CN109654149A - 基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种混合式隔减振器的主动控制方法及主动控制系统，该主动控制方法包括：获取作用在隔减振器的平台和被隔减振物体上的外激励力f_e(t)；根据时间滞后控制法，获取外激励力的计算估值基于外激励力的计算估值，获取主动控制力f_c(t)。其优点在于：控制方法主动控制力的计算简单，技术方案简便可行；控制系统本质上稳定，具有鲁棒性、自适应性，不受隔减振器结构参数及外激励力变化的影响；控制系统各硬件实现上可靠成熟，即使主动控制功能失效，原隔振减振刚度、阻尼元件仍能起到一定效果；按具体实施环境及性能要求。

Description

基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及隔振减振控制技术领域，更具体地，涉及一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法及系统。

背景技术

隔振减振是振动保护中使用最为广泛的一种方法，在航空航天、土木建筑、车辆工程及机械工程等领域都有广泛的应用。通过包含了刚度与阻尼元件的特殊装置将振源和被保护物体隔离开，来达到减振的目的，这种特殊的装置成为隔振器或隔振座架。隔振器可以防止机械设备本身的振动，通过其基座、支座传导至基础或基座上，目的在于隔离或减小动力的传递，使周围环境不受机械设备振动的影响；或者用于隔离或减小周围环境的振动传递，使精密的仪器仪表、贵重设备等不受这种基础振动的影响。

通过设计合理的线性刚度与阻尼元件构建隔振器的隔振方法，不适用于外激励频率变化较大的情况；考虑到静变形不能过大，本身固有频率不能太低，其对较低频率外激励的隔振效果也不理想。通过设计合理的非线性刚度和/或阻尼元件构建隔振器，通常比线性刚度和阻尼元件的隔振器具有更好的隔振效果(特别是低频隔振)、更宽的隔振频率范围。但这类隔振器的隔振效果对设计参数的变化、外激励的大小极其敏感；频响曲线的峰部会出现向右弯曲，引起响应的跳变；还可能导致静平衡工作点不稳定等缺点，以上便是被动隔减振方法(消极隔减振方法)。

另一大类隔减振方法是主动控制隔减振(积极隔减振)，它是把控制理论、计算机技术与振动力学理论、测试技术相结合形成的新技术，其在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。主动控制隔减振具有许多优点，如隔减振效果远优于上面所述的消极隔减振方法，能适应不可预知的外界扰动以及隔减振器结构参数的变化，适用于各频段的减振和高精度隔振等；其缺点是需要消耗额外能量、系统较复杂、成本高，采用闭环控制时需特别注意稳定性等问题。目前，最常用、最有实用价值的隔减振方法是结合消极与主动控制隔减振的混合式隔减振方法。

主动控制隔减振设计中一个重要步骤，是根据隔减振对象及环境的具体情况以及隔减振性能要求，选择合适的控制策略与控制律，实时计算控制信号，进而驱动作动器对控制对象施加正确的作用。对于大多数控制理论，控制律的设计都需要建立被控对象与外激励的精确数学模型和模型不确定因素的变化界限，如果实际系统与模型描述有某些差距，则达不到控制效果，甚至使控制对象性能恶化；至于不依赖模型的控制理论，其中代表性的如模糊逻辑控制、无模型自适应控制和无模型iPID控制。模糊逻辑控制依赖于规则模糊子集与隶属度函数的选择；后二者对系统输入-输出关系用一个短时时窗数学模型来简化，在每个采样时间间隔内按输入-输出采样值估计该模型的待定项或待定参数，并确定下一个采样时刻的控制输入，涉及较复杂数值计算。

综上，现有的混合式隔减振器主动控制方法，所采用的控制律在确定主动控制力时，设计理论及过程比较复杂，计算量也较大；现有控制方法一般采用隔减振物体加速度、速度及位移物理量中一个或多个测量值作为反馈信号，再根据所采用的控制律，确定主动控制力。

因此，有必要开发一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法及系统，其能够应用最基本的力学定律，采用成熟可靠的加速度、力物理量的测量技术，该主动控制方法不依赖系统模型，对隔减振器参数与外激励的变化具有鲁棒性、自适应性，主动控制力的计算简单，技术方案简便可行。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法及系统，其能够通过应用最基本的力学定律，采用成熟可靠的加速度、力物理量的测量技术，该主动控制方法不依赖系统模型，对隔减振器参数与外激励的变化具有鲁棒性、自适应性，主动控制力的计算简单，技术方案简便可行。

根据本发明的一方面，提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，所述主动控制方法包括：

获取作用在隔减振器的平台和被隔减振物体上的外激励力f_e(t)；

根据时间滞后控制法，获取外激励力的计算估值

基于所述外激励力的计算估值，获取主动控制力f_c(t)。

优选地，所述隔减振器的平台和所述被隔减振物体满足如下运动方程：

则所述外激励力f_e(t)为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

优选地，所述外激励力的计算估值为：

式中，f_c(t-δ)为当前时刻t的上一时刻(t-δ)的主动控制力。

优选地，所述主动控制力f_c(t)为：

优选地，所述隔减振器的平台和所述被隔减振物体的总质量m为：

式中，f_kj(0)为静平衡位置f_k(t)的值；

f_dj(0)为静平衡位置f_d(t)的值；

g为是重力加速度。

本发明还提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其特点在于，所述主动控制方法包括：

获取隔离基础振动激励的混合式单层隔减振器的运动方程；

基于所述运动方程获取主动控制力。

优选地，所述运动方程为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

优选地，所述主动控制力f_c(t)为：

f_c(t)＝β×(f_k(t)+f_d(t)) (8)

式中，β为可选定的常系数，0<β<1.0。

根据本发明的另一方面，提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，所述主动控制系统包括：

隔减振平台，其上设有被隔减振物体；

力作动器，设置于所述隔减振平台下方的中心位置或对称设置于所述隔减振平台下方的两侧，所述力作动器和所述隔减振平台之间设有第一力测量单元；

刚度元件和阻尼元件，设置于所述隔减振平台下方，对称设置于所述力作动器的两侧；

加速度测量单元，设置于所述隔减振平台上，用于测量振动加速度；

其中，所述刚度元件和所述隔减振平台之间设有第二力测量单元，所述阻尼元件和所述隔减振平台之间设有第三力测量单元；

控制单元，用于接收力测量单元及所述加速度测量单元的数据，处理所述数据并控制所述力作动器。

根据本发明的另一方面，还提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，所述主动控制系统包括：

隔减振平台，其上设有被隔减振物体；

隔振基础，设置于所述隔减振平台的正下方；

加速度测量单元，设置于所述隔减振平台上，用于测量振动加速度；

力作动器，设置于所述隔减振平台和所述隔振基础之间，所述力作动器和所述隔减振平台之间设有第一力测量单元；

刚度元件和阻尼元件，设置于所述隔减振平台和所述隔振基础之间，对称设置于所述力作动器的两侧；

其中，所述刚度元件和所述隔减振平台之间设有第二力测量单元，所述阻尼元件和所述隔减振平台之间设有第三力测量单元；

控制单元，用于接收力测量单元及所述加速度测量单元的数据，处理所述数据并控制所述力作动器。

根据本发明的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法及系统，其优点在于：通过应用最基本的力学定律，采用成熟可靠的加速度、力物理量的测量技术，该主动控制方法不依赖系统模型，对隔减振器参数与外激励的变化具有鲁棒性、自适应性，主动控制力的计算简单，技术方案简便可行；主动控制系统元件成熟可靠，即使主动控制功能失效，原隔振减振刚度元件、阻尼元件仍能起到一定效果。

本发明的方法及系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1-1和图1-2示出了根据实际应用中本发明的两种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

图2示出了根据本发明的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法的步骤流程图。

图3示出了根据本发明的另一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法的步骤流程图。

图4示出了根据本发明的一个仿真试验的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

图5-1至图5-3分别示出了图4主动控制系统第一数据模型施加控制力与未施加控制力时减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。

图6示出了根据本发明的图4主动控制系统的外激励力与主动控制力的时间历程。

图7-1至图7-3分别示出了图4主动控制系统第二数据模型施加控制力与未施加控制力时减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。

图8示出了根据本发明的一个实施例的仿真试验的另一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

图9-1至图9-3分别示出了图8主动控制系统第一数据模型施加控制力与未施加控制力时减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。

图10示出了根据本发明的图8主动控制系统施加主动控制力的时间历程。

图11-1图11-3分别示出了图8主动控制系统第二数据模型施加控制力与未施加控制力时减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。

附图标记说明：

1、隔减振平台；2、第二力测量单元；3、力作动器；4、信号调理控制器与功率放大器；5、第三力测量单元；6、加速度测量单元；7、被隔减振物体；8、刚度元件；9、阻尼元件；10、隔振基础；11、第一力测量单元。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，该主动控制方法包括：

获取作用在隔减振器的平台和被隔减振物体上的外激励力f_e(t)；

根据时间滞后控制法，获取外激励力的计算估值

基于外激励力的计算估值，获取主动控制力f_c(t)。

具体地，通过牛顿力学定律获得获取作用在隔减振器的平台和被隔减振物体上的外激励力f_e(t)。

作为优选方案，隔减振器的平台和被隔减振物体满足如下运动方程：

则外激励力f_e(t)为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

进一步地，隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量为m，其加速度通过加速度测量单元可测量，施加在隔减振器平台或被隔减振物体上的其它起减振、支撑作用的力，如刚度元件的变形恢复力f_k(t)、阻尼元件的耗散阻尼力f_d(t)，都可以通过力测量单元测量。

作为优选方案，外激励力的计算估值为：

式中，f_c(t-δ)为当前时刻t的上一时刻(t-δ)的主动控制力。

f_c(t-δ)是当前时刻t的上一时刻(t-δ)的主动控制力，对于用采样控制或计算机控制技术来实现本发明控制算法而言，δ是采样周期，f_c(t-δ)的初始值为零，即t＝0时，f_c(t-δ)＝0。f_c(t)一般为时间连续函数，当δ＜＜0时，f_c(t)≈f_c(t-δ)，而且由式(2)及(3)可知，

作为优选方案，主动控制力f_c(t)为：

其中，除了质量m以外，等号右边其它各项是时刻t的测量值和已知的上一时刻主动控制力f_c(t-δ)。

作为优选方案，隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量m为：

式中，f_kj(0)为静平衡位置f_k(t)的值；

f_dj(0)为静平衡位置f_d(t)的值；

g为是重力加速度。

上述方法的验证：将式(4)代入式(1)可知：

由于值极小，主动控制力f_c(t)的作用在于近似实时抵消掉位置的外激励力，此外，在式(4)中还可以取其中，可选定的常系数β满足0<β<1.0，用于部分抵消未知的外激励力。

根据上述基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，该主动控制系统包括：

隔减振平台，其上设有被隔减振物体；

力作动器，设置于隔减振平台下方的中心位置或对称设置于所述隔减振平台下方的两侧，力作动器和隔减振平台之间设有第一力测量单元；

刚度元件和阻尼元件，设置于隔减振平台下方，对称设置于力作动器的两侧；

加速度测量单元，设置于隔减振平台上，用于测量振动加速度；

其中，刚度元件和隔减振平台之间设有第二力测量单元，阻尼元件和隔减振平台之间设有第三力测量单元；

控制单元，用于接收力测量单元及加速度测量单元的数据，处理数据并控制力作动器。

其中，第一力测量单元、第二力测量单元和第三力测量单元为拉压力双向传感器，加速度测量单元为加速度传感器。

进一步地，力作动器可以是电液伺服型、电磁型、磁流变/电流变型力作动器。

进一步地，在实际应用本发明的主控控制方法和主动控制系统时，在力作动器的下方设有控制单元，通常控制单元可以包括信号调理控制器与功率放大器，该信号调理控制器与功率放大器还分别与第二力测量单元、第三力测量单元及加速度测量单元连接，接收他们测量到的数据，测量到的数据先通过信号调理控制器处理数据信号，所得处理后的控制信号输入到功率放大器放大；信号调理控制器基于接收到的数据信号进行调理计算，将计算结果发送到功率放大器产生驱动信号，用于驱动力作动器工作，产生主动控制力(如图1-1所示)。在仿真验证中并不需要设置信号调理控制器与功率放大器。

通过式(6)可知，该基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统是稳定的，主动控制方法是可行的。

本发明还提出了另一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，该主动控制方法包括：

获取隔离基础振动激励的混合式单层隔减振器的运动方程；

基于运动方程获取主动控制力。

具体地，通过牛顿力学定律获得获取运动方程。

作为优选方案，运动方程为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

作为优选方案，主动控制力f_c(t)为：

f_c(t)＝β×(f_k(t)+f_d(t)) (8)

式中，β为可选定的常系数，0<β<1.0。

进一步地，β是可选定的常数，式(8)中f_c(t)的作用在于部分抵消原消极隔振元件力f_k(t)、f_c(t)。

根据上述混合式隔减振器的主动控制方法，提出了一种混合式隔减振器的主动控制系统，该主动控制系统包括：

隔减振平台，其上设有被隔减振物体；

隔振基础，设置于隔减振平台的正下方；

加速度测量单元，设置于隔减振平台上，用于测量振动加速度；

力作动器，设置于隔减振平台和隔振基础之间，力作动器和隔减振平台之间设有第一力测量单元；

刚度元件和阻尼元件，设置于隔减振平台和隔振基础之间，对称设置于力作动器的两侧；

其中，刚度元件和隔减振平台之间设有第二力测量单元，阻尼元件和隔减振平台之间设有第三力测量单元；

控制单元，用于接收力测量单元及加速度测量单元的数据，处理数据并控制力作动器。

其中，第一力测量单元、第二力测量单元和第三力测量单元为拉压力双向传感器，加速度测量单元为加速度传感器。

进一步地，力作动器可以是电液伺服型、电磁型、磁流变/电流变型力作动器。

进一步地，在实际应用本发明的主控控制方法和主动控制系统时，在力作动器和隔振基础之间设有控制单元，通常控制单元可以包括信号调理控制器与功率放大器，该信号调理控制器与功率放大器还分别与第二力测量单元、第三力测量单元及加速度测量单元连接，接收他们测量到的数据，测量到的数据先通过信号调理控制器处理数据信号，所得处理后的控制信号输入到功率放大器放大；信号调理控制器基于接收到的数据信号进行调理计算，将计算结果发送到功率放大器产生驱动信号，用于驱动力作动器工作，产生主动控制力(如图1-2所示)。在仿真验证中并不需要设置信号调理控制器与功率放大器。

利用本发明的主动控制方法和主动控制系统，其控制方法主动控制力的计算简单，技术方案简便可行；控制系统本质上稳定，具有鲁棒性、自适应性，不受隔减振器结构参数及外激励力变化的影响；控制系统各硬件实现上可靠成熟，即使主动控制功能失效，原隔振减振刚度、阻尼元件仍能起到一定效果；按具体实施环境及性能要求。

实施例1

图2示出了根据本发明的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法的步骤流程图。

如图2所示，本实施例的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，包括：

获取作用在隔减振器的平台和被隔减振物体7上的外激励力f_e(t)；

根据时间滞后控制法，获取外激励力的计算估值

基于外激励力的计算估值，获取主动控制力f_c(t)。

具体地，基于牛顿力学定律，隔减振器的平台和被隔减振物体7满足如下运动方程：

则外激励力f_e(t)为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

其中，隔减振器的平台和被隔减振物体7的总质量为m，其加速度通过加速度测量单元可测量，施加在隔减振器平台或被隔减振物体上的其它起减振、支撑作用的力，如刚度元件的变形恢复力f_k(t)、阻尼元件的耗散阻尼力f_d(t)，都可以通过力测量单元测量。

进一步地，外激励力的计算估值为：

式中，f_c(t-δ)为当前时刻t的上一时刻(t-δ)的主动控制力。

其中，f_c(t-δ)是当前时刻t的上一时刻(t-δ)的主动控制力，对于用采样控制或计算机控制技术来实现本发明控制算法而言，δ是采样周期，f_c(t-δ)的初始值为零，即t＝0时，f_c(t-δ)＝0。f_c(t)一般为时间连续函数，当δ＜＜0时，f_c(t)≈f_c(t-δ)，而且由式(2)及(3)可知，

进一步地，主动控制力f_c(t)为：

图1-1示出了根据实际应用中本发明的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

如图1-1所示，根据上述主动控制方法，提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，该主动控制系统包括：

隔减振平台1，其上设有被隔减振物体7；

力作动器3，设置于隔减振平台1下方的中心位置或对称设置于隔减振平台1下方的两侧，力作动器3和隔减振平台1之间设有第一力测量单元11；

刚度元件8和阻尼元件9，设置于隔减振平台1下方，对称设置于力作动器3的两侧；

加速度测量单元6，设置于隔减振平台1上，用于测量振动加速度；

其中，刚度元件8和隔减振平台1之间设有第二力测量单元2，阻尼元件9和隔减振平台1之间设有第三力测量单元5；

控制单元，用于接收力测量单元及加速度测量单元6的数据，处理数据并控制力作动器3。

本实施例中，力作动器3设置于隔减振平台1下方的中心位置。

其中，第一力测量单元11、第二力测量单元2和第三力测量单元5为拉压力双向传感器，加速度测量单元6为加速度传感器。

本实施例中力作动器3是电液伺服型力作动器。

在实际应用本发明的主控控制方法和主动控制系统时，在力作动器3的下方设有控制单元，本实施例的控制单元包括信号调理控制器与功率放大器4，该信号调理控制器与功率放大器4还分别与第二力测量单元2、第三力测量单元5及加速度测量单元6连接，接收他们测量到的数据，测量到的数据先通过信号调理控制器调理运算，所得控制信号经功率放大器将控制信号放大后输入到力作动器3，用于驱动力作动器3工作，产生主动控制力(如图1-1所示)。在仿真验证中并不需要设置信号调理控制器与功率放大器4。

仿真验证上述方法及系统的可行性。

图4示出了根据本发明的一个仿真试验的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

如图4所示，在仿真力学模型中，不设置信号调理控制器与功率放大器。

在该仿真模型中，第一数据模型设刚度元件8、阻尼元件9系数分别为k＝20000N/m，d＝4470Ns/m，隔减振平台1与被隔减振物体7总质量m＝500kg(在实际应用时，总质量m通过式(5)获取，在仿真中直接设置总质量m)，此时主动控制系统固有频率约1.0Hz，阻尼比为0.707，设作用在被隔减振物体7上的外激励力f_e(t)是零均值，800N标准差的高斯白噪声经过20Hz截止频率低通滤波后得到的。则该基于加速度和力的混合式减振器运动方程为：

式中，f_k(t)＝kx(t)，仿真时，假设已知总重量m以及通过拉压力双向传感器获得f_k(t)、f_d(t)的值，通过加速度传感器获得的值，f_e(t)未知，主动控制力f_c(t)按式(4)计算。本实施例中，仿真采用matlab中ode45函数，时间步(即采样周期)为0.001秒。

图5-1至图5-3分别示出了图4主动控制系统第一数据模型施加控制力与未施加控制力时被隔减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。图6示出了根据本发明的图4主动控制系统的外激励力与主动控制力的时间历程。

如图5-1至图5-3所示，按本实施例的主动控制力的计算方法，施加主动控制力和没有施加主动控制力时，被隔减振物体7加速度、速度以及位移的时间响应。由图可见，本实施例减振效果极佳，特别是位移响应的幅值波动衰减近似为零。

如图6所示，外激励力与主动控制力的时间历程，由图6可知，主动控制力f_c(t)的大小与外激励力f_e(t)几乎一致，相位上相反，从而能够实时估计并抵消外激励力f_e(t)的作用。

图7-1至图7-3分别示出了图4主动控制系统第二数据模型施加控制力与未施加控制力时被隔减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。

第二数据模型设刚度元件8、阻尼元件9系数分别为k＝18000N/m，d＝4000Ns/m，隔减振平台1与被隔减振物体7总质量m＝600kg(在实际应用时，总质量m通过式(5)获取，在仿真中直接设置总质量m)，被隔减振物体7加速度、速度及位移的时间响应如图7-1至图7-3所示。该仿真结果表明，被隔减振物体总质量及隔减振元件参数的变化完全不影响隔减振效果。

第一数据模型和第二数据模型两种参数下，被隔减振物体7响应的均方根值(RMS)如表1所示。减振物体响应值中加速度降低近1个数量级，速度、位移降低近2个数量级。

表1减振物体响应的均方根值对比表

实施例2

图3示出了根据本发明的另一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法的步骤流程图。

如图3所示，本实施例的一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，包括：

获取隔离基础振动激励的混合式单层隔减振器的运动方程；

基于运动方程获取主动控制力。

具体地，通过牛顿力学定律获得获取运动方程。

作为优选方案，运动方程为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

其中，隔减振器的平台和被隔减振物体7的总质量为m，其加速度通过加速度测量单元可测量，施加在隔减振器的平台或被隔减振物体7上的其它起减振、支撑作用的力，如刚度元件的变形恢复力f_k(t)、阻尼元件的耗散阻尼力f_d(t)，都可以通过力测量单元测量。

作为优选方案，主动控制力f_c(t)为：

f_c(t)＝β×(f_k(t)+f_d(t)) (8)

式中，β为可选定的常系数，0<β<1.0。

进一步地，β是可选定的常数，式(8)中f_c(t)的作用在于部分抵消原消极隔振元件力f_k(t)、f_c(t)。

图1-2示出了根据实际应用中本发明的另一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

如图1-2所示，根据上述主动控制方法，提出了一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，该主动控制系统包括：

隔减振平台1，其上设有被隔减振物体7；

隔振基础10，设置于隔减振平台1的正下方；

加速度测量单元6，设置于隔减振平台1上，用于测量振动加速度；

力作动器3，设置于隔减振平台1和隔振基础10之间，力作动器3和隔减振平台1之间设有第一力测量单元11；

刚度元件8和阻尼元件9，设置于隔减振平台1和隔振基础10之间，对称设置于力作动器3的两侧；

其中，刚度元件8和隔减振平台1之间设有第二力测量单元2，阻尼元件9和隔减振平台1之间设有第三力测量单元5；

控制单元，用于接收力测量单元及加速度测量单元6的数据，处理数据并控制力作动器3。

其中，第一力测量单元11、第二力测量单元2和第三力测量单元5为拉压力双向传感器，加速度测量单元6为加速度传感器。

本实施例中，力作动器3是电液伺服型力作动器。

在实际应用本发明的主控控制方法和主动控制系统时，在力作动器3和隔振基础10之间设有控制单元，本实施例中控制单元包括信号调理控制器与功率放大器4，该信号调理控制器与功率放大器4还分别与第二力测量单元2、第三力测量单元5及加速度测量单元6连接，接收他们测量到的数据，测量到的数据先通过信号调理控制器调理运算，所得控制信号经功率放大器放大发送到力作动器3，用于驱动力作动器3工作，产生主动控制力(如图1-2所示)。在仿真验证中并不需要设置信号调理控制器与功率放大器4。

仿真验证上述方法及系统的可行性。

图8示出了根据本发明的一个实施例的仿真试验的另一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统的示意图。

如图8所示，由刚度元件8、阻尼元件9组成的隔离基础激励的基于加速度和力的混合式隔振器力学模型，在仿真力学模型中，不设置信号调理控制器与功率放大器4。

在该仿真模型中，第一数据模型设刚度元件8、阻尼元件9系数分别为k＝25000N/m，d＝1800Ns/m，隔减振平台1与被隔减振物体7总质量m＝500kg(在实际应用时，总质量m通过式(5)获取，在仿真中直接设置总质量m)，此时主动控制系统固有频率约1.13Hz，阻尼比为0.255，设作用在被隔减振物体7上的外激励力位移x_b是零均值，0.04米标准差的高斯白噪声经过20Hz截止频率低通滤波后得到的。仿真时，按式(8)计算主动控制力，本实施例中，取β＝0.5。

图9-1至图9-3分别示出了图8主动控制系统第一数据模型施加控制力与未施加控制力时被隔减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。图10示出了根据本发明的图8主动控制系统施加主动控制力的时间历程。

如图9-1至图9-3所示，是施加主动控制力和没有施加主动控制力时，被隔减振物体7加速度、速度及位移的时间响应。由图可见，被隔减振物体7加速度、速度响应幅值明显降低，减小了被隔减振物体7所承受的惯性冲击力，避免被隔减振物体7损伤。(同时参见表2)。

图10所示为施加的主动控制力的示意图。

图11-1图11-3分别示出了图8主动控制系统第二数据模型施加控制力与未施加控制力时被隔减振物体的加速度、速度和位移的时间响应。该仿真结果表明，被隔减振物体总质量及隔减振元件参数的变化完全不影响隔减振效果。

第二数据模型设刚度元件8、阻尼元件9系数分别为k＝22000N/m，d＝1500Ns/m，隔减振平台1与被隔减振物体7总质量m＝600kg(在实际应用时，总质量m通过式(5)获取，在仿真中直接设置总质量m)，被隔减振物体7加速度、速度及位移的时间响应如图11-1图11-3所示。

第一数据模型和第二数据模型两种参数下，被隔减振物体7响应的均方根值(RMS)如表2所示。

表2减振物体响应的均方根值对比表

由表2可见，虽然被隔减振物体7位移的均方根值虽略有增加，但被隔减振物体7加速度的均方根值减小至一半左右。这样极大减小了被隔减振物体7所承受的惯性冲击力，避免被隔减振物体7损伤。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其特征在于，所述主动控制方法包括：

获取作用在隔减振器的平台和被隔减振物体上的外激励力f_e(t)；

根据时间滞后控制法，获取外激励力的计算估值

基于所述外激励力的计算估值，获取主动控制力f_c(t)。

2.根据权利要求1所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其中，所述隔减振器的平台和所述被隔减振物体满足如下运动方程：

则所述外激励力f_e(t)为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

3.根据权利要求2所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其中，所述外激励力的计算估值为：

式中，f_c(t-δ)为当前时刻t的上一时刻(t-δ)的主动控制力。

4.根据权利要求3所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其中，所述主动控制力f_c(t)为：

5.根据权利要求4所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其中，所述隔减振器的平台和所述被隔减振物体的总质量m为：

式中，f_kj(0)为静平衡位置f_k(t)的值；

f_dj(0)为静平衡位置f_d(t)的值；

g为是重力加速度。

6.一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其特点在于，所述主动控制方法包括：

获取隔离基础振动激励的混合式单层隔减振器的运动方程；

基于所述运动方程获取主动控制力。

7.根据权利要求6所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其中，所述运动方程为：

式中，m为隔减振器的平台和被隔减振物体的总质量；

为隔减振器的平台和被隔减振物体的加速度；

f_k(t)为刚度元件的变形恢复力；

f_d(t)为阻尼元件的耗散阻尼力；

f_c(t)为主动控制力。

8.根据权利要求7所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其中，所述主动控制力f_c(t)为：

f_c(t)＝β×(f_k(t)+f_d(t)) (8)

式中，β为可选定的常系数，0<β<1.0。

9.一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，根据权利要求1-5中任意一项所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其特征在于，所述主动控制系统包括：

隔减振平台，其上设有被隔减振物体；

力作动器，设置于所述隔减振平台下方的中心位置或对称设置于所述隔减振平台下方的两侧，所述力作动器和所述隔减振平台之间设有第一力测量单元；

刚度元件和阻尼元件，设置于所述隔减振平台下方，对称设置于所述力作动器的两侧；

加速度测量单元，设置于所述隔减振平台上，用于测量振动加速度；

其中，所述刚度元件和所述隔减振平台之间设有第二力测量单元，所述阻尼元件和所述隔减振平台之间设有第三力测量单元；

控制单元，用于接收力测量单元及所述加速度测量单元的数据，处理所述数据并控制所述力作动器。

10.一种基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制系统，根据权利要求6-8中任意一项所述的基于加速度和力的混合式隔减振器的主动控制方法，其特征在于，所述主动控制系统包括：

隔减振平台，其上设有被隔减振物体；

隔振基础，设置于所述隔减振平台的正下方；

加速度测量单元，设置于所述隔减振平台上，用于测量振动加速度；

力作动器，设置于所述隔减振平台和所述隔振基础之间，所述力作动器和所述隔减振平台之间设有第一力测量单元；

刚度元件和阻尼元件，设置于所述隔减振平台和所述隔振基础之间，对称设置于所述力作动器的两侧；

其中，所述刚度元件和所述隔减振平台之间设有第二力测量单元，所述阻尼元件和所述隔减振平台之间设有第三力测量单元；

控制单元，用于接收力测量单元及所述加速度测量单元的数据，处理所述数据并控制所述力作动器。