CN111336210B - 一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用 - Google Patents

一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用。该装置包括：并联于簧上元件与簧下元件之间的负刚度元件和可变阻尼元件，用于测量簧上元件振动并传递振动信息的传感器一，用于测量簧下元件或基底振动并传递振动信息的传感器二，以及控制器；所述控制器接收传感器一和传感器二的振动信息，依据结构自身属性参数和控制算法调节负刚度元件的刚度系数与可变阻尼元件的阻尼系数，使负刚度元件与可变阻尼元件的合力实现理论最优控制力。本发明利用负刚度解决半主动控制无法提供方向与振动速度方向相同的控制力的问题，从而完整的执行控制算法出所计算出的理论最优控制力，获得与主动控制一样的振动控制效果。

Description

一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及 应用
技术领域
本发明涉及振动控制领域，具体地说是一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用。
背景技术
动态荷载可以造成很多危害，小至降低车辆的舒适度，大至地震造成的结构损坏坍塌。为保护主体结构降低动态荷载所引起的振动，各类振动控制技术应运而生。振动控制技术可以大致分为被动、半主动和主动三大模式。
被动控制不需要传感器和电源，但其控制力仅由结构自身响应决定，结构动能通过阻尼力耗散。常见的被动控制装置包括粘滞阻尼器、摩擦阻尼器、电涡流阻尼器、调谐质量阻尼器等。在保护主体结构时，被动控制通常仅针对某一种特定荷载进行设计，面临多种荷载时，其振动控制效果无法同时达到最优，例如，针对强地震设计的阻尼器，其性能在中震和低震情况下会降低。
主动控制需要传感器收集信息，控制器依据传感器测量信息和控制算法计算最优控制力，执行器施加控制力。相比于被动阻尼器，主动控制技术理论上可以取得更好的振动控制效果。然而，主动控制的控制力需要外部供给能量产生，所以耗能高，且在故障时可能会影响系统的稳定性，同时主动控制的可靠性及鲁棒性较低，所以在振动控制领域仍未被广泛采用。
半主动控制可以被认为是可控的被动装置。与主动控制相比，半主动控制不会给系统输入能量，因此，其能量需求要远远低于主动控制。常见的半主动控制装置包括可变孔阻尼器，变摩擦阻尼器电流变(ER)液体及磁流变(MR)液体阻尼器等。由于半主动控制只能提供方向与振动速度方向相反的阻尼力，无法提供方向与振动速度方向相同的控制力，所以无法完整的执行控制算法出所计算出的理论最优控制力，所以其振动控制效果不如主动控制。
发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用，通过调节负刚度元件与可变阻尼元件，该方法可以获得与主动控制相同的振动控制效果，且与主动控制相比，具有成本低、可靠性高、耗能低等优点。
本发明的理论依据如下：
过往研究中发现，线性二次调节器(LQR)算法作为一种普遍采用的最优控制理论，可以产生一种具有显著负刚度特性的控制力-变形关系。受这一结论激发，本发明基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，将负刚度与半主动控制结合在一起，利用负刚度解决半主动控制无法提供方向与振动速度方向相同的阻尼力的问题，从而完整的执行控制算法所计算出的理论最优控制力，获得与主动控制一样的振动控制效果，但与主动控制相比，又具有可靠性高，成本低、耗能小，不会影响系统稳定性的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1、本发明提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，包括：
并联于簧上元件与簧下元件之间的负刚度元件和可变阻尼元件，
用于测量簧上元件振动并传递振动信息的传感器一，
用于测量簧下元件或基底振动并传递振动信息的传感器二，
以及控制器；
所述控制器接收传感器一和传感器二的振动信息，依据结构自身属性参数和控制算法调节负刚度元件的刚度系数与可变阻尼元件的阻尼系数，使负刚度元件与可变阻尼元件的合力实现理论最优控制力。
作为本发明进一步改进的，所述负刚度元件是利用磁铁间斥力、预屈曲梁突变特性或预应力弹簧的负刚度元件。
作为本发明进一步改进的，所述可变阻尼元件具有阻尼系数，且阻尼系数在最小阻尼系数与最大阻尼系数间实时调节。
作为本发明进一步改进的，所述可变阻尼元件是利用可变孔径液体阻尼器、电流变液体阻尼器、磁流变液体阻尼器、可变摩擦阻尼器的可变阻尼元件。
作为本发明进一步改进的，所述可变阻尼元件分两种，一种为变阻尼系数，一种为变摩擦。
作为本发明进一步改进的，所述负刚度元件为线性或非线性。
2、本发明另提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法，该方法基于上述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置实现；
控制力为负刚度元件的刚度力与可变阻尼元件的阻尼力的合力；依据主动控制算法计算出理论最优控制力后，依据传感器一和传感器二的振动信息，得到负刚度元件两端的相对位移，并计算出此相对位移下的负刚度力，由此可计算得出需可变阻尼元件提供的阻尼力。依据传感器一和传感器二的振动信息，得到可变阻尼元件两端的相对速度，从而计算出实现该阻尼力所需的阻尼系数，控制器调节可变阻尼元件的阻尼系数，实现该阻尼力，从而实现理论最优控制力。
作为本发明进一步改进的，依据控制算法(例如：LQRs，sky-hook等)计算出的理论最优控制力Fopt由负刚度元件与可变阻尼元件一起执行，
Fopt＝Fn+Fd (1)
在计算出理论最优控制力后，依据传感器一和传感器二的振动信息，得到负刚度元件两端的相对位移△，并计算出此相对位移△下的负刚度力Fn；
若负刚度为线性负刚度，则
Fn＝-kn△ (2)
其中，kn为负刚度系数，其数值为负；
若负刚度为非线性负刚度，则
Fn＝-kn△+α3△3+α5△5+α7△7+... (3)
其中，α3、α5、α7、…为非线性刚度系数；
依据公式(1)和(2)或(3)计算得出由可变阻尼元件所需提供的阻尼力Fd；并依据传感器一和传感器二的振动信息，得到可变阻尼元件两端的相对速度
Figure GDA0003306364860000041
Figure GDA0003306364860000042
从而进一步计算得到实现该阻尼力Fd所需的阻尼系数，
可变阻尼元件的阻尼系数
Figure GDA0003306364860000043
可以在最小阻尼系数与最大阻尼系数间实时调节：
Figure GDA0003306364860000044
3、本发明再提供一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法的应用，将控制对象的支撑弹簧、负刚度元件、可变阻尼元件三者并联于簧上元件与簧下元件之间。
作为本发明进一步改进的，所述负刚度元件具有负的刚度系数，且刚度系数的绝对值不大于支撑弹簧的正刚度系数。
作为本发明进一步改进的，将控制方法应用于单自由度系统中，如座椅、隔振台、引擎支架等，也可应用于多自由度系统中，如车辆悬架。
本发明的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置及方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：
本技术方案提供的是基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置及方法，采用负刚度与可变阻尼的混合振动控制技术，通过将负刚度元件与可变阻尼元件并联的方式，利用负刚度解决半主动控制无法提供方向与振动速度方向相同的控制力的问题，从而完整的执行控制算法出所计算出的理论最优控制力，获得与主动控制一样的振动控制效果，同时具有可靠性高，成本低、耗能小、不影响系统稳定性的优点。
附图说明
图1为本发明中混合振动控制装置的结构示意图；
图2为线性负刚度元件的力与位移关系图(位移为负刚度元件两端的相对位移)；
图3为非线性负刚度元件的力与位移关系图，且负刚度强度随着位移增大而增强(位移为负刚度元件两端的相对位移)；
图4为非线性负刚度元件的力与位移关系图，且负刚度强度随着位移增大而减弱(位移为负刚度元件两端的相对位移)；
图5为变阻尼系数式可变阻尼元件的力与位移关系图(位移为可变阻尼元件两端的相对位移)；
图6为变阻尼系数式可变阻尼元件的力与速度关系图(速度为可变阻尼元件两端的相对速度)；
图7为变摩擦式可变阻尼元件的力与位移关系图(位移为可变阻尼元件两端的相对位移)；
图8为变摩擦式可变阻尼元件的力与速度关系图(速度为可变阻尼元件两端的相对速度)；
图9为主动控制的理论最优控制力与位移关系图；
图10为半主动控制的控制力与位移关系图；
图11为本发明的控制力与位移关系图；
图12为实施例一中不同控制方法下簧上元件振动速度时程响应图；
图13为实施例一中半主动控制的控制力与控制器两端相对位移关系图；
图14为实施例一中主动控制的理论最优控制力与控制器两端相对位移关系图；
图15为实施例一中本发明的控制力与控制器两端相对位移关系图；
图16为实施例一中本发明中负刚度元件的控制力与控制器两端相对位移关系图；
图17为实施例一中本发明中可变阻尼元件的控制力与控制器两端相对位移关系图；
图18为实施例一中本发明中可变阻尼元件的控制力与控制器两端相对速度关系图；
图19为本发明中实施例二的结构示意图；
图20为实施例二中不同控制方法下车身振动速度时程响应；
图21为实施例二中不同控制方法下车身振动速度频域响应；
图22为实施例二中不同控制方法下轮胎形变时程响应；
图23为实施例二中不同控制方法下轮胎形变频域响应。
图中示意：1-负刚度元件，2-可变阻尼元件，3-传感器一，4-传感器二，5-控制器，6-簧上元件，7-支撑弹簧，8-簧下元件或基底，9-车身，10-车辆底盘，11-车辆轮胎。
具体实施方式
下面结合附图1-23，对本发明的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置、方法及应用作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如附图1所示，本发明的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，其结构包括负刚度元件1、可变阻尼元件2、传感器一3、传感器二4、控制器5、负刚度元件1和可变阻尼元件2并联于簧上元件6与簧下元件8之间。
负刚度元件1，具有负的刚度系数，且刚度系数的绝对值不大于支撑弹簧7的正刚度系数。负刚度元件可为线性或非线性，其中，线性负刚度元件1的控制力与其两端相对位移如图2所示；非线性负刚度元件1的控制力与其两端相对位移如图3(负刚度强度随位移增大而增强)和图4(负刚度强度随位移增大而减弱)所示；具体的，负刚度元件1是利用磁铁间斥力、预屈曲梁突变特性或预应力弹簧的负刚度元件1。
可变阻尼元件2，具有阻尼系数，且阻尼系数可以依据测量信息在最小阻尼系数与最大阻尼系数间依据振动状况实时调节；具体的，可变阻尼元件1是可变孔径液体阻尼器、电流变液体阻尼器、磁流变液体阻尼器、可变摩擦阻尼器的可变阻尼元件1。
传感器一3，测量簧上元件6振动并传递振动信息。
传感器二4，测量簧下元件或基底8振动并传递振动信息。
控制器5，接收传感器一3和传感器二4的振动信息，并调节负刚度元件1的刚度系数与可变阻尼元件2的阻尼系数，从而依据结构自身属性参数和控制算法计算理论最优控制力。
本装置的安装使用方法为：将负刚度元件1、可变阻尼元件2和控制对象的支撑弹簧3三者并联，且并联的一端连接簧下元件或基底8，另一端连接簧上元件6。
基于上述结构基础，参考图1，本发明的基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置可以应用到单自由度系统中，如座椅，隔振台，引擎支架等。
负刚度元件1可为线性负刚度与非线性负刚度，其中，线性负刚度的负刚度力与其两端相对位移如图2所示，呈线性负相关；当非线性负刚度强度随着其两端相对位移的增大而增强时，非线性负刚度的负刚度力与其两端相对位移如图3所示，随着位移的变大，负刚度力曲线的斜率也会变大；当非线性负刚度强度随着其两端相对位移的增大而减弱时，非线性负刚度的负刚度力与其两端相对位移如图4所示，随着位移的变大，负刚度力曲线的斜率会变小。可变阻尼元件2可分为两种，一种为变阻尼系数，其阻尼力与其两端相对位移如图5所示，呈椭圆形，阻尼系数越大，椭圆面积越大；其阻尼力与其两端相对速度如图6所示，呈线性正比，阻尼系数越大，斜率越大。另一种为变摩擦，其阻尼力与其两端相对位移如图7所示，呈长方形，摩擦越大，长方形积越大；其摩擦力与其两端相对速度如图8所示，为与x轴平行的直线，大小与相对速度无关。
控制器5接收传感器一3和传感器二4提供的振动信息，并依据结构自身属性参数及控制算法(例如：LQR，sky-hook等)，计算出理论最优控制力Fopt；如图9所示，该理论最优控制力Fopt具有明显的负刚度特性，其中，实线部分与装置两端振动的相对速度方向相反，虚线部分与装置两端振动的相对速度方向相同。半主动控制仅包含可变阻尼元件2，所以无法执行方向与装置两端振动的相对速度方向相同的控制力，只能执行方向与装置两端振动的相对速度方向相反的控制力，如图10所示。本发明利用负刚度元件1解决半主动控制的局限，控制力为负刚度元件1与可变阻尼元件2的合力，完整的执行理论最优控制力，如图11所示，其原理如下：
在本发明中，依据控制算法计算出的理论最优控制力Fopt由负刚度元件1与可变阻尼元件2一起执行，
Fopt＝Fn+Fd (1)
在计算出理论最优控制力后，依据传感器一和传感器二的振动信息，得到负刚度元件两端的相对位移△，并计算出此相对位移△下的负刚度力Fn；
若负刚度为线性负刚度，则
Fn＝-kn△ (2)
其中，kn为负刚度系数，其数值为负；
若负刚度为非线性负刚度，则
Fn＝-kn△+α3△3+α5△5+α7△7+... (3)
其中，α3、α5、α7、…为非线性刚度系数；
依据公式(1)和(2)或(3)计算得出由可变阻尼元件所需提供的阻尼力Fd；并依据传感器一和传感器二的振动信息，得到可变阻尼元件两端的相对速度
Figure GDA0003306364860000081
Figure GDA0003306364860000082
从而进一步计算得到实现该阻尼力Fd所需的阻尼系数，
可变阻尼元件2的阻尼系数
Figure GDA0003306364860000091
可以在最小阻尼系数与最大阻尼系数间实时调节：
Figure GDA0003306364860000092
实施例一：
以隔振台为例，将隔振台模拟成一个单自由度系统，将本发明安装在隔振台中，与隔振台的支撑弹簧7并联布置，一端连接簧上元件6，一端连接基底8。
相关参数为：簧上元件6为1kg，支撑弹簧7刚度为3000N/m，负刚度元件1的刚度系数为-2400N/m，可变阻尼元件2可提供的最小阻尼系数为2Ns/m，最大阻尼系数50Ns/m，控制算法为线性二次型调节器(linear quadratic regulator，LQR)，基底输入激励为速度白噪声。
图12为隔振台的簧上元件6的绝对振动速度时程图，对比了半主动控制、主动控制和本发明三种控制方法的振动控制效果。如图12所示，半主动控制的簧上元件6振动速度要大于主动控制和本发明，而本发明的振动控制效果与主动控制相同。
振动控制效果由控制力决定。如图13、图14、图15分别展示了半主动控制、主动控制和本发明的控制力。如图13所示，半主动控制无法提供方向与装置两端相对振动速度方向相同的控制力，所以无法完整的执行LQR算法计算出的最优理论控制力，如图14所示，本发明利用负刚度元件1解决这个问题，所以可以完整的执行LQR算法计算出的最优理论控制力，如图15所示，从而达到与主动控制相同的振动控制效果，与主动控制相比，具有成本低、可靠性高、耗能低的优点。
本发明的控制力(图15)为负刚度力(图16)与可变阻尼力(图17)的合力。图16为负刚度元件1的控制力与装置两端相对位移的关系，呈线性负相关。图17为可变阻尼元件2的控制力与装置两端相对位移的关系，呈椭圆形。图18可变阻尼元件2的控制力与装置两端相对速度的关系，下界为最小阻尼系数，上界为最大阻尼系数。综合图16至图18，可证明本发明是切实可行的。
实施例二：
本发明也可应用至车辆悬架中。参考图19，将车辆被模拟成一个常用的1/4车辆双自由度系统，将本发明的混合振动控制装置安装在车辆悬架中，使其与车辆的悬架系统呈并联布置，车身9，车辆底盘10，车辆底盘10下方安装着车辆轮胎11，车辆底盘10和车身9之间安装着降低振动效果的支撑弹簧7和本发明的混合振动控制装置。
相关参数为：车身9质量504.5kg，车辆底盘10质量为62kg，悬架支撑弹簧7的刚度为13.1kN/m，车辆底盘13与地面之间的刚度系数为252kN/m，输入激励为速度白噪声。控制算法为线性二次型调节器(linear quadratic regulator，LQR)。
图20展示了车辆在不同控制方法下的车身振动速度时程响应图。
图21展示了车辆在不同控制方法下的车身振动速度频域响应图。
图22展示了车辆在不同控制方法下的轮胎变形时程响应图。
图23展示了车辆在不同控制方法下的轮胎变形频域响应图。
上述四幅图，对比了半主动控制、主动控制和本发明三种控制方法的振动控制效果，半主动控制下的车辆振动响应要大于主动控制和本发明，而本发明的振动控制效果与主动控制相同。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，其特征在于，包括：
并联于簧上元件与簧下元件之间的负刚度元件和可变阻尼元件，
用于测量簧上元件振动并传递振动信息的传感器一，
用于测量簧下元件或基底振动并传递振动信息的传感器二，
以及控制器；
所述控制器接收传感器一和传感器二的振动信息，依据结构自身属性参数和控制算法调节负刚度元件的刚度系数与可变阻尼元件的阻尼系数，使负刚度元件与可变阻尼元件的合力实现理论最优控制力；
控制装置的控制力为负刚度元件的刚度力与可变阻尼元件的阻尼力的合力；依据主动控制算法计算出理论最优控制力后，依据传感器一和传感器二的振动信息，得到负刚度元件两端的相对位移，并计算出此相对位移下的负刚度力，由此可计算得出需可变阻尼元件提供的阻尼力；依据传感器一和传感器二的振动信息，得到可变阻尼元件两端的相对速度，从而计算出实现该阻尼力所需的阻尼系数，控制器调节可变阻尼元件的阻尼系数，实现该阻尼力，从而实现理论最优控制力。
2.根据权利要求1所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，其特征在于，所述负刚度元件是利用磁铁间斥力、预屈曲梁突变特性或预应力弹簧的负刚度元件。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，其特征在于，所述可变阻尼元件具有阻尼系数，且阻尼系数在最小阻尼系数与最大阻尼系数间实时调节。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，其特征在于，所述可变阻尼元件是利用可变孔径液体阻尼器、电流变液体阻尼器、磁流变液体阻尼器、可变摩擦阻尼器的可变阻尼元件。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置，其特征在于，所述负刚度元件为线性或非线性。
6.一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制装置实现；
控制力为负刚度元件的刚度力与可变阻尼元件的阻尼力的合力；依据主动控制算法计算出理论最优控制力后，依据传感器一和传感器二的振动信息，得到负刚度元件两端的相对位移，并计算出此相对位移下的负刚度力，由此可计算得出需可变阻尼元件提供的阻尼力；依据传感器一和传感器二的振动信息，得到可变阻尼元件两端的相对速度，从而计算出实现该阻尼力所需的阻尼系数，控制器调节可变阻尼元件的阻尼系数，实现该阻尼力，从而实现理论最优控制力。
7.根据权利要求6所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法，其特征在于，依据控制算法计算出的理论最优控制力Fopt由负刚度元件与可变阻尼元件一起执行，
Fopt＝Fn+Fd (1)
在计算出理论最优控制力后，依据传感器一和传感器二的振动信息，得到负刚度元件两端的相对位移△，并计算出此相对位移△下的负刚度力Fn；
若负刚度为线性负刚度，则
Fn＝-kn△ (2)
其中，kn为负刚度系数，其数值为负；
若负刚度为非线性负刚度，则
Fn＝-kn△+α3△3+α5△5+α7△7+... (3)
其中，α3、α5、α7、…为非线性刚度系数；
依据公式(1)和(2)或(3)计算得出由可变阻尼元件所需提供的阻尼力Fd；并依据传感器一和传感器二的振动信息，得到可变阻尼元件两端的相对速度
Figure FDA0003306364850000031
Figure FDA0003306364850000032
从而进一步计算得到实现该阻尼力Fd所需的阻尼系数，
可变阻尼元件的阻尼系数
Figure FDA0003306364850000033
可以在最小阻尼系数与最大阻尼系数间实时调节：
Figure FDA0003306364850000034
8.如权利要求6所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法的应用，其特征在于，将控制对象的支撑弹簧、负刚度元件、可变阻尼元件三者并联于簧上元件与簧下元件之间。
9.根据权利要求8所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法的应用，其特征在于，所述负刚度元件具有负的刚度系数，且刚度系数的绝对值不大于支撑弹簧的正刚度系数。
10.根据权利要求8所述的一种基于负刚度和可变阻尼的混合振动控制方法的应用，其特征在于，将控制方法应用于单自由度系统或多自由度系统中。
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