CN110440087A - 一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，所述减隔振支座由作动器外套、管道夹、活动顶杆、高强弹簧、作动器和传感器组成，所述作动器外套的内腔设有作动器，所述作动器的上侧设有高强弹簧，所述高强弹簧内套设有活动顶杆，所述作动器的自由端球头与顶杆球头顶紧，所述作动器外套的顶部设有管道夹，所述减隔振支座电性连接有控制系统。传感器信号输出至DSPACE设备，经过处理输入计算机进行运算；MCS自适应控制算法根据管道结构整体状态计算得出所需的各点控制力大小，并将其输出至高压电源；高压电源根据所需控制力信号输出作动器所需电压，电压激励信号作用在作动器上产生作动力，达到目标减隔振控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及管道减隔振装置技术领域，具体领域为一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统。
背景技术
管道结构广泛用于电力、石油、船舶等行业，管道中液体或气体流动时对管道产生压力脉动，从而使得管道产生振动。管道振动极易引起管道的磨损、疲劳，影响到管道结构的使用寿命；结构振动易导致管道连接处破坏，引发灾难性事故；管道振动导致管道阀门损坏，使关键原件失控，致使系统停运。
现有减小管道振动方法主要有：优化管道布局减小管道振动；减小气液冲击减小振动；增加支墩加强结构自身强度；采用主动控制系统减小管道振动等。现有的各类管道减隔振措施结构复杂，制造成本高，不能实时了解管道的运营状态，且很难达到预想的减隔振效果。而随着自动控制技术和计算机技术的发展，主动控制理论得到了长足发展，可以有效地用于管道减隔振控制中，是一种更有效地管道减隔振措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，包括减隔振支座，所述减隔振支座由作动器外套、管道夹、活动顶杆、高强弹簧、作动器和传感器组成，所述作动器外套的内腔设有作动器，所述作动器的上侧设有高强弹簧，所述高强弹簧布置于活动顶杆上且在活动顶杆与作动器外套之间，预压高强弹簧使得活动顶杆与作动器充分顶紧以保证作动力的有效传递。布置高强弹簧也可使压电叠堆不存在拉应力时减隔振装置仍可约束管道的向上振动，所述高强弹簧内套设有活动顶杆，所述作动器的自由端球头与顶杆球头顶紧，所述作动器外套的顶部设有管道夹，所述减隔振支座电性连接有控制系统；
所述控制系统由DSPACE设备、计算机、自适应控制算法和高压电源组成，传感器记录并监测管道振动状态，将信号输出到DSPACE设备后发送至计算机，根据主动自适应控制算法计算得到所需的控制力，将所需控制力的电信号传输给作动器，作动器根据电信号输出的控制力作用在管道结构上达到减隔振控制的作用。
优选的，所述作动器外套的底部设有螺栓孔，所述作动器的侧壁设有若干加强肋，作动器外套内径需略大于作动器直径以方便安装；外套顶部预留有开洞，开洞直径小于作动器外套内筒直径，用于布置活动顶杆；外套底板预设有螺孔，可用于将作动器外套固定在固定地面；作动器外套外侧加设四道加强肋，以保证作动器外套刚度。
优选的，所述活动顶杆为高强材料一次性铸造而成。
优选的，所述活动顶杆的顶部呈球头状设置，所述活动顶杆的作用是将作动器控制力传递到管道夹，半球形一端置于作动器外套内部，杆体位于作动器与作动器外套中间。不施加预压力顶住时，活动顶杆可沿外套开洞自由滑动。活动顶杆圆柱端预留螺纹，用于将活动顶杆与管道夹固定。
优选的，所述作动器具体为一种压电叠堆作动器，在外部电压驱动下可输出控制所需作动力，具有精度高和控制精确等优点。
优选的，所述的管道夹包括上管道夹和下管道夹，所述上管道夹和下管道夹之间通过螺栓固定，所述上管道夹和下管道夹的侧壁均设有加强肋，所述下管道夹的中部设有活动顶杆固定孔，上管道夹呈Ω形设置，下管道夹呈一字形设置，并通过加强肋以保证刚度。
优选的，所述自适应控制算法采用MCS自适应控制算法，可以根据所监测位置的结构振动信息可对管道结构整体进行减振控制，而在这一过程中无需了解系统任何参数，并且在数学模型不准确、系统非线性等状况下仍能保持很好的闭环性能。所述的高压电源可根据控制算法计算得到的控制力数据输出对应的激励电压信号至作动器，用于驱动作动器输出对应的控制力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其一：本发明基于结构振动的自动控制原理，设计的管道减隔振装置形状尺寸规整，结构简单，易于安装和维护。
其二：本发明将作动器用于管道的主动减隔振控制，相较于优化管道布局和增加结构刚度等管道减隔振方法，本发明适用于多种工程结构，响应速度快且减隔振效果好。
其三：本发明创新性地采用活动顶杆、高强弹簧、作动器外筒套的组合结构来传递作动器作用力，活动顶杆既可以有效传递控制力，也可以方便的调节安装位置，使得作动器上不会因为管道结构的向上振动而出现拉应力，并且高强弹簧与活动顶杆的组合可以有效抑制管道向上的振动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的侧视结构示意图；
图3为本发明上管道夹的结构示意图；
图4为本发明作动器外套的结构示意图；
图5为本发明下管道夹的结构示意图；
图6为本发明管道减隔震装置实施例结构布置的结构示意图；
图7为本发明实施例2的结构示意图；
图8为本发明多个减隔振支座时控制系统工作流程图。
图中：1-上管道夹、2-下管道夹、3-活动顶杆、4-高强弹簧、5-作动器、6-作动器外套、7-传感器、8-DSPACE设备、9-计算机、10-高压电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1-6和图8，本发明提供一种技术方案：一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，包括减隔振支座，所述减隔振支座由作动器外套6、管道夹、活动顶杆3、高强弹簧4、作动器5和传感器7组成，所述作动器外套6的内腔设有作动器5，所述作动器5的上侧设有高强弹簧4，所述高强弹簧4布置于活动顶杆3上且在活动顶杆3与作动器外套6之间，预压高强弹簧4使得活动顶杆3与作动器5充分顶紧以保证作动力的有效传递。布置高强弹簧4也可使压电叠堆不存在拉应力时减隔振装置仍可约束管道的向上振动，所述高强弹簧4内套设有活动顶杆3，所述作动器5的自由端球头与顶杆球头顶紧，所述作动器外套6的顶部设有管道夹，所述减隔振支座电性连接有控制系统；
所述控制系统由DSPACE设备8、计算机9、自适应控制算法和高压电源10组成，传感器记录并监测管道振动状态，将信号输出到DSPACE设备8后发送至计算机9，根据主动自适应控制算法计算得到所需的控制力，将所需控制力的电信号传输给作动器5，作动器5根据电信号输出的控制力作用在管道结构上，达到减隔振控制的作用。
具体而言，所述作动器外套6的底部设有螺栓孔，所述作动器5的侧壁设有若干加强肋，作动器外套6内径需略大于作动器5直径以方便安装；外套顶部预留有开洞，开洞直径小于作动器外套6内筒直径，用于布置活动顶杆3；外套底板预设有螺孔，可用于将作动器外套6固定在固定地面；作动器外套6外侧加设四道加强肋，以保证作动器外套6刚度。
具体而言，所述活动顶杆3为高强材料一次性铸造而成，高强材料可为锰钢等。
具体而言，所述活动顶杆3的顶部呈球头状设置，所述活动顶杆3的作用是将作动器5控制力传递到管道夹，半球形一端置于作动器外套6内部，杆体位于作动器5与作动器外套6中间。不施加预压力顶住时，活动顶杆3可沿外套开洞自由滑动。活动顶杆3圆柱端预留螺纹，用于将活动顶杆3与管道夹固定。
具体而言，所述作动器5具体为一种压电叠堆作动器，在外部电压驱动下可输出控制所需作动力，具有精度高和控制精确等优点。
具体而言，所述的管道夹包括上管道夹1和下管道夹2，所述上管道夹1和下管道夹2之间通过螺栓固定，所述上管道夹1和下管道夹2的侧壁均设有加强肋，所述下管道夹2的中部设有活动顶杆固定孔，上管道夹1呈Ω形设置，下管道夹2呈一字形设置，并通过加强肋以保证刚度。
具体而言，所述自适应控制算法采用MCS自适应控制算法，可以根据所监测位置的结构振动信息可对管道结构整体进行减振控制，而在这一过程中无需了解系统任何参数，并且在数学模型不准确、系统非线性等状况下仍能保持很好的闭环性能。所述的高压电源10可根据控制算法计算得到的控制力数据输出对应的激励电压信号至作动器，用于驱动作动器输出对应的控制力。
工作原理：压电主动减减隔振器安装在管道与固定地面之间，活动顶杆3套上高强弹簧4预先装入外套筒中，再将压电叠堆自由端球头顶住顶杆球头置入外套筒中，使得压电叠堆自由端球头与顶杆球头顶紧。通过地面上预留的螺口将作动器以及作动器外套6筒固定在地面上。活动顶杆3的尾端预先留有螺纹，将其拧入管道夹下部对应的预留螺纹口，安装时可通过拧动螺杆调整长度或更换高强弹簧4，施予作动器5足够的预压力，保持活动顶杆3与作动器5良好接触，也方便拆卸。管道夹两部分分别从两侧对齐并夹紧管道，通过旋紧管道夹上下两部分两侧上预留的螺杆钳制住管道，这就完成了减隔振支座的安装。系统工作前采用数据线依次连接传感器7、DSPACE设备8、计算机9、高压电源10与作动器。MCS自适应控制算法预先通过MATLAB软件构造并编译入DSPACE控制软件中。装配过程中，应保证减隔振器安装在管道结构的质心，且务必保证与管道结构垂直。
本发明所设计的减隔振器可在某一点处有效的控制一个方向上的振动，在实际工程中，根据主动减隔振控制的需求可安装一个或者并列多个减隔振支座以控制不同方向及不同角度的结构振动。
在进行减隔振支座主动控制时，管道在气液压力脉动作用下发生振动，传感器7记录到管道振动状态并传递给控制系统。若管道在外激励作用下发生向上的位移，此时高强弹簧4提供向下的弹力阻止管道结构的向上运动，防止活动顶杆3与作动器5脱离；当管道在外激励作用下产生向下的振动响应时，传感器7将观测到的管道运动信号传递至DSPACE设备8，经过信号处理后输出至MCS自适应控制算法，计算机9比较实际测得管道振动状态与预期的管道减振目标，得到两者差值，MCS自适应算法根据差值计算得到对应的反馈增益，求得为达到减震效果所需的控制力信号，高压电源10根据控制力信号输出对应电压激励至作动器5，压电叠堆作器能够产生目标作动力，抑制管道向下振动，以达到控制系统预期的振动控制效果。
实施例二
请参阅图7，一种管道减隔振装置施工方法。当管道结构跨度较大时，仅一点处布置减减隔振支座仅能控制住某一点处管道振动，而对管道整体控制效果较差，很难达到所需的控制效果，此时可连续布置多个减隔振支座在管道下方。当布置多个并列的减隔振支座时，多个传感器7将各位置的管道运动状态信息通过多通道输入至DSPACE设备8，计算机9对比个位置实测振动状态与预期减振状态，得到各位置误差输入。将误差信号输入MCS自适应算法进行运算，即可求得为达到目标减振效果所需的各位置控制力，通过高压电源10不同通道输出对应电压信号到每个作动器5，以此多个减隔振支座可有效的控制管道结构整体的振动。
实施例三
一种管道减隔振装置施工方法，其结构与实施例二类似，所不同的是，当管道存在转角时，单一方向的减隔振支座无法控制管道转角导致的多个方向振动，此时可在管道转角位置两个方向布置有减隔振支座，两方向的减隔振支座传感器7记录管道结构在两个方向上的振动状态，并将状态信息传递给控制系统，根据控制算法计算得的控制力可有效控制管道结构在两个方向上的振动。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：包括减隔振支座，所述减隔振支座由作动器外套(6)、管道夹、活动顶杆(3)、高强弹簧(4)、作动器(5)和传感器(7)组成，所述作动器外套(6)的内腔设有作动器(5)，所述作动器(5)的上侧设有高强弹簧(4)，所述高强弹簧(4)内套设有活动顶杆(3)，所述作动器(5)的自由端球头与顶杆球头顶紧，所述作动器外套(6)的顶部设有管道夹，所述减隔振支座电性连接有控制系统；
所述控制系统由DSPACE设备(8)、计算机(9)、自适应控制算法和高压电源(10)组成，传感器记录并监测管道振动状态，将信号输出到DSPACE设备(8)后发送至计算机(9)，根据主动自适应控制算法计算得到所需的控制力，将所需控制力的电信号传输给作动器(5)，作动器(5)根据电信号输出的控制力作用在管道结构上。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：所述作动器外套(6)的底部设有螺栓孔，所述作动器(5)的侧壁设有若干加强肋。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：所述活动顶杆(3)为高强材料一次性铸造而成。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：所述活动顶杆(3)的顶部呈球头状设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：所述作动器(5)具体为一种压电叠堆作动器。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：所述的管道夹包括上管道夹(1)和下管道夹(2)，所述上管道夹(1)和下管道夹(2)之间通过螺栓固定，所述上管道夹(1)和下管道夹(2)的侧壁均设有加强肋，所述下管道夹(2)的中部设有活动顶杆固定孔。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电叠堆驱动的管道主动减隔振装置及控制系统，其特征在于：所述自适应控制算法采用MCS自适应控制算法。
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