CN111271409A - 用于减振并能改变结构刚度的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于减振并能改变结构刚度的系统,该装置分为三个主要部分：控制部分、电流传输部分、磁流片体。控制部分包括振动传感器、控制单元、继电器、电源、熔断器；电流传输部分包括电源、熔断器、继电器对应开关、电磁棒。磁流变片包括导磁橡胶、置于导磁橡胶层内部磁流变液。磁流变片通过安装架和辅助安装架安装和定位在塔筒上。电磁棒由铁片、金属弹簧、导线组成，横向绕于磁流变片外部。当为电磁棒通电时电磁棒施放磁场，磁流变片在磁场作用下刚度增加，表现出固体性质。可根据需要为结构整体增加刚度，且这种变化是迅速的、可逆的。本发明装置能通过为装置通电来加设磁场进而增加结构刚度，有效克服振动和共振问题。

Description

用于减振并能改变结构刚度的系统

技术领域

本发明涉及一种结构的智能系统装置，特别是涉及一种智能磁流变液装置，应用于智能材料和智能结构以及减振技术领域。

背景技术

随着材料科学和控制理论的不断发展，结构的智能系统得到了很大的应用。因为很多机械所处的工作环境是复杂多变的，风作为一种流体，比如风力发电机，因为其工作环境在流体中，风的方向和大小在不同的地理环境和气候环境中的表现不同，且风有突变性，对风力机结构的要求很高。所以如何对风力发电机等此类工作环境多变的机械装置实施更好的控制，便成为了很多科研人员面临的问题。其中近年来流行的智能控制便是其中一个研究热点：智能控制系统包含信号输入、信号处理、执行装置三部分，其核心思想在于对所控制的目标的对象进行实时读取工作状态并且将此输入信号通过控制器处理，而后驱动执行装置对实时信号做出相应动作。本发明所描述的控制装置便是此类智能控制系统的一类延伸。

传统机械的本身刚度是不可变的，在遇到工况突变时往往不能做出及时、有效的响应。例如风力机机组，当遭遇极端条件或者大风速工况时，机组的塔筒等部分振动频率和振幅超过本身可承受范围，而这种振动或传递给机组的别的部分，同时也可能机组别的部分在风力作用下发生振动，造成机组的破坏。同时还应注意到，风力机叶片在旋转时所产生的力是不平衡的，也就是说叶轮的工作会给塔筒带来不平衡力的作用，使得塔筒发生振动。

因此对于本发明所涉及的塔筒工况而言主要有二：第一是叶片承载以后传播到塔筒的振动；第二是塔筒直接在机组外部作用力下产生的振动，比如风力，具体而言：

除了叶轮对于塔筒的作用外，由于塔筒在机组工作过程中同时还受到重力和风载的作用，本身会发生振动，而且风载是方向和大小多变的一种动载荷，所以当这种振动的幅度过大或者振动频率与机组某一部分的主要是低阶固有频率的固有频率相近时，风力发电机机组极易发生破坏。这是传统刚度不可变的构件的无法克服的缺陷。

所述的振动形式和系统刚度、阻尼息息相关。刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。材料的刚度通常用弹性模量来衡量。在宏观弹性范围内，刚度是零件荷载与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。所以在振动抑制方面，采取增加叶片和塔筒以及其他可变刚度组件的刚度的方式，是一种可取的办法。

智能材料近年来得到很大发展，其中用于智能控制领域的材料有形状记忆聚合物、压电材料、磁致伸缩材料、电流变液、磁流变液等，在一些实验和先进领域，相关科研人员已经将这些材料通过各种不同的形式付诸实践。磁流变液是一种材料性能良好、研究成熟的新型材料，在阻尼器、制动装置、离合器等方面已经有了一些应用。

磁流变液有以下性质：磁流变液在无磁场作用的情况下，它表现为一般流体的性质；当施加外加磁场时，表现为刚度随外加磁场的增加，其变化特点是变化速度快，接近毫秒级；变化范围宽，且变化过程可逆，即去除外加磁场之后磁流变液又变化为一般流体，这种特点称为磁流变效应。

传统机械，特别是一些流体机械，未采用智能控制策略和智能材料装置，在工作过程中会受到大小、方向不断变化的载荷时会造成机械本身的振动，而这种振动对于机械本身伤害极大。在这种情形下，若制造时便采取高强度、高刚度的结构，虽然可以抵抗振动，但是同时也极大增加成本。若初期制造结构强度、刚度较小，机械结构本身抵抗振动的能力较弱，在工作过程中容易遭到破坏。这是刚度、强度不可变的机械结构的缺点，而且工作环境不具有普适性，需要根据工况的改变生产不同的对应机械结构，极大的增加成本和被破坏的可能性。以风力发电机举例：风况各地不同且即使一个地理区域内的不同时间不同季节，风的大小、方向、持续时间是不同的，但若因此而生产多种不同的机型和叶片和塔筒类型，必定极大的增加设计成本、组件制作成本、模具成本、安装运输成本和维护成本，也限制了风力机的推广和相关技术的发展。以此，开发一种为结构减振的装置成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种用于减振并能改变结构刚度的系统，采用磁流变液作为刚度改变装置的主要作用部分，为克服上述结构与振动问题，本发明采用基于磁流变效应的可变刚度装置，可内置于结构内部，通过为装置通电来加设磁场进而增加结构刚度，有效克服振动和共振问题。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于减振并能改变结构刚度的系统，包括控制部分、电流传输部分、磁流片体；

控制部分包括传感器、控制单元、继电器、控制电路电源、控制电路熔断器；控制单元、控制电路电源、继电器、控制电路熔断器串联组成控制电路；所述传感器的振动测试端安装在待检测的结构部位，所述传感器为振动传感器，能感知振动信号；

电流传输部分包括电流传输电路电源、电流传输电路熔断器、电磁棒，并组成串联的电流传输串联电路，继电器对应开关设置于电流传输电路中，并能与控制部分的继电器进行电路通断切换；

电磁棒由铁片、金属弹簧、导线组成，导线缠绕在铁片表面上，铁片两端开孔，金属弹簧的两端分别与相邻的铁片端部连接，使一系列铁片通过多个金属弹簧相连后，形成电磁棒，电磁棒平行缠绕固定在磁流变片的外部表面上，使不同的电磁棒沿伸展向分布在磁流变片的表面上，且不同的电磁棒彼此之间以连接导线相连组成电磁绕组，电磁绕组缠绕在磁流变片上，构成电磁带；磁流变片以导磁橡胶为外壁，磁流变片内部有容腔，在容腔中灌注磁流变液，使导磁橡胶层内部设置磁流变液，组成磁流变体；将磁流变体固定设置于需要减振的结构表面或者内部，定进行定位安装，使磁流变体与需要减振的结构形成一体化结构；

当所述传感器检测到结构的振动信号后，将振动信号经过控制单元的处理后，发送执行电信号，电信号通过继电器通电，以控制相应的继电器对应开关导通的方式，使得控制部分与电流传输部分相联系，电流传输部分输出电流使电磁棒得电，为磁流变片施加磁场；使磁流变片在磁场作用下因磁流变效应而增加刚度，表现出固体性质，进而增加磁流变片安装位置处的结构部分的局部刚度；当传感器检测到结构的振动信号参数低于设定值时，控制单元断开相应的继电器对应开关，当磁场消除后磁流变液又恢复到原始状态，从而使磁流变片刚度能降低并恢复到初始状态，从而实现磁流变片对结构的相应位置的刚度改变的快速可逆调控，根据需要为结构整体或局部增加刚度。

作为本发明优选的技术方案，磁流变片上下各有一个安装架，将磁流变片置于安装架中，并且压紧磁流变片，安装架上有螺纹孔，螺纹孔与结构本体进行螺纹连接固连到一起。

作为本发明优选的技术方案，安装架的形状为：主体为一中间剖开的无盖无底的扁箱体，左右两侧各焊接一块铁板，将磁流变片置于当中；安装架左右两侧的铁板上各有至少一个螺纹孔，与结构本体进行螺纹连接固定，从而使得磁流变片固定在结构本体上的对应位置处，另外设置定位孔和定位销的相互配合来对磁流变片进行定位。

作为本发明优选的技术方案，磁流变片通过安装架和辅助定位架进行联合固定，辅助定位架用于磁流变片的中部位置或其他位置，在安装架或辅助定位架上设有定位孔，定位销穿过定位孔和磁流变片，将磁流变片紧固安装在结构本体表面上。

作为本发明优选的技术方案，磁流变片上开有8个定位孔，分别是靠近一端3个、中间2个、靠近另一端3个；安装架上设置3个定位销进行定位；辅助定位架上设置2个定位销进行辅助定位，安装架安装在靠近磁流变片的两端位置处各一个，安装架两端有螺纹孔各1个与结构本体进行螺纹连接，每个安装架分别设有3个定位销于磁流变片上靠近端部的的3个定位孔进行连接，利用定位销穿过定位孔从而对磁流变片进行定位；辅助定位架的中间有2个定位销分别于磁流变片上的中间部位的2个定位孔进行连接，利用定位销穿过定位孔从而对磁流变片进行辅助定位，辅助定位架两端也有螺纹孔各1个与结构本体进行螺纹连接。

作为本发明优选的技术方案，为了便于装卸磁流变片，磁流变片两端的片体呈扁圆台形式，在磁流变片端部的扁圆台处缠绕的电磁棒弯折以配合片体端部形状进行绕组结构设置。

作为本发明优选的技术方案，所述磁流变片采用：以含有金属颗粒的导磁橡胶为外壁，内部灌注磁流变液。

作为本发明优选的技术方案，将传感器安装在结构本体上，通过免胶钉粘在结构本体表面；控制部分安装在结构本体上的电控板放置位置处；电流传输部分安装在结构本体的装置安装位置处，并为电磁棒通电。

作为本发明优选的技术方案，控制单元采取智能控制算法，对在相应的磁流变片施加的磁场进行可变调控，进而实现根据需要为结构整体或局部增加刚度。

作为本发明优选的技术方案，智能控制算法的可编程控制中的控制过程如下：

首先定义滑模函数为s＝B^TPx，x是通过传感器检测到的塔筒的横向振动与切向振动的速度与位移向量；其中P为4阶对称正定方阵，采用线性不等式方法设计P矩阵内值进而确定滑模函数，将控制律定为：

u(t)＝-Kx+v(t)

控制输出矩阵B决定通过可编程控制器的输出端输出电压，考虑控制输出矩阵B与待设计矩阵P，而有：

v(t)＝Kx-(B^TPB)^-1B^TPΛx(t)-

(B^TPB)^-1[|B^TPB|σ_f+ε₀]sgn(s)

σ_f、ε₀为常数，确定系统的不确定性控制量和干扰，sgn(s)为符号函数，时域内塔筒振动行为的数学方程改写为：

其中

A是系统的状态空间表现形式的系数矩阵，v为控制函数，f(x，y)为有界的干扰函数；求取K使

是赫尔维茨矩阵且系统具有闭环稳定性；取Lyapunov函数为：V＝x^TPx，则：

通过控制律，必存在某一时刻使得滑模函数为零成立，如下：

为满足

常负，须使

取H＝P^-1，N＝KH且满足P的对称正定性：

ΛH-BN+HΛ^T-N^TB^T＜0

选取滑模厚度，考虑到塔筒的振幅较小，取不确定干扰为一小振幅余弦信号作为设计时的参考值，在具体设计时需要考虑风力机的工况条件；通过线性不等式计算，求得矩阵P与K，再反带回上述方程求得输出控制量的具体数值；并且证明此种取值下带入

是赫尔维茨矩阵；由此，经过基于线性不等式的滑模控制以后，对结构的振动实现控制，减小塔筒的振动幅值和频率，达到减振效果。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明提出了一种利用磁流变效应改变结构刚度的装置，进而为机械结构整体减少振动并且避开共振频率的新系统；该装置能耗小、系统简单且容易实现、响应速度快、适用范围广，并且可以通过滑模控制动态地对系统刚度进行控制；

2.本发明本发明采用磁流变液作为刚度改变装置的主要作用部分，可以增加结构的刚度，从而减小振动；还能通过基于控制算法的刚度的动态改变从而避免共振的发生；

3.本发明通过智能调控为电磁棒通电，来改变电磁棒施放磁场，磁流变片在磁场作用下刚度增加，表现出固体性质。可以根据需要为结构整体增加刚度，且这种变化是迅速的、可逆的；

4.本发明装置结构简单，成本低，减振和消除共振的效果好，使用方便。

附图说明

图1为本发明实施例一的控制部分和电流传输部分的结构示意图。

图2为本发明实施例一的电磁棒结构示意图。

图3为本发明实施例一的电磁棒和磁流变片的结构示意图。

图4为本发明实施例一的工作流程示意图。

图5为本发明实施例二的安装架结构示意图。

图6为本发明实施例二的系统安装示意图。

图7为本发明实施例二的传感器与装置位置示意图。

图8为本发明实施例二的辅助定位架示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1-图4。一种用于减振并能改变结构刚度的系统，包括控制部分、电流传输部分、磁流片体；

控制部分包括传感器1、控制单元2、继电器5、控制电路电源4、控制电路熔断器3；控制单元2、控制电路电源4、继电器5、控制电路熔断器3串联组成控制电路；所述传感器1的振动测试端安装在待检测的结构部位，所述传感器1为振动传感器，能感知振动信号；

电流传输部分包括电流传输电路电源7、电流传输电路熔断器9、电磁棒8，并组成串联的电流传输串联电路，继电器对应开关6设置于电流传输电路中，并能与控制部分的继电器5进行电路通断切换；在电流传输部分的电路中，由电流传输电路电源7供电，电流传输电路熔断器9起到保护电流传输电路的作用，防止短路。继电器对应开关6、电流传输电路电源7、电磁棒8、电流传输电路熔断器9如图1所示连接方式使用连接线依次相连；

电磁棒8由铁片10、金属弹簧11、导线12组成，导线12缠绕在铁片10表面上，铁片10两端开孔，金属弹簧11的两端分别与相邻的铁片10端部连接，使一系列铁片10通过多个金属弹簧11相连后，形成电磁棒8，电磁棒8平行缠绕固定在磁流变片13的外部表面上，使不同的电磁棒8沿伸展向分布在磁流变片13的表面上，且不同的电磁棒8彼此之间以连接导线15相连组成电磁绕组14，电磁绕组14缠绕在磁流变片13上，构成电磁带；磁流变片13以导磁橡胶为外壁，磁流变片13内部有容腔，在容腔中灌注磁流变液，使导磁橡胶层内部设置磁流变液，组成磁流变体；将磁流变体固定设置于需要减振的结构表面或者内部，定进行定位安装，使磁流变体与需要减振的结构形成一体化结构；

当所述传感器1检测到结构的振动信号后，将振动信号经过控制单元2的处理后，发送执行电信号，电信号通过继电器5通电，以控制相应的继电器对应开关6导通的方式，使得控制部分与电流传输部分相联系，电流传输部分输出电流使电磁棒8得电，为磁流变片13施加磁场；使磁流变片13在磁场作用下因磁流变效应而增加刚度，表现出固体性质，进而增加磁流变片13安装位置处的结构部分的局部刚度；当传感器1检测到结构的振动信号参数低于设定值时，控制单元2断开相应的继电器对应开关6，当磁场消除后磁流变液又恢复到原始状态，从而使磁流变片13刚度能降低并恢复到初始状态，从而实现磁流变片13对结构的相应位置的刚度改变的快速可逆调控，根据需要为结构整体或局部增加刚度。

在本实施例中，参见图2和图3，为了便于装卸磁流变片13，磁流变片13两端的片体呈扁圆台形式，在磁流变片13端部的扁圆台处缠绕的电磁棒8弯折以配合片体端部形状进行绕组结构设置。所述磁流变片13采用：以含有金属颗粒的导磁橡胶为外壁，内部灌注磁流变液。

在本实施例中，在图2中看到，电磁棒8由铁片10、金属弹簧11和缠绕在表面的导线12组成，铁片10两端开孔，由金属弹簧11相连，6个铁片由金属弹簧相连后，其上缠绕导线组成电磁棒，这样的结构能加强磁场，电磁棒8通过免钉胶粘贴在磁流变片13的表面。所以电磁棒8得电后可以施放磁场。

在本实施例中，在图3中可看到，6条电磁棒沿展向分布，且彼此之间以导线15相连组成电磁绕组14，电磁绕组14缠绕在磁流变片13上，构成电磁带。磁流变片13由导磁橡胶为外壁，内部有容腔，外壁的厚度视工况和具体条件而定，优选设置整个片体厚度的十分之一。导磁橡胶是普通橡胶在加工时填充金属粉，用以导磁。导磁橡胶内部的磁流变片腔体灌注磁流变液。在图4中可以看到工作流程图。磁流变片13包括导磁橡胶、置于导磁橡胶层内部的是磁流变液。电磁棒8由铁片10、金属弹簧11、导线12组成，横向绕于磁流变片13外部。本系统工作时，能进行振动感知的传感器1感知信号，信号经过控制单元2的处理，发送执行电信号，电信号通过继电器5通电而相应继电器开关6导通的方式，使得控制部分与电流传输部分相联系，电流传输部分输出电流使电磁棒8得电为磁流变片13施加磁场，因为采取智能控制算法，因此此处的施加的磁场是可变的。磁流变片13在磁场作用下因磁流变效应而增加刚度，进而改变安装本装置的机械结构的刚度。将磁流变片13进行压紧预结构本体进行一体化紧固安装，为了便于安装，磁流变片13两端的片体呈扁圆台形式，在此处缠绕的电磁棒8能弯折以配合片体形状。

本实施例装置利用磁流变效应改变结构刚度，进而为机械结构整体减少振动并且避开共振频率的新系统；该装置能耗小、系统简单且容易实现、响应速度快、适用范围广，并且可以通过滑模控制动态地对系统刚度进行控制。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图7所示，将实施例一的用于减振并能改变结构刚度的系统安装在风力发电机的塔筒上，将传感器1安装在塔筒结构本体上，通过免胶钉粘在塔筒结构本体表面；控制部分安装在塔筒结构本体上的电控板放置位置19处；电流传输部分安装在塔筒结构本体的装置安装位置18处，并为电磁棒8通电。

在本实施例中，如图5和图6所示，在靠近磁流变片13两端各设置一个安装架16，将磁流变片13置于安装架16中，并且压紧磁流变片13，安装架16上有螺纹孔17，螺纹孔17与结构本体进行螺纹连接固连到一起。安装架16的形状为：主体为一中间剖开的无盖无底的扁箱体，左右两侧各焊接一块铁板，将磁流变片13置于当中；安装架16左右两侧的铁板上各有至少一个螺纹孔17，与结构本体进行螺纹连接固定，从而使得磁流变片13固定在结构本体上的对应位置处，另外设置定位孔20和定位销21的相互配合来对磁流变片13进行定位。

在本实施例中，如图8所示，磁流变片13通过安装架16和辅助定位架22进行联合固定，辅助定位架22用于磁流变片13的中部位置或其他位置，在安装架16或辅助定位架22上设有定位孔20，定位销21穿过定位孔20和磁流变片13，将磁流变片13紧固安装在结构本体表面上。

在本实施例中，如图5-图8所示，磁流变片13上开有8个定位孔，分别是靠近一端3个、中间2个、靠近另一端3个；安装架16上设置3个定位销21进行定位；辅助定位架22上设置2个定位销21进行辅助定位，安装架16安装在靠近磁流变片13的两端位置处各一个，安装架16两端有螺纹孔17各1个与风力发电机的塔筒结构本体进行螺纹连接，每个安装架16分别设有3个定位销21于磁流变片13上靠近端部的的3个定位孔20进行连接，利用定位销21穿过定位孔20从而对磁流变片13进行定位；辅助定位架22的中间有2个定位销21分别于磁流变片13上的中间部位的2个定位孔20进行连接，利用定位销21穿过定位孔20从而对磁流变片13进行辅助定位，辅助定位架22两端也有螺纹孔17各1个与风力发电机的塔筒结构本体进行螺纹连接。辅助定位架22如图8所示。

从图5和图6可以看出，磁流变片13上下各设置一个安装架16，安装架16的三视图如图5所示，其形状为：主体为一中间剖开的无盖无底的扁箱体，两侧各焊接一块铁板，将磁流变片13置于当中。安装架16左右的铁板上各有一个螺纹孔17，同时安装时应在塔筒内部设置螺纹孔，与塔筒进行螺纹连接的固连，因此可以使得磁流变片13固定在塔筒内壁。另外有定位孔20和定位销21的相互配合来对磁流变片13进行定位。辅助定位架22的形状与安装架16形状皆为中间剖开的无盖无底的扁箱体并且两侧各焊接一块铁板，如图8所示。

所以当电磁棒8得电，进而组成的电磁绕组14施放强磁场，磁流变片13因内部磁流变液在磁场的作用下，其刚度可随磁场强度的增大而增大，呈类固体状，但当磁场消除后磁流变液又可恢复到原始状态。从图7能看到传感器1的安装方法，3个传感器1安装在塔筒外部，通过免胶钉粘在塔筒外部。同时能看到装置安装位置18的侧视图，两个磁流变片13在塔筒两侧各安装一个。电控板放置位置19也可以从图7中看到，安置在塔筒中间的平台或者台阶上。结合图1至图8和以上的描述可知本实施例装置的各部分结构与原理原理和完整的技术方案，磁流变片13通过安装架16和辅助定位架22及其定位孔20和定位销21，穿过磁流变片13而安装在塔筒内壁上。当为电磁棒13通电时，电磁,8施放磁场，磁流变片13在磁场作用下刚度增加，表现出固体性质。本实施例装置根据需要为风力发电机的塔筒结构整体增加刚度，且这种变化是迅速的、可逆的。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，控制单元2采取智能控制算法，对在相应的磁流变片13施加的磁场进行可变调控，进而实现根据需要为结构整体或局部增加刚度。智能控制算法的可编程控制中的控制过程如下：

首先定义滑模函数为s＝B^TPx，x是通过传感器检测到的塔筒的横向振动与切向振动的速度与位移向量；由于速度与位移两者是积分关系，即速度的时域积分就是位移，则能从一个量得到另一个量；其中P为4阶对称正定方阵，采用线性不等式方法设计P矩阵内值进而确定滑模函数，将控制律定为：

u(t)＝-Kx+v(t)；

控制输出矩阵B决定通过可编程控制器的输出端输出电压，考虑控制输出矩阵B与待设计矩阵P，而有：

v(t)＝Kx-(B^TPB)^-1B^TPΛx(t)-

(B^TPB)^-1[|B^TPB|σ_f+ε₀]sgn(s)

σ_f、ε₀为常数，确定系统的不确定性控制量和干扰，sgn(s)为符号函数，时域内塔筒振动行为的数学方程改写为：

其中

A是系统的状态空间表现形式的系数矩阵，v为控制函数，f(x，y)为有界的干扰函数；求取K使

是赫尔维茨矩阵且系统具有闭环稳定性；取Lyapunov函数为：V＝x^TPx，则：

通过控制律，必存在某一时刻使得滑模函数为零成立，如下：

为满足

常负，须使

取H＝P^-1，N＝KH且满足P的对称正定性：

ΛH-BN+HΛ^T-N^TB^T＜0；

根据工况选择，比如15m/s风速下的小型风力机此参数选择为0.05。选取滑模厚度，考虑到塔筒的振幅较小，取不确定干扰为一小振幅余弦信号作为设计时的参考值，在具体设计时需要考虑风力机的工况条件；通过线性不等式计算，求得矩阵P与K，再反带回上述方程求得输出控制量电压的具体数值；并且证明此种取值下带入

是赫尔维茨矩阵；由此，经过基于线性不等式的滑模控制以后，对结构的振动实现控制，减小塔筒的振动幅值和频率，达到减振效果。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，传感器1与控制单元2中的A/D转换模块以传感器自带的信号连接线相连，控制单元2中包括A/D转换模块、可编程控制器、D/A转换模块，图1所示连接方式，即为电路连接线设置和连接方式，A/D转换模块、可编程控制器、D/A转换模块间的连接线为模块自带的数据传输线。在控制电路中由控制电路电源4供电，熔断器3起到保护电路的作用，防止短路。一旦塔筒振动异常，传感器1检测的信号经过控制单元2的判断和滑模控制之后将电压信号输送给继电器5使之得电，如图1所示，熔断器3、继电器5、控制电路电源4、控制单元2首尾依次以导线相连组成控制部分回路，继电器5与继电器对应开关6配套相连，继电器5得电后继电器对应开关6导通，进而电磁棒8上的线圈绕组得电。并且根据控制输出的不同可以动态的改变输出量，进行动态地控制。

在本实施例中，所述控制单元2包括A/D转换模块、可编程控制器、D/A转换模块三个部分，传感器1通过自带数据线与A/D转换模块相连，A/D转换模块与可编程控制器相连，可编程控制器与D/A转换模块相连，这三者的连接线均为配套的数据连接线，产品购置时自带。传感器1检测到外部信号，获取了塔筒的振动幅值信号，此传感器信号通过传感器自带的信号连接线发送到与振动传感器相连的A/D转换模块，将模拟量信号即振动幅值信号转化为控制器可识别的数字信号，经过与A/D转换模块连接的控制器的处理之后，处理过程为：若判断振动幅度大于额定值，振动幅值为塔筒最小内径的百分之0.1，则开始滑模控制过程，控制后发送控制信号到输出点，使继电器对应触点导通，并且输出经过滑模控制以后的输出信号。控制器发送相应信号至与控制器相连的D/A转换模块，后者把控制器输出的的数字信号转换为电压。电压作用在与D/A转换模块相连的继电器上，继电器通电之后使得与其配套的继电器开关闭合，电流传输部分导通，可以施加经控制以后的输出信号，可动态变化的电压值。以上部件的连接顺序如上所述，A/D模块、可编程控制器、D/A模块间的连接线为模块自带的数据传输线，D/A模块与继电器之间通过导线相连。

在本实施例中，所选取的传感器1为振动传感器，振动传感器选择欧姆龙D7F-401型号；可编程控制器选用西门子S7-200型号；A/D模块与D/A模块各采用西门EM235拓展模块；其连接线为自带的数据连接线；继电器为普通电磁继电器，选用德力西公司生产的CDZ9-52P型号；电源为与西门子S7-200可编程控制器所配套的24V电源模块与普通电源组成；熔断器可以选用XRNT-1熔断器。导线即为普通电线。

在本实施例中，在电流传输部分，因继电器对应开关6导通，电源可以将电通过与之相连的继电器对应开关6施加电流到电磁棒8上，同时电流传输部分还包括与电磁棒8和电源相连起保护电路作用的电流传输电路熔断器9。电磁棒8起电磁线圈的功能，能通电而释放磁场。电磁棒8由数片铁片10和金属弹簧11、导线12组成，铁片10之间通过金属弹簧10相连组成，这样的设计是为了使该装置在不工作时不表现出很大的刚度且具有柔性，还能使电磁棒8紧贴磁流变片13；外部缠绕导线12。电磁棒8沿磁流变片13横向分布。电磁棒8在磁流变片13沿展向上分布6支，这6支电磁棒8两侧均通过连接导线15相连而产生电气联系，连接导线15粘贴在磁流变片13的外部。所述振动传感器视不同工作情况安装与不同检测位置，如该装置作用在风力机塔筒上时，振动传感器可安装在塔筒外侧，为了防止传感器检测失误，在塔筒外侧从上至下放置3个振动传感器，在信号判定时可取三个传感信号的均值。控制部分中控制单元包括A/D转换模块、可编程控制器、D/A转换模块，继电器安装于电控板上，控制部分通过继电器和继电器对应开关相联系，具体变现为继电器得电，继电器对应开关闭合。振动传感器将检测到的振动信号传递到控制单元进行判定和控制，控制方式选取基于线性不等式的滑模控制，经过控制以后，输出控制信号到电流输出部分，实现控制过程。电流传输部分包括的电流传输电路电源7、电流传输电路熔断器9、继电器对应开关6也安装在电控板上，电控板置于塔筒机械结构内部，当该装置安装在风力机塔筒内部，电控板安装在风力发电机塔筒内部的塔筒台阶或者塔筒平台上。

经过振动信号的输入以及控制系统的控制与判定以后，控制系统的输出端开始工作。经过可编程控制器控制控制后输出的信号，经过与之通过配套信号传输线相连的D/A转换模块，将较为微弱的控制信号转换为模拟量输出电压信号，从而使得继电器得电后，其在电流传输部分的开关闭合，从而导通电流输出部分，使得可编程控制器的电流输出信号能够作用在缠绕在电磁棒的导线上，从而电磁绕组得电。电磁棒8得电后为磁流变片施加磁场，磁流变片13内部的磁流变液因为磁流变效应，自身刚度增加，由液体开始变化，表现为类似固体的形式。磁流变片13包括导磁橡胶和磁流变液。导磁橡胶是普通橡胶在加工时填充金属粉，用以导磁。导磁橡胶层内灌注磁流变液。

实施例五：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，电流传输部分包括电流传输电路电源7、电流传输电路熔断器9、继电器对应开关6、电磁棒8，且依次以连接线相连，组成回路；靠近磁流变片13两端各有一个安装架16，中间有辅助定位架22，磁流变片13置于安装架16和辅助定位架22中，通过定位孔20和定位销21进行定位并且压紧，安装架16和辅助定位架22上有螺纹孔17，螺纹孔17与风力发电机的塔筒塔筒内壁进行螺纹连接固连到一起。安装架16和辅助定位架22为弧形架结构，结构简单，易于安装、替换和拆卸维护。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明用于减振并能改变结构刚度的系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：包括控制部分、电流传输部分、磁流片体；

控制部分包括传感器(1)、控制单元(2)、继电器(5)、控制电路电源(4)、控制电路熔断器(3)；控制单元(2)、控制电路电源(4)、继电器(5)、控制电路熔断器(3)串联组成控制电路；所述传感器(1)的振动测试端安装在待检测的结构部位，所述传感器(1)为振动传感器，能感知振动信号；

电流传输部分包括电流传输电路电源(7)、电流传输电路熔断器(9)、电磁棒(8)，并组成串联的电流传输串联电路，继电器对应开关(6)设置于电流传输电路中，并能与控制部分的继电器(5)进行电路通断切换；

电磁棒(8)由铁片(10)、金属弹簧(11)、导线(12)组成，导线(12)缠绕在铁片(10)表面上，铁片(10)两端开孔，金属弹簧(11)的两端分别与相邻的铁片(10)端部连接，使一系列铁片(10)通过多个金属弹簧(11)相连后，形成电磁棒(8)，电磁棒(8)平行缠绕固定在磁流变片(13)的外部表面上，使不同的电磁棒(8)沿伸展向分布在磁流变片(13)的表面上，且不同的电磁棒(8)彼此之间以连接导线(15)相连组成电磁绕组(14)，电磁绕组(14)缠绕在磁流变片(13)上，构成电磁带；磁流变片(13)以导磁橡胶为外壁，磁流变片(13)内部有容腔，在容腔中灌注磁流变液，使导磁橡胶层内部设置磁流变液，组成磁流变体；将磁流变体固定设置于需要减振的结构表面或者内部，定进行定位安装，使磁流变体与需要减振的结构形成一体化结构；

当所述传感器(1)检测到结构的振动信号后，将振动信号经过控制单元(2)的处理后，发送执行电信号，电信号通过继电器(5)通电，以控制相应的继电器对应开关(6)导通的方式，使得控制部分与电流传输部分相联系，电流传输部分输出电流使电磁棒(8)得电，为磁流变片(13)施加磁场；使磁流变片(13)在磁场作用下因磁流变效应而增加刚度，表现出固体性质，进而增加磁流变片(13)安装位置处的结构部分的局部刚度；当传感器(1)检测到结构的振动信号参数低于设定值时，控制单元(2)断开相应的继电器对应开关(6)，当磁场消除后磁流变液又恢复到原始状态，从而使磁流变片(13)刚度能降低并恢复到初始状态，从而实现磁流变片(13)对结构的相应位置的刚度改变的快速可逆调控，根据需要为结构整体或局部增加刚度。

2.根据权利要求1所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：靠近磁流变片(13)两端各设置一个安装架(16)，将磁流变片(13)置于安装架(16)中，并且压紧磁流变片(13)，安装架(16)上有螺纹孔(17)，螺纹孔(17)与结构本体进行螺纹连接固连到一起。

3.根据权利要求2所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：安装架(16)的形状为：主体为一中间剖开的无盖无底的扁箱体，左右两侧各焊接一块铁板，将磁流变片(13)置于当中；安装架(16)左右两侧的铁板上各有至少一个螺纹孔(17)，与结构本体进行螺纹连接固定，从而使得磁流变片(13)固定在结构本体上的对应位置处，另外设置定位孔(20)和定位销(21)的相互配合来对磁流变片(13)进行定位。

4.根据权利要求2所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：磁流变片(13)通过安装架(16)和辅助定位架(22)进行联合固定，辅助定位架(22)用于磁流变片(13)的中部位置或其他位置，在安装架(16)或辅助定位架(22)上设有定位孔(20)，定位销(21)穿过定位孔(20)和磁流变片(13)，将磁流变片(13)紧固安装在结构本体表面上。

5.根据权利要求4所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：磁流变片(13)上开有8个定位孔，分别是靠近一端3个、中间2个、靠近另一端3个；安装架(16)上设置3个定位销(21)进行定位；辅助定位架(22)上设置2个定位销(21)进行辅助定位，安装架(16)安装在靠近磁流变片(13)的两端位置处各一个，安装架(16)两端有螺纹孔(17)各1个与结构本体进行螺纹连接，每个安装架(16)分别设有3个定位销(21)于磁流变片(13)上靠近端部的的3个定位孔(20)进行连接，利用定位销(21)穿过定位孔(20)从而对磁流变片(13)进行定位；辅助定位架(22)的中间有2个定位销(21)分别于磁流变片(13)上的中间部位的2个定位孔(20)进行连接，利用定位销(21)穿过定位孔(20)从而对磁流变片(13)进行辅助定位，辅助定位架(22)两端也有螺纹孔(17)各1个与结构本体进行螺纹连接。

6.根据权利要求2所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：为了便于装卸磁流变片(13)，磁流变片(13)两端的片体呈扁圆台形式，在磁流变片(13)端部的扁圆台处缠绕的电磁棒(8)弯折以配合片体端部形状进行绕组结构设置。

7.根据权利要求1所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：所述磁流变片(13)采用：以含有金属颗粒的导磁橡胶为外壁，内部灌注磁流变液。

8.根据权利要求1所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：将传感器(1)安装在结构本体上，通过免胶钉粘在结构本体表面；控制部分安装在结构本体上的电控板放置位置(19)处；电流传输部分安装在结构本体的装置安装位置(18)处，并为电磁棒(8)通电。

9.根据权利要求1所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：控制单元(2)采取智能控制算法，对在相应的磁流变片(13)施加的磁场进行可变调控，进而实现根据需要为结构整体或局部增加刚度。

10.根据权利要求9所述用于减振并能改变结构刚度的系统，其特征在于：智能控制算法的可编程控制中的控制过程如下：

首先定义滑模函数为s＝B^TPx，x是通过传感器检测到的塔筒的横向振动与切向振动的速度与位移向量；其中P为4阶对称正定方阵，采用线性不等式方法设计P矩阵内值进而确定滑模函数，将控制律定为：

u(t)＝-Kx+v(t)

控制输出矩阵B决定通过可编程控制器的输出端输出电压，考虑控制输出矩阵B与待设计矩阵P，而有：

v(t)＝Kx-(B^TPB)^-1B^TPΛx(t)-(B^TPB)^-1[|B^TPB|σ_f+ε₀]sgn(s)

σ_f、ε₀为常数，确定系统的不确定性控制量和干扰，sgn(s)为符号函数，时域内塔筒振动行为的数学方程改写为：

其中

A是系统的状态空间表现形式的系数矩阵，v为控制函数，f(x，y)为有界的干扰函数；求取K使

是赫尔维茨矩阵且系统具有闭环稳定性；取Lyapunov函数为：V＝x^TPx，则：

通过控制律，必存在某一时刻使得滑模函数为零成立，如下：

为满足

常负，须使

取H＝P^-1，N＝KH且满足P的对称正定性：

ΛH-BN+HΛ^T-N^TB^T＜0

选取滑模厚度，考虑到塔筒的振幅较小，取不确定干扰为一小振幅余弦信号作为设计时的参考值，在具体设计时需要考虑风力机的工况条件；通过线性不等式计算，求得矩阵P与K，再反带回上述方程求得输出控制量的具体数值；并且证明此种取值下带入

是赫尔维茨矩阵；由此，经过基于线性不等式的滑模控制以后，对结构的振动实现控制，减小塔筒的振动幅值和频率，达到减振效果。

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