CN108194573A - 一种多工况自适应隔振系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多工况自适应隔振系统及其控制方法，系统包括信号采集模块、上位机模块、隔振设备及专家系统，信号采集模块包括振动频率传感器、力传感器、位移传感器和加速度传感器，隔振设备包括空气弹簧、上支撑面、气室、橡胶油气隔膜、液室A、可调阻尼阀、可调限压阀、活塞、活塞杆、MR导体、回形管、液室B、下支撑面。该系统能够对于不同工况下的振动源进行有效的隔振，根据振动激励的频率来被动地选择不同的工作模式或者主动地调节装置参数。控制方法能够结合系统的优势，自动识别出装置的工作模式，然后根据专家系统求解最优控制矩阵，对隔振设备进行最优控制，保证设备能够在最佳的工作状态，适用范围广、通用性强。
Description
技术领域
本发明属于振动与噪声控制技术领域，尤其涉及一种多工况自适应隔振系统及其控制方法。
背景技术
机械结构与系统在运动中会不可避免的产生振动，对于复杂的结构与系统而言，仅依靠优化设计是不能解决振动问题的，因此，采用振动控制设备是一个重要有效的隔振方法，可以用于诸多领域，例如桥梁、建筑物、机床、飞行器螺旋桨隔振领域等。但是，基于传统隔振理论所设计的隔振设备仅具有刚度与阻尼特性，不能有效解决减振效果的优异性与设备工作空间、动载荷之间的矛盾，隔振效果不够理想。传统隔振理论的设计方法阻碍了隔振技术的进一步发展。
后来，根据机电相似性原理，将机械系统之中的力流与电学系统中的电流、机械系统中的速度与电学系统中的电压分别对应起来，为了寻找与电学元件电容器相对应的机械结构，提出了惯容器的思想，完善了机电相似性理论。惯容器具有“通高频、阻低频”的特性。因此，在低频振动下，含有惯容器的隔振设备性能较好。但是在高频振动下，惯容器的隔振效果却非常有限，与传统隔振设备几乎没有什么不同，甚至有时候还会有所恶化。特别对于滚珠丝杠式惯容器和齿轮齿条式惯容器，由于其存在不可避免的“背隙”问题，在小振幅的高频激励下，容易导致惯容器受杆端轴承背隙的影响较为严重，整体的性能会有所下降。
含有惯容器的隔振设备相比于传统隔振设备，具有丰富的机械网络拓扑特性和复合阻抗效应，但也正因为如此，不同机械网络结构和参数匹配会导致迥异的振动传递特性，若振动源不是固定的，而是分为几种不同的工况的情况下，含有惯容器的隔振设备也不能总是起到良好的隔振效果。
在很多振动场合下，振动的输入是已知的或者是有一定规律的，例如机床卡盘的旋转振动，直升机螺旋桨按一定的转速旋转所产生的振动，偏心轮激振器偏心轮所产生的激振等。目前对于此类振动设备，仍然多采用传统的隔振设备对其进行隔振，传统设备适用面广，但是对于这类工况比较固定的设备，并不是最佳的振动解决方案。对于不同的工况下，是不能全部都获得良好的隔振效果的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提出了一种多工况自适应隔振系统及其控制方法，能够对于不同工况下的振动源进行有效的隔振，该装置能够根据振动激励的频率来被动的选择不同的工作模式或者主动的调节装置参数。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术的目的：
一种多工况自适应隔振系统，包括信号采集模块、上位机模块、隔振设备以及专家系统，所述隔振设备包括中空的圆柱状的空气弹簧，所述空气弹簧中空部分布置有气室和液室，所述气室位于液室上方、两者之间设有弹性油气隔膜，所述液室由活塞分隔成液室A和液室B，所述液室A和液室B之间由多条回形管相连通，所述回形管上环绕安装MR导体，所述活塞上装有可调限压阀，所述回形管与液室A或液室B的接口处至少有一个接口处安装有可调阻尼阀，所述活塞底端固接活塞杆，且活塞杆伸出液室B外，所述隔振设备还包括上支撑面和下支撑面，所述上支撑面位于空气弹簧顶部，且上支撑面下方的中间部分为气室，所述下支撑面位于空气弹簧底部，且与活塞杆、空气弹簧的下端相固连；所述液室A、液室B、回形管内均充满磁流变液，所述气室内充满惰性气体。
上述方案中，所述信号采集模块包括振动频率传感器、力传感器、位移传感器及加速度传感器；所述专家系统存储有隔振设备参数的控制规则，其输入是被隔振设备的振动状态参数以及振动源的频率，输出是隔振设备刚度、阻尼、惯性的控制矩阵，振动状态参数包括力、位移和加速度。
一种多工况自适应隔振系统控制方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1)，信号采集模块采集振动源振动信号；
步骤2)，振动信号通过A/D转换器转换成数字信号并传送给上位机模块；
步骤3)，上位机模块根据接收到的数字信号，当液体的流速vl与可调阻尼阀的阻尼系数ci的乘积civl大于高压弹性介质的刚度kl与橡胶油气隔膜的微小位移Δ的乘积klΔ时，上位机识别为隔振设备工作在高频模式，反之，则识别为工作在低频模式，调用专家系统中的知识库，求解出最优控制矩阵；
步骤4)，上位机根据所求解的最优控制矩阵，给隔振设备的下位机发出控制指令，控制空气弹簧内气体压力、MR导体磁场强度以及可调限压阀限压值，改变隔振设备的刚度、阻尼、以及惯性力特性；
步骤5)，隔振设备的下位机根据调节最优参数之后的运行状态，再发送反馈信息给上位机模块。
进一步，所述振动信号包括设备的振动频率信号、力信号、位移信号和加速度信号。
本发明可以达到的技术效果是：
1、该系统能够根据振动源在不同工况下产生的不同频率的振动，相应的选择低频隔振或高频隔振，使该装置的工作模式始终处在最优隔振效果的范围之内。
2、该系统在选定的工作模式下可根据振动源的振动频率相应的调节装置参数，如MR导体磁场强度，可调阻尼阀的阻尼系数ci等，使装置在选定工作模式下的参数最优。
3、该系统的控制方法能够结合系统的优势，自动识别出装置的工作模式，然后根据专家系统求解最优控制矩阵，对隔振设备进行最优控制，保证设备能够在最佳的工作状态，适用范围广、通用性强。
附图说明
图1为传统隔振设备与含惯容器隔振设备的加速度增益与频率关系图；
图2为一种多工况自适应隔振系统结构示意图；
图3为本发明隔振系统对机床隔振的布置方式；
图4为本发明隔振系统对螺旋桨等旋转物体隔振的布置方式；
图5为一种多工况自适应隔振系统的控制方法流程图。
图中，1-空气弹簧；2-上支撑面；3-气室；4-橡胶油气隔膜；5-液室A；6-可调阻尼阀；7-可调限压阀；8-活塞；9-活塞杆；10-MR导体；11-回形管；12-液室B；13-下支撑面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1，传统隔振设备与含惯容器隔振设备的加速度增益与频率关系图，从图中可以看出在1-3Hz的低频振动下，惯容器能够使得设备的振动加速度得到了显著的减小，而在10Hz以上的高频振动下，惯容器几乎不起作用，在高频振动的情况下，甚至会使得减振效果更差。
一种多工况自适应隔振系统包括信号采集模块、上位机模块、隔振设备以及专家系统，信号采集模块包括振动频率传感器、力传感器、位移传感器和加速度传感器，振动频率传感器用于采集振动源振动信号，力传感器、位移传感器和加速度传感器分别用于采集被隔振设备的力信号、位移信号和加速度信号，振动信号、力信号、位移信号和加速度信号通过A/D转换器转换成数字信号传送给上位机模块，上位机模块根据接收到的数字信号向隔振设备传送控制指令，同时接收隔振设备的反馈信息；专家系统存储有悬架参数的控制规则，其输入是被隔振设备的振动状态参数(包括力、位移和加速度)以及振动源的频率，输出是悬架系统的刚度、阻尼、惯性的控制矩阵。
如图2，隔振设备包括空气弹簧1、上支撑面2、气室3、橡胶油气隔膜4、液室A5、可调阻尼阀6、可调限压阀7、活塞8、活塞杆9、MR导体10、回形管11、液室B12及下支撑面13，空气弹簧1为中空的圆柱体，其中空部布置有气室3和液室，气室3位于液室上方、两者之间设有橡胶油气隔膜4，活塞8将液室分隔成液室A5和液室B12，液室A5与液室B12之间由多条回形管11相连通，回形管11与液室A5的接口处可安装有可调阻尼阀6，回形管11与液室B12的接口处也可安装有可调阻尼阀6，上支撑面2位于空气弹簧1顶部，下支撑面13位于空气弹簧1底部，气室3位于上支撑面2下方的中间部分，活塞8上装有可调限压阀7，MR导体1(Magnetorheological磁流变导体)环绕回形管11安装，活塞8底端固接活塞杆9，且活塞杆9伸出液室B12外，下支撑面13同时与活塞杆9下端以及空气弹簧1下端相固连。
液室A5、液室B12、回形管11内均充满磁流变液，气室3内的气体为氮气。
空气弹簧1用来支撑主体重量，维持隔振设备的高度，防止隔振设备被击穿。上支撑面2与下支撑面13分别连接振动设备(如机床卡盘、直升机螺旋桨等)和基座(地面、直升机机体等)，气室3内充入高压弹性介质，优选为惰性气体，进一步优选为氮气，用于提供副刚度。液室A5与液室B13内填充有液体，优选为磁流变液，可以通过改变MR导体10磁场强度的大小调节回形管11周围磁场强度达到对磁流变液阻尼特性进行微调的目的，同时，在回形管11与液室A5、液室B12的连接口处安装有可调阻尼阀6，可以根据不同的工况设置不同的阻尼系数。
隔振设备的具体工作过程为：空气弹簧1起到支撑被隔振设备重量的作用，上支撑面2上固定被隔振设备，下支撑面13连接地面等固定物体。因为阻尼力大小与速度成正比，而弹性力的大小仅与位移相关，当振动输入的激励是低频振动激励时，液体流过可调阻尼阀6所产生的阻尼力较小，而气室3内充满高压弹性介质-氮气，弹性力较大，所以在低频振动下，磁流变液对橡胶油气隔膜4产生的压力不足以压缩气室3内的氮气，仅能够通过回形管11，磁流变液在回形管11内流动并形成“液体飞轮”，产生惯性力，起到“阻低频”的作用；当振动输入的激励是高频振动激励时，液体流过可调阻尼阀6所产生的阻尼力较大，当阻尼力大于气室3内的氮气的弹性力时，磁流变液将不会进入连接管11，而是压迫橡胶油气隔膜4，进而压缩氮气，产生弹性力，起到“阻高频”的作用。在特殊工况下，如果液室A5或液室B12内压力过大，超过了可调限压阀7的设置压力，可调限压阀7将会打开，使得液室A5或液室B12内的磁流变液直接通过，快速地降低液室A5或液室B12内的压力。
低频隔振和高频隔振两种工况具体的自动切换条件可用下式表示：
其中，Y(s)为该惯性与刚度自动切换装置的机械导纳，kl为高压弹性介质的刚度，bl为惯容器的惯质系数，c0为可调阻尼阀的阻尼系数，vl为连接管内的流速，其与振动频率成正比，Δ为橡胶油气隔膜的微小位移，s为自变量。
图3为隔振系统对机床隔振的一种布置方式，图中虚线为机床底座，下面均匀布置有六个隔振系统，对设备起到隔振作用；其中C为机床，D为隔振系统。
图4为隔振系统对螺旋桨等旋转物体隔振的布置方式，隔振系统分别连接螺旋桨与机身，使得螺旋桨的振动尽可能少地传递到机身上；其中D为隔振系统，E为螺旋桨。
如图5，一种多工况自适应隔振系统的控制方法流程图，包括如下步骤：
步骤1)：信号采集模块(振动频率传感器、力传感器、位移传感器及加速度传感器)采集振动源振动信号，包括设备的振动频率信号、力信号、位移信号和加速度信号；
步骤2)：振动信号通过A/D转换器转换成数字信号并传送给上位机模块；
步骤3)：上位机模块根据接收到的数字信号，当磁流变液的流速vl与可调阻尼阀的阻尼系数ci的乘积civl大于高压弹性介质的刚度kl与橡胶油气隔膜的微小位移Δ的乘积klΔ时，上位机识别为隔振设备工作在高频模式，反之，则识别为工作在低频模式，调用专家系统中的知识库，求解出最优控制矩阵；其中专家系统中的知识库包含不同振动工况以及不同隔振要求下的最优控制矩阵数据，专家系统能够根据上位机采集到的信号采集模块的数据以及用户输入的隔振要求，搜索并调用知识库中相对应的控制矩阵，传递到下位机控制隔振设备；
步骤4)：上位机根据所求解的最优控制矩阵，给隔振设备的下位机发出控制指令，控制空气弹簧内气体压力、MR导体磁场强度以及可调限压阀限压值，改变隔振设备的刚度、阻尼以及惯性力特性；
步骤5)：隔振设备的下位机根据调节最优参数之后的运行状态，再发送反馈信息给上位机模块。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，包括信号采集模块、上位机模块、隔振设备以及专家系统，所述隔振设备包括中空的圆柱状的空气弹簧(1)，所述空气弹簧(1)中空部分布置有气室(3)和液室，所述气室(3)位于液室上方、两者之间设有弹性油气隔膜(4)，所述液室由活塞(8)分隔成液室A(5)和液室B(12)，所述液室A(5)和液室B(12)之间由多条回形管(11)相连通，所述回形管(11)与液室A(5)或液室B(12)的接口处至少有一个接口处安装有可调阻尼阀(6)。
2.如权利要求1所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述活塞(8)底端固接活塞杆(9)，且活塞杆(9)伸出液室B(12)外。
3.如权利要求1所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述回形管(11)上环绕安装MR导体(10)。
4.如权利要求1所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述活塞(8)上装有可调限压阀(7)。
5.如权利要求1或2所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述隔振设备还包括上支撑面(2)和下支撑面(13)，所述上支撑面(2)位于空气弹簧(1)顶部，且上支撑面(2)下方的中间部分为气室(3)，所述下支撑面(13)位于空气弹簧(1)底部，且与活塞杆(9)、空气弹簧(1)的下端均固连。
6.如权利要求1所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述液室A(5)、液室B(12)、回形管(11)内均充满液体。
7.如权利要求1所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述气室(3)内的气体为惰性气体。
8.如权利要求1所述的一种多工况自适应隔振系统，其特征在于，所述专家系统存储有隔振设备的控制规则，其输入是被隔振设备的振动状态参数以及振动源的频率，输出是隔振设备的刚度、阻尼、惯性的控制矩阵，振动状态参数包括力、位移和加速度。
9.一种多工况自适应隔振系统控制方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1)，信号采集模块采集振动源振动信号；
步骤2)，振动信号通过A/D转换器转换成数字信号并传送给上位机模块；
步骤3)，上位机模块根据接收到的数字信号，当液体的流速vl与可调阻尼阀的阻尼系数ci的乘积civl大于高压弹性介质的刚度kl与橡胶油气隔膜的微小位移Δ的乘积klΔ时，上位机识别为隔振设备工作在高频模式，反之，则识别为工作在低频模式，调用专家系统中的知识库，求解出最优控制矩阵；
步骤4)，上位机根据所求解的最优控制矩阵，给隔振设备的下位机发出控制指令，控制空气弹簧内气体压力、MR导体磁场强度以及可调限压阀限压值，改变隔振设备的刚度、阻尼、以及惯性力特性；
步骤5)，隔振设备的下位机根据调节最优参数之后的运行状态，再发送反馈信息给上位机模块。
10.如权利要求1或9所述的一种多工况自适应隔振系统控制方法，其特征在于，所述信号采集模块包括振动频率传感器、力传感器、位移传感器及加速度传感器，所述振动信号包括设备的振动频率信号、力信号、位移信号和加速度信号。
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