CN107807684B - 一种低频隔振系统及减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动与噪声控制技术领域，具体涉及一种适用性较强的高性能低频振动隔离技术。为了实现机械设备低频振动隔离的难题，本发明提供了一种低频隔振系统，它包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，本发明首先利用准零刚度隔振模块实现低频振动的被动隔离，然后根据其运动状态，判断是否通过控制模块输出控制信号至执行模块，从而实现系统始终工作在整体隔振效果最佳的吸引子上的效果。该系统可操作性强、识别简洁、所需的输入能量较小、所施加的控制次数较少，适于在工程实际中应用，为低频振动控制提供一种高效、可靠的新思路。
Description
技术领域
本发明属于振动与噪声控制技术领域，涉及一种适用性较强的高性能低频振动隔离技术，具体涉及一种低频隔振系统及减振方法。
背景技术
在人类的生活环境和工程实践中，振动无处不在，有害振动会使物体变形或破坏，可能影响到重大工程的安全性和可靠性、机器的寿命和正常运转，以及危害人体健康等。例如，光学平台、地震波探测仪以及引力波探测装置等，这些设备一般对振动隔离要求较高，甚至需要避免地面脉动等微弱振动。此时，传统的隔振器往往由于自身的固有频率无法降低到足够低而难以实现的期望的隔振目标，主要体现在对低频振动隔离能力较差。
对于一个质量为m，刚度为k的单自由度线性隔振系统，系统的固有频率为
只有激励频率大于
时，系统才有隔振效果。对于一个被隔振对象固定的隔振系统，为了提高系统的隔振效果，需降低系统刚度k，但刚度k的降低会引起系统的静变形变大，难以满足系统的稳定性要求，即存在大承载力和超低频隔振、超低刚度和位置稳定性两大矛盾。主动隔振系统的作动器难以满足实际工程的要求，目前仅能应用到体积和重量较小的设备上，主动隔振系统结构比较复杂，制造成本高，需要性能优异的传感器，且在实际过程中不可避免地存在时滞等不利因素，使得理论上效果优异的控制方法，在实际应用中难以取得满意的效果，因此，低频振动的控制问题需要另辟蹊径。高静低动刚度隔振器是一种组合式强非线性隔振器，能同时满足高承载能力和低动刚度的要求，有效隔离低频振动，但准零刚度隔振系统的隔振效果依赖于初始条件和系统参数，受环境因素的影响，准零刚度隔振系统容易运行在大振幅运动状态，削弱其低频隔振效果。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种低频隔振系统及减振方法，可有效解决低频振动隔离以及高性能减振的技术难题，适合于汽车、舰艇、精密仪器和航空航天器等隔振领域。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低频隔振系统，包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，其中准零刚度模块依次与振动信号监测模块、控制模块和执行模块相连；所述准零刚度模块用于承载被隔振设备，并在一定程度上隔离被隔振设备的振动；振动信号监测模块用于监测准零刚度模块基座的振动位移信号并计算得其不同振幅的吸引子，为控制模块提供输入；控制模块根据振动信号监测模块输入的信号，判断准零刚度模块所处的振动状态，并决定是否向执行模块提供输入信号；执行模块根据控制模块的输出信号，向准零刚度模块施加控制力，使准零刚度模块处于小振幅吸引子。
按上述方案，所述准零刚度隔振模块是典型的非线性隔振系统，非线性隔振系统的多值性本质使得初始条件具有不确定性，导致准零刚度隔振系统存在多个吸引子；其中振幅最小的吸引子即为小振幅吸引子，振幅相对较大的吸引子为大振幅吸引子。
按上述方案，所述控制力采用开环加线性闭环控制方法得到，具体计算方法如下：
考虑如下单自由度准零刚度隔振模块系统
设目标轨道函数为gx(t)，gy(t)；目标轨道函数需在相图上连接共存吸引子的吸引域；开关函数为S(t)，即当满足某一条件时，S(t)＝1，否则S(t)＝0。
当引入开环加线性闭环控制律时得：
其中
C(g,t)＝DgF-B，DgF是F(gx,gy,t)关于gx，gy的雅克比矩阵，B＝bij为任意具有负特征值的2阶对角矩阵；当准零刚度隔振系统运行于大振幅吸引子的吸引域内时，启动控制，即S(t)＝1，通过K1和K2作用力作用于准零刚度模块，使其调控至小振幅吸引子上；当准零刚度隔振系统运行于小振幅吸引子的吸引域内时，关闭控制，即S(t)＝0。
按上述方案，所述准零刚度模块为磁性准零刚度隔振系统，包括自上而下依次连接的负载平台、磁性负刚度机构和正刚度机械弹簧；所述磁性负刚度机构为径向磁化的斥力型双环永磁铁结构，内、外磁环均为辐射充磁且磁化方向相反，材料为钕铁硼。
按上述方案，振动信号监测模块由位移传感器、低通滤波器和LMS多功能数据采集系统组成，利用位移传感器采集的振动位移信号，经过求导变换得到速度信号，采用点映射法求出准零刚度模块的运动相图及不同振幅的吸引子，从而判断准零刚度模块是否运行在大振幅吸引子上。
按上述方案，控制模块主要由调理电路和DSP控制器组成，如果准零刚度模块尚未运行于大振幅吸引子上，则控制模块不向执行模块传输信号；如果准零刚度模块运行于大振幅吸引子，则控制模块通过开环加线性闭环控制算法生成控制信号，并将其传输至执行模块。
按上述方案，执行模块主要由功率放大器和电磁作动器组成，电磁作动器安装在准零刚度模块上，如果准零刚度模块运行于大振幅吸引子，执行模块依据控制模块的输出信号向准零刚度模块施加一定的扰动力，使系统沿着所设定的目标轨道运行，如果这条目标轨道连接两个不同吸引子的吸引域，则在恰当的时间关闭控制后可实现系统的吸引子调控，将其运动状态转变到小振幅吸引子上。
本发明的原理为：当准零刚度隔振系统初始条件不同时，系统会稳定运行在不同振幅的吸引子上，如果没有受到扰动，因为共存吸引子都是稳定的，所以系统不会自动转变到另一个吸引子上；当受到扰动时，系统则可能通过跃迁从振幅较大的运动状态变为振幅较小的振动状态，但也有可能从振幅较小的振动状态变为振幅较大的振动状态，这个过程取决于控制方法；系统运行在不同振幅的吸引子时具有不同的隔振效果，如果系统运行在振幅较大的吸引子上时，系统隔振效果较差，此时有必要对其施加吸引子调控，使准零刚度隔振系统调控至小振幅吸引子上，而当系统运行于小振幅吸引子上时，则应尽可能将该运动状态保持，使得系统始终工作在振幅最小、隔振效果最佳的运动状态，从而实现高性能的低频隔振。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
与普通隔振系统相比，本发明将准零刚度隔振系统和吸引子迁移控制相结合，准零刚度隔振系统具有隔振起始频率低、稳定性高的特点，具有良好的低频隔振效果，但在实际运行过程中，受环境因素的影响，准零刚度隔振系统容易运行在大振幅吸引子上，削弱了低频隔振效果；而本发明首次提出将准零刚度隔振系统与吸引子调控技术结合起来，通过监测准零刚度隔振系统的振动位移信号，根据吸引子的全局形态分析，可迅速判断准零刚度隔振系统的运行状态，如果处于振幅较大、隔振效果不佳的吸引子时给予一定的扰动，使其稳定运行在小振幅吸引子上，从而真正实现高性能低频隔振效果。该系统操作简单，识别简洁，所需的输入能量较小，控制次数较小，为低频隔振控制提供了一条全新思路，适于在工程实际中应用。
附图说明
图1为本发明一个实施例所述低频隔振系统的结构框图；
图2为准零刚度隔振模块的刚度-位移曲线；
图3为准零刚度隔振模块与线性隔振系统隔振效果对比图；
图4为控制模块数据处理流程图；
图5为准零刚度隔振模块吸引子及吸引域空间位置计算流程图；
图6为准零刚度隔振模块第一个周期1吸引子及相轨迹；
图7为准零刚度隔振模块第二个周期1吸引子及相轨迹；
图8为准零刚度隔振模块吸引域图；
图9为开环加线性闭环控制下准零刚度隔振模块的相轨迹图；
图10为采用本发明所述高性能低频隔振模块控制前准零刚度模块的位移功率谱图；
图11为采用本发明所述高性能低频隔振模块控制前准零刚度模块的位移功率谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细描述，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于实施。
如图1所示，本发明一种低频隔振系统，它包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，其中准零刚度模块依次与振动信号监测模块、控制模块和执行模块相连；所述准零刚度模块自上而下包括T型负载平台、磁性负刚度机构、正刚度机械弹簧和支撑板，其中、磁性负刚度机构采用双环永磁体，它内磁环和外磁环组成，内、外磁环均为辐射充磁且磁化方向相反(材料为钕铁硼)，外磁环安设在设置在支撑板上的环形支柱上，内磁环的上部与负载平台的下部相连，内磁环的下部与正刚度机械弹簧相连，其中机械弹簧内部设置导杆，导杆一段与负载平台的下部相连，另一端通过设置在支撑板上的直线轴承穿出支撑板。该准零刚度模块用于承载被隔振设备，并在一定程度上隔离被隔振设备的振动；振动信号监测模块由位移传感器、低通滤波器和LMS多功能数据采集系统组成，位移传感器设置在负载平台上的被隔振设备上，振动信号监测模块用于监测准零刚度模块基座的振动信号水平，判断准零刚度模块所处的振动状态(得到准零刚度模块的运动相图及不同振幅的吸引子)，为控制模块提供输入；控制模块根据振动信号监测模块输入的信号，决定是否向执行模块提供输入信号，并通过开环加线性闭环算法得到控制信号传输给执行模块；执行模块根据控制模块的输出信号，向准零刚度模块施加控制力，使准零刚度模块处于小振幅运动状态。
所述准零刚度模块的工作原理如下：当被隔振物体压载到负载平台时，正刚度机械弹簧提供支撑，本发明采用双环永磁体提供负刚度使其与正刚度匹配，所述隔振系统在平衡位置附近刚度实现准零(见图2)。与准零刚度隔振系统的等效线性隔振系统相比，准零刚度隔振系统具有较好的低频隔振效果(见图3)。
当谐波激励力F作用在被隔振物体时，系统的阻尼系数为C，被隔振物体会在平衡位置做上下运动，准零刚度隔振系统无量纲动力学方程：
如图4所示，振动信号监测模块监测准零刚度隔振系统的振动位移信号，并输入至控制模块，控制模块根据得到的准零刚度隔振系统振动位移信号以及变换得到的振动速度信号，得到准零刚度隔振系统目前的运动状态，将其与图5所示点映射法得到的吸引子进行对比，当系统处于较大的吸引子时，建立连接目前系统所运行吸引子和目标吸引子吸引域之间的轨道，并对系统施加开环加线性闭环控制，使系统沿着所设定的目标轨道运行至目标吸引子，待系统运动稳定后关闭控制，准零刚度隔振系统即稳定运行在目标吸引子轨道。
准零刚度隔振系统的参数设置为ξ＝0.2，λ＝1.5，ω＝1.5，当f＝0.8时，系统存在两个周期1吸引子，第一个吸引子及相轨迹如图6所示，第二个吸引子及相轨迹如图7所示，第一个周期1吸引子较第二个周期1吸引子振幅小。分析平面选为-5≤x≤5，
通过点映射法得到吸引子及其吸引域图如图8所示，黑色区域表示第一个周期1运动的吸引域，“+”为第一个周期1吸引域的吸引子；灰色区域表示第二个周期1运动的吸引域，“o”表示第二个周期1吸引域的吸引子。
根据振动信号监测模块监测的振动信号，当准零刚度隔振系统运动于第二个吸引子上时，根据图5的流程图得到吸引子及其吸引域图，建立第一个吸引子吸引域与第二个吸引子吸引域之间的目标轨道，通过开环加线性闭环控制方法对将准零刚度模块沿着目标轨道从较大振幅的第二个周期1吸引子的吸引域调控至较小振幅的第二个周期1吸引子的吸引域内，选取目标轨道函数gx＝10-0.05t，gy＝-0.05，矩阵B＝diag(-100,0,0,-100)，代入式(2)可得
其中
开关函数S(t)设置为时间大于200s后(系统已稳定运行)，当准零刚度隔振系统运行于第二个周期1吸引子的吸引域内，启动控制，即S(t)＝1，并通过电磁作动器向准零刚度模块施加一定的控制力，当系统被调控至第一个周期1吸引子的吸引域时关闭控制，即S(t)＝0，具体系统的相轨迹图如图9所示：灰色实线表示未施加控制前系统的运行轨迹；黑色虚线表示施加控制后关闭控制前系统的运行轨迹；黑色实线(图9中的小圈状态)表示关闭控制后系统的运行轨迹。
对比控制前准零刚度隔振系统的功率谱图10和控制后准零刚度隔振系统的功率谱图11可知，控制后整体频谱强度得到大幅降低，而且优势频率处的线谱强度也降低了10dB左右，从而实现了高性能的低频减振降噪。
综上，本发明所述准零刚度模块具有高静低动的特性，与普通线性隔振系统相比，可在保证承载能力的情况下使隔振起始频率更低，拓宽了隔振频带。通过振动信号监测模块、控制模块和执行模块，实时判断准零刚度隔振系统所处的运行状态，当处于大振幅吸引子时，可一定程度上削弱了准零刚度隔振系统的隔振性能；此外，通过对系统施加一定的控制，使系统调控至小振幅吸引子上，从而综合实现高性能低频隔振。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上仅为本发明的较佳实施例而已，而非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低频隔振系统，其特征在于，包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，其中准零刚度模块依次与振动信号监测模块、控制模块和执行模块相连；所述准零刚度模块用于支撑被隔振物体，并实施低频振动隔离，振动信号监测模块用于监测准零刚度模块的振动信号得到其不同振幅的吸引子，然后输入给控制模块，控制模块用于判断是否通过控制模块输出控制信号至执行模块，执行模块用于根据控制模块输出的控制信号，向准零刚度模块输出控制力，使准零刚度模块处于小振幅吸引子上；
所述控制力采用开环加线性闭环控制算法得到，具体计算方法如下：
考虑如下单自由度准零刚度隔振模块系统
设目标轨道函数为gx(t)，gy(t)；目标轨道函数需在相图上连接共存吸引子的吸引域；开关函数为S(t)，即当满足某一条件时，S(t)＝1，否则S(t)＝0。
当引入开环加线性闭环控制律时得：
其中，
C(g,t)＝DgF-B，DgF是F(gx,gy,t)关于gx，gy的雅克比矩阵，B＝bij为任意具有负特征值的2阶对角矩阵；当准零刚度隔振模块系统运行于大振幅吸引子的吸引域内时，启动控制，即S(t)＝1，通过K1和K2作用力作用于准零刚度模块，使其调控至小振幅吸引子上；当准零刚度隔振模块系统运行于小振幅吸引子的吸引域内时，关闭控制，即S(t)＝0。
2.根据权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述准零刚度模块为刚度可调的磁性准零刚度隔振系统，它包括自上而下依次连接的负载平台、磁性负刚度机构和正刚度机械弹簧。
3.根据权利要求2所述的低频隔振系统，其特征在于，所述磁性负刚度机构为径向磁化的斥力型双环永磁铁结构，包括内磁环和外磁环，内、外磁环均为辐射充磁且磁化方向相反。
4.根据权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述振动信号监测模块由位移传感器、低通滤波器和LMS多功能数据采集系统组成。
5.根据权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述控制模块由调理电路和DSP控制器组成。
6.根据权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述执行模块由功率放大器和电磁作动器组成。
7.根据权利要求1～6任一项所述低频隔振系统的低频减振方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将被隔振物体置于准零刚度模块上，通过准零刚度模块对被隔振物体进行低频振动隔离；
2)利用振动信号监测模块对准零刚度模块的振动位移信号进行实时监测，将采集的振动位移信号，经求导变换得到速度信号，从而得到准零刚度模块的运动相图及不同振幅的吸引子，判断准零刚度模块是否运行在大振幅吸引子上；
3)如果准零刚度模块尚未运行于大振幅吸引子上，则保持小振幅吸引子状态，不传输控制信号至执行模块；如果准零刚度模块运行于大振幅吸引子上，则控制模块输出控制信号向准零刚度模块输出控制力，使准零刚度模块由大振幅吸引子调控至小振幅吸引子上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20201030 |