所述振动系统12的振动进行半主动吸振控制；利用加速度传感器13实时检测获得与所述半主动吸振系统的输出向量相对应的实时振动信号的模拟量；
数据采集分析模块2包括电荷放大器21、模数转换器22和自适应状态观测器23；电荷放大器21用于将所述实时振动信号进行放大；模数转换器22用于将所述放大后的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23预测获得半主动吸振系统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吸振系统 1的相关振动信息，1:2半主动吸振器11的自身运动信息以及振动系统12的自身运动信息；
数据处理模块3包括FFT单元31和频率比较单元32；FFT单元31用于将1:2半主动吸振器11的自身运动信息，以及振动系统12的自身运动信息进行快速傅里叶变换分别得到1:2 半主动吸振器11以及振动系统12的振动频率；频率比较单元32用于将1:2半主动吸振器11 的振动频率与振动系统12的振动频率的1/2进行比较，得到三种比较结果；
如图1、图2所示，电流输出模块4根据频率比较单元32获得的三种结果得到三种不同的电流控制信号，利用电流控制信号控制可控直流电源41输出电流，控制电流输出至1:2半主动吸振器11，改变励磁线圈两端的电压，形成不同的减振刚度，形成内共振，消耗振动能量从而实现对半主动吸振系统1的振动的控制。
本实施例中1:2半主动吸振器11为磁流变弹性体吸振器；振动系统12为柔性机械臂、发动机等非线性振动系统；自适应状态观测器23采用卡尔曼滤波状态观测器。
本实施例按如下方式获得所述运动信息：
设置加速度传感器13是安装在振动系统12上的加速度传感器，令：所述半主动吸振系统1的输出向量为振动系统12的实测振动加速度；取所述半主动吸振系统1的相关状态向量为1:2半主动吸振器11的振动加速度；根据实测振动加速度，并利用卡尔曼滤波状态观测器预测获得半主动吸振系统1的状态向量。根据卡尔曼滤波状态观测器获得的状态向量确定所述1:2半主动吸振器11的估计振动加速度a1和振动系统12的估计振动加速度a2。
本实施例中FFT单元31将1:2半主动吸振器11的自身运动信息，以及振动系统12的自身运动信息进行快速傅里叶变换分别得到1:2半主动吸振器11以及振动系统12的振动频率。
本实施例中频率比较单元32设计的算法基于1:2内共振的原理，消耗振动能量从而实现对半主动吸振系统1的振动的控制。
本发明突破了现有的运用线性振动理论来解决非线性振动问题的理论方法层面的束缚，充分利用了非线性振动系统发生内共振时，模态能量在不同模态之间交互的特性，提供了一种理论基础科学且简单易行的非线性振动控制系统。该控制系统根据磁流变弹性体剪切刚度随外加磁场强度改变的性质实现吸振器和振动系统之间的内共振，可针对不同的控制状态，调节励磁线圈的电压值改变磁流变弹性体的刚度来进行匹配，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。本发明根据非线性振动系统的振动特性，利用自适应状态观测器以及状态处理单元，实现对半主动吸振系统相关状态向量及对应的相关振动信息实时准确的预测。在实际应用中，本发明只需要使用一个加速度传感器，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。
Claims (6)
1.一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征是：所述控制系统的构成包括半主动吸振系统(1)、数据采集分析模块(2)、数据处理模块(3)以及电流输出模块(4)；
所述半主动吸振系统(1)包括1:2半主动吸振器(11)、振动系统(12)以及安装在振动系统上的传感器；利用所述1:2半主动吸振器对所述振动系统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吸振系统的输出向量相对应的实时振动信号的模拟量；
所述数据采集分析模块(2)包括电荷放大器(21)、模数转换器(22)和自适应状态观测器(23)；所述电荷放大器(21)用于将所述实时振动信号进行放大；所述模数转换器(22)用于将所述放大后的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(23)预测获得所述半主动吸振系统(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吸振系统(1)的相关振动信息，1:2半主动吸振器(11)的自身运动信息以及振动系统(12)的自身运动信息；
所述数据处理模块(3)包括FFT单元(31)和频率比较单元(32)；所述FFT单元(31)用于将所述1:2半主动吸振器(11)的自身运动信息，以及振动系统(12)的自身运动信息进行快速傅里叶变换分别得到1:2半主动吸振器(11)以及振动系统(12)的振动频率；所述频率比较单元(32)用于将所述1:2半主动吸振器(11)的振动频率与所述振动系统(12)的振动频率的1/2进行比较，得到三种比较结果；
所述电流输出模块(4)根据所述频率比较单元(32)获得的三种结果得到三种不同的电流控制信号，利用所述电流控制信号控制所述可控直流电源(41)输出电流，所述控制电流输出至所述1:2半主动吸振器(11)，改变励磁线圈两端的电压，形成不同的减振刚度，形成内共振，消耗振动能量从而实现对半主动吸振系统(1)的振动的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征在于：所述1:2半主动吸振器(11)为磁流变弹性体吸振器；所述振动系统(12)为柔性机械臂、发动机等非线性振动系统；所述自适应状态观测器(23)采用卡尔曼滤波状态观测器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征在于：按如下方式获得所述运动信息：
设置所述加速度传感器(13)是安装在振动系统上的加速度传感器，令：所述半主动吸振系统(1)的输出向量为振动系统(12)的实测振动加速度；取所述半主动吸振系统(1)的相关状态向量为1:2半主动吸振器(11)的振动加速度；根据所述状态向量确定所述1:2半主动吸振器(11)的估计振动加速度a1和振动系统(12)的估计振动加速度a2。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征在于：根据所述自适应状态观测器(23)获得的相关运动信息，通过所述FFT单元(31)获得所述频率信息。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征在于：所述频率比较单元(32)设计的算法基于1:2内共振的原理，消耗振动能量从而实现对半主动吸振系统(1)的振动的控制。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于1:2内共振的半主动吸振控制系统，其特征在于：所述传感器(13)为加速度传感器；所述自适应状态观测器(23)获得的运动信息为加速度信息。
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