CN109610677B - 自走式全方向转动惯量驱动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及系统中振动的抑制领域，公开了一种自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其包括主动出力单元、转向爬升单元和装置管腔；主动出力单元包括驱动器、编码器、变速器和转动惯量轮，转向爬升单元包括设置在装置管腔内的转向单元和爬升单元，转向单元包括转向轮、转向传动轴、转向支架、转向驱动器和定位弹簧，爬升单元包括爬升轮、爬升传动轴、爬升支架、爬升驱动器和定位弹簧。本发明中转动惯量轮的转动以及整个控制系统的方向和竖向位置可以自动调节，调节精度高，调节范围广，系统应用范围大，本发明具有更大的鲁棒性，控制效果不会因结构形式改变以及外部荷载作用的改变而受到较大影响。

Description

自走式全方向转动惯量驱动控制系统
技术领域
本发明涉及系统中振动的抑制领域，具体而言，涉及一种自走式全方向转动惯量驱动控制系统。
背景技术
近年来，高速公路、铁路、桥梁、高层建筑、大跨度空间结构等不断兴建，海洋平台、宇宙空间站等结构也迅速发展。这些工程设施、结构在使用过程中往往会在外部荷载的作用下产生振动，严重的会产生摇摆，甚至发生破坏。为了解决由结构物振动引起的各种问题，振动控制技术应运而生。
结构振动控制技术主要分为以下四个方面：主动控制、被动控制、半主动控制以及混合控制。对于各种工程结构，恰当地安装振动控制系统能够有效地减轻结构的动力响应，减轻结构的破坏或者疲劳损伤。
结构的运动通常由平动以及扭转摆动组合而成。研究表明平动调谐质量阻尼器（英文名Tuned Mass Damper，TMD）、主动质量阻尼器/主动扭矩输出装置(英文名ActiveMassDamper/Driver，AMD）由于在扭转摆动中需要提供向心力而大大减弱控制效果甚至完全失去作用，因此对回转摆振控制几乎无效。然而具有回转摆振运动特性的结构运动形式极为常见，如：悬吊结构（吊钩、吊车等）的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摆振；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，由于微小激励引起的车身的扭转摆振运动等。因此需要一种特殊的控制系统，使其可以自动克服(或摆脱)重力场对控制系统自身的影响(离心力作用)，或者使控制系统自身的工作/运动规律与重力场解耦，系统自振不受重力影响，从而发挥控制系统有效控制作用。
总体来讲，现有的结构振动控制系统主要具有以下不足：第一，平动TMD控制装置只能控制结构的平动运动而对回转摆振控制无效；第二，平动AMD控制装置虽然可以控制回转摆振，但是控制效率极低，无法满足使用要求；第三，被动转动惯量调谐阻尼器对回转摆振运动控制有效，但是其需要针对结构自身进行复杂的调频，对某些复杂结构控制效率较低，效果不佳，存在鲁棒性低，可控性低，适用范围小等缺点；第四，主动转动惯量驱动控制装置仅可适用于控制转动惯量轮所在平面内的摆振运动，当产生平面外的摆振运动或产生平面外可简化为扭转的运动时，系统控制效率会大大降低甚至会失效。
本发明就是在这样的背景下产生的。
发明内容
本发明的主要目的在于针对以上问题提供一种自走式全方向转动惯量驱动控制系统。
为了实现上述目的，本发明的自走式全方向转动惯量驱动控制系统包括主动出力单元、转向爬升单元和装置管腔，被控结构贯穿装置管腔；
主动出力单元包括驱动器、编码器、变速器和转动惯量轮；驱动器、编码器和变速器均同轴设置在装置管腔内，驱动器一端安装有编码器，另一端与变速器连接，驱动器的驱动轴穿过变速器与转动惯量轮的中心处垂直固定；
转向爬升单元包括设置在装置管腔内的转向单元和爬升单元；
转向单元包括转向轮、转向传动轴、转向支架、转向驱动器和定位弹簧；
转向轮的中心处设置有转向传动轴，转向传动轴与被控结构轴向平行，转向传动轴两端设置有转向支架，转向支架固定在装置管腔内壁上，其中一个转向支架上安装有转向驱动器，被控结构贯穿装置管腔，转向轮通过定位弹簧紧贴在被控结构上；
爬升单元包括爬升轮、爬升传动轴、爬升支架、爬升驱动器和定位弹簧；
爬升轮的中心处设置有爬升传动轴，爬升传动轴与被控结构轴向垂直，爬升传动轴两端设置有爬升支架，爬升支架固定在装置管腔内壁上，其中一个爬升支架上安装有爬升驱动器，爬升轮的侧面圆周面中间向内凹陷，爬升轮通过定位弹簧紧贴在被控结构上；
进一步的，转向单元和爬升单元均包括两组，对称设置在被控结构两侧。
进一步的，本发明还包括临时储能电源，临时储能电源设置于装置管腔内，为驱动器、转向驱动器和爬升驱动器供电。
进一步的，本发明还包括控制器，控制器通过线路与驱动器、编码器、转向驱动器和爬升驱动器连接。
进一步的，本发明还包括驱动器支架, 驱动器支架固定在装置管腔内，驱动器固定在驱动器支架上。
进一步的，定位弹簧一端固定在装置管腔，另一端固定在转向传动轴或爬升传动轴上。
进一步的，变速器为减速器。
进一步的，驱动器为伺服电机或步进电机。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中转动惯量轮的转动以及整个控制系统的方向和竖向位置可以自动调节，调节精度高，调节范围广，系统应用范围大；
（2）本发明具有更大的鲁棒性，控制效果不会因结构形式改变以及外部荷载作用的改变而受到较大影响；
（3）本发明适用于适合结构发生转动、扭转或回转摆振运动的情况，适用范围广。
附图说明
图1是本发明立体结构示意图；
图2是转向爬升单元立体结构示意图；
图3是本发明在单摆结构中安装示意图；
其中，上述附图包括以下附图标记：1、装置管腔；2、被控结构；3、驱动器；4、编码器；5、变速器；6、转动惯量轮；7、驱动器支架；8、转向轮；9、转向传动轴；10、转向支架；11、转向驱动器；12、定位弹簧；13、爬升轮；14、爬升传动轴；15、爬升支架；16、爬升驱动器；17、临时储能电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例以单摆结构模型为基本力学模型原型的结构为例，本实施例的单摆不是平面单摆，而是球面单摆。
如图1-3所示，本发明的自走式全方向转动惯量驱动控制系统包括主动出力单元、转向爬升单元和装置管腔1，被控结构2贯穿装置管腔；
主动出力单元包括驱动器3、编码器4、变速器5和转动惯量轮6；驱动器、编码器和变速器均设置在装置管腔内，驱动器通过驱动器支架7固定在装置管腔内，驱动器一端安装有编码器，另一端与变速器连接，驱动器、变速器和编码器同轴，驱动器的驱动轴穿过变速器与转动惯量轮的中心处垂直固定。
本实施例中，除了设置于驱动器尾端用于采集转动惯量转动数据的编码器，被控结构上也设置有一个传感器，用来采集被控结构的转动数据。此处的传感器可以采用但不限于角加速度传感器和陀螺仪。
转向爬升单元包括转向单元和爬升单元，转向单元和爬升单元均设置在装置管腔内；
转向单元包括转向轮8、转向传动轴9、转向支架10、转向驱动器11和定位弹簧12；
转向轮的中心处设置有转向传动轴，转向传动轴与被控结构轴向平行，转向传动轴两端设置有转向支架，转向支架固定在装置管腔内壁上，其中一个转向支架上安装有转向驱动器，安装有转向驱动器的转向支架比另一个转向支架要宽一些，定位弹簧一端固定在装置管腔，另一端固定在转向传动轴上，转向轮在定位弹簧的作用下紧贴在被控结构上。转向单元包括两组转向轮，两组转向轮对称设置于被控结构两侧。
爬升单元包括爬升轮13、爬升传动轴14、爬升支架15、爬升驱动器16和定位弹簧12；
爬升轮的中心处设置有爬升传动轴，爬升传动轴与被控结构轴向垂直，爬升传动轴两端设置有爬升支架，爬升支架固定在装置管腔内壁上，其中一个爬升支架上安装有爬升驱动器，安装有爬升驱动器的爬升支架比另一个爬升支架要宽一些；定位弹簧一端固定在装置管腔，另一端固定在爬升传动轴上，爬升轮的侧面圆周面中间向内凹陷，在定位弹簧的作用下紧贴在被控结构上。爬升单元包括两组爬升轮，两组爬升轮对称设置于被控结构两侧。
爬升单元和转向单元分别控制转动惯量轮轴向高度和横向角度。
装置管腔内还设置有临时储能电源17，为驱动器、转向驱动器和爬升驱动器供电。
本发明的作用原理如下：
被控结构吊点处设置的传感器采集被控结构的摆振运动状态即摆角以及摆角加速度数据，并把被控结构状态数据传送给控制器（图中未示出），控制器判断是否需要进行主动控制，当被控结构发生回转摆振运动数据超出之前所设定的阈值的时候，控制器控制驱动器动作；驱动器末端同轴安装的编码器实时采集驱动器的转动情况，反馈给控制器，实现控制器与被控结构以及驱动器的闭环控制；驱动器可以根据实时测量的结构运动状态，控制转动惯量轮发生回转转动产生力矩，实现对转动惯量轮所在平面的转动、扭转或回转摆振运动控制，爬升驱动器通过爬升传动轴驱动爬升轮，转向驱动器通过转向传动轴驱动转向轮，从而实现整个控制系统的爬升与转向，本发明可以自动调节整个控制系统所在的位置以及转动惯量轮的方向，实现全方位振动控制的目的。
本发明可以应用到以下但不限于以下的力学问题基本原型运动模型中：单摆结构的自由摆动；受约束倒立摆结构的振动；刚体绕空间任意轴的定轴转动等，在实际工程中如：悬吊结构（吊钩、吊车等）的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摇摆振动等；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，在高速运行过程中，由于微小激励引起的车身的扭转摇摆振动运动等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其特征在于，
包括主动出力单元、转向爬升单元和装置管腔（1），被控结构（2）贯穿装置管腔（1）；
主动出力单元包括驱动器（3）、编码器（4）、变速器（5）和转动惯量轮（6），驱动器（3）、编码器（4）和变速器（5）均同轴设置在装置管腔（1）内，驱动器（3）一端安装有编码器（4），另一端与变速器（5）连接，驱动器（3）的驱动轴穿过变速器（5）与转动惯量轮（6）的中心处垂直固定；
转向爬升单元包括设置在装置管腔（1）内的转向单元和爬升单元；
转向单元包括转向轮（8）、转向传动轴（9）、转向支架（10）、转向驱动器（11）和定位弹簧（12）；
转向轮（8）的中心处设置有转向传动轴（9），转向传动轴（9）与被控结构（2）轴向平行，转向传动轴（9）两端设置有转向支架（10），转向支架（10）固定在装置管腔（1）内壁上，其中一个转向支架（10）上安装有转向驱动器（11），转向轮（8）通过定位弹簧（12）紧贴在被控结构（2）上；
爬升单元包括爬升轮（13）、爬升传动轴（14）、爬升支架（15）、爬升驱动器（16）和定位弹簧（12）；
爬升轮（13）的中心处设置有爬升传动轴（14），爬升传动轴（14）与被控结构（2）轴向垂直，爬升传动轴（14）两端设置有爬升支架（15），爬升支架（15）固定在装置管腔（1）内壁上，其中一个爬升支架（15）上安装有爬升驱动器（16），爬升轮（13）的侧面圆周面中间向内凹陷，爬升轮（13）通过定位弹簧（12）紧贴在被控结构（2）上，转向单元和爬升单元均包括两组，对称设置在被控结构（2）两侧，还包括控制器，控制器通过线路与驱动器（3）、编码器（4）、转向驱动器（11）和爬升驱动器（16）连接，被控结构（2）上设置有一个传感器。
2.根据权利要求1所述的自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其特征在于，还包括临时储能电源（17），临时储能电源（17）设置于装置管腔（1）内，为驱动器（3）、转向驱动器（11）和爬升驱动器（16）供电。
3.根据权利要求1所述的自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其特征在于，还包括驱动器支架（7）, 驱动器支架（7）固定在装置管腔（1）内，驱动器（3）固定在驱动器支架（7）上。
4.根据权利要求1所述的自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其特征在于，定位弹簧（12）一端固定在装置管腔（1），另一端固定在转向传动轴（9）或爬升传动轴（14）上。
5.根据权利要求1所述的自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其特征在于，变速器（5）为减速器。
6.根据权利要求1所述的自走式全方向转动惯量驱动控制系统，其特征在于，驱动器（3）为伺服电机或步进电机。
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