CN1121566A - 电流变流体阻尼装置振动传递率的半主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质量——弹簧系统，它是由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔振对象的绝对位移负反馈、绝对速度负反馈、绝对加速度负反馈和绝对位移积分负反馈时，分别利用它们的可调反馈系数(Kfs)、(Kfv)、(Kfa)、(Kfss)和调节外加偏置电场强度(E)及两者的乘积如(Kfs·E)分别实现对系统固有频率的调整和在低频超低频范围对激励信号的衰减。

Description

电流变流体阻尼装置振动传递率的半主动控制方法

本发明涉及一种质量——弹簧系统

美国专利U.S.4742998“用电流变流体的主动隔振系统”(ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEM EMPLOYINGAN ELECTRO-RHEOLOGICAL FLUID)，该专利理论上根据分析是可以达到用主动的隔振技术接近最佳状态(SKYHOOK)，即通过改变阻尼的大小，使振动传递率在超低频和低频段趋近于1.0而不小于1.0，并使谐振峰的大小受到抑制而不影响高频隔振效果。其不足之处在于仅仅企图抑制谐振峰值的大小，而没有考虑在超低频和低频段使振动传递率大大小于1.0的难题；同时也没有考虑利用控制参数来实现对谐振频率的大范围调节以避开激励信号的激励频率的问题，更重要的是，接近SKY-HOOK并不意味着就可达到SKY-HOOK的特性，所以以上专利没有提供任何特性曲线。

根据上述技术存在的缺点，本发明的任务是，提供将电流变流体应用于电流变流体阻尼装置以实现对其振动传递率的半主动控制方法，以克服上述专利的不足。

本发明的原理为，针对筒式减振器(图1)，利用电流变流体的宾汉塑性体模型，建立电流变流体半主动减振系统在引入绝对位移、绝对速度、绝对加速度反馈时的传递函数为 $\frac{x_2}{x_1}=\frac{K_0(T_{1}S+1)\·{\mathrm{\ω}}_n^2}{S^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n\·S+{\mathrm{\ω}}_n^2}$ 在引入不同反馈时有如下特性：

①绝对位移负反馈电流变流体半主动减振系统 $K_0=\frac{2\mathrm{K\β}{h}^2}{2K{\mathrm{\βh}}^2+\mathrm{Kfs}\•E\•{\mathrm{\Δ}}_1}$ $T_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}_2}{2K{\mathrm{\βh}}^2}$ ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{2K{\mathrm{\βh}}^2+\mathrm{Kfs}\•E\•{\mathrm{\Δ}}_1}{{\mathrm{\βh}}^{2}M}$ $\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_2}{2\sqrt{{\mathrm{\βh}}^{2}M(2K{\mathrm{\βh}}^2+\mathrm{Kfs}\•E{\•\mathrm{\Δ}}_1)}}$

②绝对速度负反馈电流变流体半主动减振系统

K₀＝1 $T_1\frac{{\mathrm{\Δ}}^2}{{2\mathrm{K\βh}}^2}$ ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{2K}{M}}$ $\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{Kfs}\•E{\•\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2}{2{\mathrm{\βh}}^{2}M\sqrt{\frac{2K}{M}}}$

③绝对加速度负反馈电流变流体半主动减振系统

K₀＝1 $T_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^2}{2\mathrm{K\β}{h}^2}$ ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{2\mathrm{K\βh}}{\mathrm{Kfa}\•E\•{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\βh}}^{2}M}$ $\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_2}{2\sqrt{2\mathrm{K\βh}(\mathrm{Kfa}\•E{\•\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\βh}}^{2}M)}}$ 在筒式减振器利用电流变流体的宾汉塑性体模型，建立电流变半主动减振系统在引入绝对位移积分反馈时的传递函数为 $\frac{x_2}{x_1}=\frac{\frac{2K}{M}(T_{1}S+1)\·S}{S^3+\frac{2K}{M}{T}_1{S}^2+\frac{K}{M}S+\frac{12\mathrm{Kfss}\·\mathrm{\α}\·E\·L(\frac{2}{3}\mathrm{\β}+A)}{\mathrm{hM}}}$ 以上的符号意义如下：

Δ₁＝4αβhL(2β＋3A) ${\mathrm{\Δ}}_2=12\mathrm{\μL}(A+\frac{1}{2}{\mathrm{\β})}^2+{\mathrm{\μL\β}}^2$

A＝活塞有效作用面积

D＝活塞外径

E—外加偏置电场强度

h—活塞与缸壁间径向间隙

K—复位弹簧刚度

K0—比例系数

L—活塞长度

M—被隔振质量

α—电流变流体应力系数

β＝πDh

μ—电流变流体无电场作用时的粘度系数

ξ—阻尼系数

ω_n—固有频率

T₁—一阶微分环带时间常数

x₁—激励信号位移

x₂—被隔振质量的位移由此可认识：(一)对于质量——弹簧系统的电流变流体半主动减振系统，在采用被隔振质量的绝对位移反馈时，该系统由比例环带、一阶微分环带和二阶振荡环节组成，在其振动传递率——激励频率的波德图上，三环节为相加关系，因此，不论是增加反馈系数Kfs或增大外加偏置电场强度E，还是增大Kfs与E的乘积都会使该电流变流体减振系统的固有频率增大，这样便可利用调节反馈系数Kfs，或调节外加偏置电场强度E以及Kfs与E的乘积实现对激励信号频率的回避，以免在该系统中引起共振。另，比例环节中，Kfs·E·Δ1之值远远大于2Kβh²，从而可认为K₀≈2Kβh²/Kfs·E·Δ₁，这样，不论增大Kfs或E或Kfs·E，都会使K₀＜＜1，从而可大大抑制低频和超低频振动激励信号(图2，图3)。(二)对于质量——弹簧系统的电流变流体半主动减振系统，在采用被隔振对象的绝对速度反馈时，该系统固有频率为常数，但适当选择结构参数和其他软参数即可使二阶振荡环节蜕变为两个惯性环节，且其各惯性环节的时间常数或转折频率都随外加偏置电场强度E、绝对速度反馈系数Kfv或E·Kfv的变化而变化(图4，图5)，从而可以利用E或Kfv或E·Kfv对各惯性环节的转折频率进行调制，以改善高频和低频段对激励信号的抑制，从而扩大了对激励信号进行衰减的频带，从下面公式可得此结论 ${\mathrm{\ω}}_2=\frac{4K}{M}/\{\frac{\mathrm{Kfv}\·E{\·\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2}{{\mathrm{\βh}}^{2}M}+\sqrt{\left(\frac{\mathrm{Kfv}\·E\·{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2{)}^2}{{\mathrm{\βh}}^{2}M}\right)}-\frac{8k}{M}\}$ ${\mathrm{\ω}}_3=\frac{1}{2}\{\frac{\mathrm{Kfv}{\mathrm{E\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2}{{\mathrm{\βh}}^{2}M}+\sqrt{(\frac{{\mathrm{KfvE\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2}{{\mathrm{\βh}}^{2}M}}{)}^2-\frac{8k}{M}\}$ 式中ω₂—转折频率，ω₂—转折频率(三)在电流变流体半主动减振系统中，引入被隔振对象的绝对加速度反馈时，调制外加偏置电场强度E、绝对加速度反馈系数Kva或两者的乘积，便可调制系统的固有频率，从而可适当避开激励信号的激励频率，以达到对激励信号的衰减(图6，图7)。根据上述原理，本发明所采取的技术措施是对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对位移负反馈时，利用调节反馈系数Kfs或调节外加偏置电场强度E或调节两者的乘积Kfs·E，分别实现对系统固有频率的调节和在低频和超低频范围对激励信号的衰减作用；根据上述原理，本发明采取的另一技术措施是，对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对速度负反馈时，可使二阶振荡环节脱变为两个一阶惯性环节，其折转率ω₂和ω₃都是绝对速度反馈系数Kfv，外加偏置电场强度E的函数，通过调节Kfv或E或Kfv·E分别调制转折频率ω₂和ω₃的大小，以扩大对高频和低频激励信号的衰减频宽，根据上述原理，本发明采取的第三种技术措施是，对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对加速度负反馈时，通过绝对加速度反馈系数Kva或外加偏置电场强度E或二者的乘积Kva·E即可调节系统的固有频率，从而实现对激励信号高频衰减；根据上述原理的第四种技术措施是，对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对位移积分负反馈时，通过其反馈系数Kfss、或外加偏置电场强度E或二者的乘积Kfss·E即可实现对系统固有频率的调和在低频和超低频范围对激励信号的强衰减(图8，图9)。根据第一种技术措施，调节电流变流体半主动减振系统中的Kfss或E或Kfs·E以便在低频和超低频范围内实现对激励信号的强衰减作用是通减少比例环节幅值并使其值大大小于1来实现的。根据第二种技术措施，扩大对高频和低频激励信号的衰减频宽是通过减小ω₂和增大ω₃来实现的，而减小ω₂和增大ω₂是通过增大反馈系数K_fv或外加偏置电场强度E或其乘积K_fv·E来实现的。

本发明的优点是，(一)将电流变流体应用于半主动减振控制后，使半主动减振系统的结构简化，可动件少、重量轻、尺寸小、能耗低，且价格低廉。(二)减振频带宽和在外加电场强度作用下阻尼比、谐振频率可调，比例系数可调。

附图说明如下：

附图1电流变流体筒式半主动减振器结构原理图。

附图2采用绝对位移负反馈时系统幅频特性。纵座标为传

     递率对数1g(T)，横座标为激励信号角频率对数1g

     (ω)，E固定，Kfs变。

附图3采用绝对位移负反馈时系统幅频特性(Kfs固定，E

     变)。

附图4采用绝对速度负反馈时系统幅频特性(E固定，Kfv

     变)。

附图5采用绝对速度负反馈时系统幅频特性(E变，Kfv固

     定)。

附图6采用绝对加速度负反馈时系统幅频特性(E固定，

     Kfa变)。

附图7采用绝对加速度负反馈时系统幅频特性(E变，Kfa     固定)。附图8采用绝对位移积分负反馈时系统幅频特性(E固定，

 Kfss变)。附图9采用绝对位移积分负反馈时系统幅频特性(E变，

 Kfss固定)。

Claims (6)

1.一种电流变流体阻尼装置振动传递率的控制方法，其特征为对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对位移负反馈时，利用调节反馈系数Kfs、调节外加偏置电场强度E和调节两者的乘积Kfs·E，分别实现

a.对系统固有频率的调节；

b.在低频和超低频范围对激励信号的衰减。

2.一种电流变流体阻尼装置振动传递率的控制方法，其特征为对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对速度负反馈时，在结构参数优化的基础上，可使二阶振荡环节脱变为两个一阶惯性环节，其折转率ω₂和ω₃都是反馈系数Kfv、外加偏置电场强度E的函数，通过调节Kfv、E或Kfv·E分别调制转折频率ω₂和ω₃的大小，以扩大对高频和低频激励信号的衰减频宽。

3.一种电流变流体阻尼装置振动传递率的控制方法，其特征为对由筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝对加速度负反馈时，通过对加速度反馈系数Kfa和外加偏置电场强度E和二者的乘积Kfa·E即可调节系统的固有频率，从而实现对激励信号高频衰减。

4.一种电流变流体阻尼装置振动传递率的控制方法，其特征为筒式减振器和控制元件组成的电流变流体半主动减振系统，在引入被隔离对象的绝位移积分负反馈时，通过绝对位移积分反馈系数Kfss、外加偏置电场强度E和二者的乘积Kfss·E实现对系统固有频率的调节和在低频和超低频范围对激励信号的衰减。

5.根据权利要求1所述的电流变流体阻尼装置振动传递率的控制方法，其特征为调节电流变流体半主动减振系统中的Kfs、E和Kfs·E以便在低频和超低频范围内实现对激励信号的强衰减作用是通过减小比例环节幅值并使其值大大小于1来实现的。

6.根据权利要求2所述的电流变流体阻尼装置振动传递率的控制方法，其特征为所述扩大对高频和低频激励信号的衰减频宽是通过减小ω₂和增大ω₃来实现的，而减小ω₂和增大ω₃是通过增大反馈系数Kfv、外加偏置电场强度E或其乘积Kfv·E来实现的。

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