CN111522372A - 一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统，属于机械领域中的振动控制技术领域，该系统采用周期性结构的带隙特性以及智能阻尼材料控制管路振动。所述系统包括：管路、压电传感器、信号转换单元、上位机、主动控制器、电压放大器、周期性贴在被控制管路外壁的粘弹性阻尼层和压电陶瓷。压电传感器接收管路的振动信号，通过信号转换单元输入到主动控制器与上位机进行计算，得到反馈信号，通过电压放大器传输给贴在被控制管路外壁的压电陶瓷片，压电陶瓷片产生变形进而使粘弹性阻尼材料产生剪切变形；由于周期性结构具有的带隙特性，特定频率的振动在结构中传播会衰减。两种作用结合从而降低管路的振动幅度。

Description

一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统

技术领域

本属于管路系统振动控制应用技术领域，涉及一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统。

背景技术

液压管路是液压系统中重要的能量与物质输送通道。随着工业现代化的发展，对液压系统的性能要求越来越高，对管路的可靠性与稳定性提出了更高的要求。

由于液压系统中泵源的存在以及管路与结构基体的连接形式，决定了管路在工作时会受到来自泵源流体的压力脉动激励和结构体的宽频基础激励。当激励频率接近管路的模态频率时，会引发管路的共振。此时，管路与管路连接件之间会产生较大的相对位移，连接部位会有较大的应力产生。在长时间作用下，管路会出现裂纹、磨损、断裂等故障。

现有的液压管路振动控制技术主要以被动控制为主。被动控制技术，主要是通过降低振动幅值，改变外激励频率与输液管路模态频率比值，增大结构阻尼等途径，降低结构振动强度、错开管路共振频率、耗散结构振动能量。虽然具有减振机理明确、结构简单、无需能量输入等优点，但是其控制频率范围窄，对高频减振效果较好，低频控制不佳，且控制参数不能随激励环境变化而变化。传统的主动控制技术虽然提升了在低频的控制效果，但对于高频以及振动能量较大时的控制效果有限。

发明内容

本发明提供了一种具有周期结构带隙特性、对系统附加质量小、可有效对被控制管路的振动进行抑制的控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统，包括压电传感器、信号转换单元、智能控制器、上位机、电压放大器、粘弹性阻尼层、压电陶瓷。所述的压电传感器贴在在被控制管路外壁，与信号转换单元输入端连接，智能控制器与信号转换单元输出端连接并接收压电传感器发出的信号，所述的智能控制器与上位机连接，根据采集信号计算出输出信号通过电压放大器放大后传输给周期性贴在被控制管路外壁的粘弹性阻尼层上的压电陶瓷片；压电陶瓷片产生变形进而使粘弹性阻尼材料产生剪切变形；由于周期性结构具有的带隙特性，特定频率的振动在结构中传播会衰减。两种作用结合从而降低管路的振动能量；

所述的压电传感器采用压电陶瓷片，测量被控管路由于振动产生的应变，并将应变转换为电信号通过信号转换单元传输至智能控制器；所述的智能控制器用于基于压电传感器采集的振动数据计算出控制信号，并发送至电压放大器；所述的电压放大器与所有压电陶瓷片连接；压电陶瓷片与粘弹性阻尼层粘贴，呈周期性等距布置，产生包含被控管路固有频率的振动传播带隙。其结构中的压电陶瓷片基于压电效应根据控制信号产生变形，进而使结构中的阻尼材料产生剪切变形，耗散振动能量来控制振动。

所述的粘弹性阻尼层是以高分子聚合物为基体制作而成的材料，其阻尼性能主要来源于内部高分子聚合物受力后产生的能量耗散。受到作用力时，聚合物内部会发生相应的拉压、弯曲以及剪切变形，聚合物中的弹性成分会将一部分机械能储存起来，当外力消失后将能量释放出去，聚合物弹性成分的变形产生回弹；而聚合物中黏性成分所吸收的机械能不会被释放到外界，而是转化成热能被散发，其变形不能被恢复，从而结构的振动能量会被一定程度的耗散。该减振机理为：1)智能控制器输出驱动数据经电压放大器施加在压电陶瓷片上，通过压电陶瓷调整阻尼，结构发生振动时，粘弹性阻尼层发生剪切变形，耗散振动能量。同时压电陶瓷片也产生变形，进一步增加粘弹性层的剪切变形，从而提高结构振动能量耗散值。2)具有周期结构的带隙特性，能根据布置参数抑制特定频率振动在管路中的传播。

该管路振动主动控制系统，还包括：控制程序，用于监测振动信号，设置控制参数，对采集的振动信号进行反馈运算，得到输出信号；所述控制参数包括电压放大比例，电压相位调整，直流分量叠加，过载保护。

所述控制系统，包括建立被控管路数值模型、对模型进行振动特性分析、根据模态确定粘弹性阻尼层与压电陶瓷粘贴位置、设置控制参数、进行振动控制，对被控对象进行振动控制后振动信号是否异常，逐级放大控制电压倍数，信号异常直接返回控制参数设置的步骤。所述振动特性包括固有频率特性和工况频率特性。所述控制参数包括电压放大比例，电压相位调整，直流分量叠加，过载保护。

本发明在不改变管道结构、附加质量小的情况下，实现对管道振动控制，降低管道振动幅度，此管道振动主动控制装置有着结构简单，稳定可靠，可控范围广等优点。本发明把被动阻尼与压电陶瓷结合、被动周期结构与主动控制结合，减振效果明显。即使控制系统失效，由于被动阻尼以及周期性布置方式的存在，系统仍能提供一定的减振效果。采用的压电传感器、粘弹性阻尼层与压电陶瓷片体积与质量很小，对原系统的附加质量很小，驱动系统可以单独通过上位机管理，便于工程应用。

附图说明

图1为本发明具有带隙特性的管路振动主动控制系统原理图。

图2为信号传输框图。

图3为电压放大器工作原理图。

具体实施方式

一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统，包括管路1、压电传感器2、信号转换单元3、智能控制器4、上位机5、电压放大器6、粘弹性阻尼层7、压电陶瓷片8。所述的压电传感器2贴在在被控制管路1外壁，测量被控管路1由于振动产生的应变，并将应变转换为电信号通过信号转换单元3传输至智能控制器4，智能控制器4与上位机5连接，根据采集信号计算出输出信号通过电压放大器6放大后传输给周期性等距布置在被控制管路外壁的粘弹性阻尼层7上的压电陶瓷片8；压电陶瓷片产生变形进而使粘弹性阻尼材料产生剪切变形；由于周期性结构具有的带隙特性，特定频率的振动在结构中传播会衰减。两种作用结合从而降低管路的振动幅度。

所述的系统，还包括：控制程序，用于监测振动信号，设置控制参数，对采集的振动信号进行反馈运算，得到输出信号。监测部分功能为：实现对管路振动响应数据的采集、处理、显示与保存。振动部分功能为：信号采集、信号滤波、信号处理、过载保护与信号输出组成。

监测部分前面板主要由通道参数设置、加速度数据采集、应变数据采集与数据保存。通道参数设置部分需要设置数据采集的通道名称、传感器灵敏度、数据采样频率，数据采集部分对采集的数据进行时域与频域显示，数据保存部分对采集到的数据文件进行命名与保存。

控制部分前面板主要由通道参数设置、采样频率设置、数据滤波、控制波形调整、过载保护与数据显示部分组成。通道参数需要设置电压输入/输出通道名称，并设置通道采样频率。由于利用压电材料作为传感器采集电压时，会有较大的信号干扰，因此需要对采集到的数据进行滤波处理。并在前面板设置波形图表，对采集到的数据进行显示。电压采样模式选择硬件定时单点采样，硬件定时单点采样能够实现连续采样或者生成采样，采用无缓冲的硬件定时采样，能够消除由于数据缓冲引起的时间延迟，同时为保证数据输入与数据输出同步，可在多个任务或设备间共享时钟和触发。为实现不同电压的输出，因此需要对输出的波形进行调整，通过幅值缩减系数对输出波形的峰峰值进行缩放，以实现不同电压的输出。

通过上位机设置控制参数、进行振动控制，对被控对象进行振动控制后振动信号是否异常，逐级放大控制电压倍数，信号异常直接返回控制参数设置的步骤。所述振动特性包括固有频率特性和工况频率特性。所述控制参数包括电压放大比例，电压相位调整，直流分量叠加，过载保护。

管路的振动由多阶振动耦合而成，其中第一阶模态的振动能量最大，因此对管路第一阶模态振动进行控制即可达到很好的控制效果。首先建立被控管路数值模型，对模型进行振动特性分析，获取被控制管路的一阶模态频率以及振动最大处。被控制管路1外表面粘弹性阻尼层7和压电陶瓷片8的布置应根据管路1长度等距布置并使产生的带隙包含管路1的第一阶固有频率；粘贴位置应覆盖管路一阶模态所显示的振幅最大处。

压电传感器2通过测量管路1应变来检测振动，振动越大管路应变越大，由压电方程可得应变与电荷的关系，将应变信号转换为电信号。可选地，信号转换单元3采用屏蔽式I/O接线盒，将压电传感器2测得的振动信号传输至智能控制器4。智能控制器4来分析振动信号，通过对时域振动信号傅里叶变换得出管路1第一阶模态频率，基于电压负反馈控制算法产生控制信号经由电压放大器6放大后输出至压电陶瓷片8，产生与管路1振动频率相等，相位相反的振动波形，以达到减振的目的。

Claims (3)

1.一种具有带隙特性的管路振动主动控制系统，其特征在于，所述的具有带隙特性的管路振动主动控制系统包括压电传感器、信号转换单元、智能控制器、上位机、电压放大器、粘弹性阻尼层和压电陶瓷片；

所述的压电传感器贴在被控制管路外壁，与信号转换单元输入端连接；所述的智能控制器与信号转换单元输出端连接并接收压电传感器发出的信号；所述的智能控制器与上位机连接，根据采集信号计算出输出信号通过电压放大器放大后传输给周期性贴在被控制管路外壁的粘弹性阻尼层上的压电陶瓷片；压电陶瓷片产生变形进而使粘弹性阻尼材料产生剪切变形；由于周期性结构具有的带隙特性，特定频率的振动在结构中传播会衰减，两种作用结合从而降低管路的振动能量；

所述的压电传感器采用压电陶瓷片，测量被控管路由于振动产生的应变，并将应变转换为电信号通过信号转换单元传输至智能控制器；所述的智能控制器用于基于压电传感器采集的振动数据计算出控制信号，并发送至电压放大器；所述的电压放大器与所有压电陶瓷片连接；压电陶瓷片与粘弹性阻尼层粘贴，呈周期性等距布置，产生包含被控管路固有频率的振动传播带隙；其结构中的压电陶瓷片基于压电效应根据控制信号产生变形，进而使结构中的阻尼材料产生剪切变形，耗散振动能量来控制振动；

所述的粘弹性阻尼层是以高分子聚合物为基体制作而成的材料，其阻尼性能主要来源于内部高分子聚合物受力后产生的能量耗散；受到作用力时，聚合物内部会发生相应的拉压、弯曲以及剪切变形，聚合物中的弹性成分会将一部分机械能储存起来，当外力消失后将能量释放出去，聚合物弹性成分的变形产生回弹；而聚合物中黏性成分所吸收的机械能不会被释放到外界，而是转化成热能被散发，其变形不能被恢复，从而结构的振动能量会被一定程度的耗散。

2.根据权利要求1所述的具有带隙特性的管路振动主动控制系统，其特征在于，所述的具有带隙特性的管路振动主动控制系统还包括：控制程序，用于监测振动信号，设置控制参数，对采集的振动信号进行反馈运算，得到输出信号；所述控制参数包括电压放大比例，电压相位调整，直流分量叠加，过载保护。

3.根据权利要求1或2所述的具有带隙特性的管路振动主动控制系统，其特征在于，所述的具有带隙特性的管路振动主动控制系统，包括建立被控管路数值模型、对模型进行振动特性分析、根据模态确定粘弹性阻尼层与压电陶瓷片粘贴位置、设置控制参数、进行振动控制，对被控对象进行振动控制后振动信号是否异常，逐级放大控制电压倍数，信号异常直接返回控制参数设置的步骤；所述振动特性包括固有频率特性和工况频率特性。

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