CN112252505A - 海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器 - Google Patents

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CN112252505A CN202011073377.1A CN202011073377A CN112252505A CN 112252505 A CN112252505 A CN 112252505A CN 202011073377 A CN202011073377 A CN 202011073377A CN 112252505 A CN112252505 A CN 112252505A
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Abstract

本发明公开了一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，包括设置在风机塔筒内部所控振型最大振幅处的至少一组自适应变阻尼被动控制系统、自适应可变向主动控制系统和控制系统；所述自适应变阻尼被动控制系统包括往复运动单元和变阻尼单元。可根据风机塔筒的不同振动程度启动相应的振动控制系统，其中自适应变阻尼被动控制系统利用磁流变阻尼液的瞬时流变特性，可瞬时调整磁流变阻尼液的流动状态，及时消耗风机的振动能量，改善了传统振动控制装置的时滞问题，保障风机安全运行；自适应可变向主动控制系统能即时通过电驱动滚动支座调整输出控制力的方向，控制可靠性高、效果好。

Description

海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的说是涉及一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器。
背景技术
海上风电场建设是我国“能源转型”建设的重点发展方向。近年来，随着国家对环境保护的增强和在政策方面对海上风力发电项目的扶持，海上风电近年在我国得到了迅猛发展。近海风电场中，大直径单桩、导管架、吸力桶等固定式基础占据了很大比重，固定式基础建成后，桩柱会改变此区域原来的水流动力场，在桩柱前方形成二次流并在其周围形成漩涡，桩柱周围流速加快，会对桩柱周边的海底产生一定程度的冲刷，形成冲刷坑，冲刷使得基础的悬臂长度增大、自振频率降低，导致风机结构的自振频率偏离1P-3P(1P-马达转动频率，3P-风机叶轮扫掠频率)频率带，造成风机结构接近于激振力的频率而发生共振的危险，从而影响风机的正常运转。此外，由于风、浪、流的作用，海上风机塔架长期处于振动状态，容易引起结构的疲劳破坏，造成风机的损坏。为了降低风机振动对海上风电场正常工作带来的影响，越来越多技术人员采用不同的耗能减振装置(如调谐质量阻尼器TMD、调谐液体阻尼器TLD)对海上风机进行振动控制。
目前，海洋工程结构振动控制技术主要有被动控制、主动控制、半主动控制，其中，被动控制是应用最广泛且比较成熟的结构振动控制技术，在安装使用前需要调整被动控制装置的频率等于结构的自振频率，这样才能起到较好的减振效果，但是，被动控制装置的频率一般为定值，无法根据结构的实际振动响应实时调整装置的工作状态，易造成控制失效。主动控制和半主动控制都需要对被控结构的振动状态进行实时监测和反馈，需要外部能源的持续输入，其中主动控制是依靠作动器施加能量来抵消结构的动态响应，需要消耗大量的机械能从而达到消能减振的目的。半主动控制亦称参数控制，它不直接向受控结构输入大量的机械能，只需提供少量的能量改变结构的参数和工作状态，从而减小结构振动，具有广泛的应用前景。然而，由于海洋环境十分复杂，海上风机在运营期间会受到波浪、海风、海流、海冰等荷载的长期作用，如采用单一的控制技术可能使装置的振动控制效果减弱，控制可靠性降低。
因此，如何研制一种针对海上风机的混合振动控制装置，从而对海上风机的振动进行有效控制，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，包括设置在风机塔筒内部所控振型最大振幅处的至少一组自适应变阻尼被动控制系统、自适应可变向主动控制系统和控制系统；
所述自适应变阻尼被动控制系统包括往复运动单元和变阻尼单元；所述往复运动单元通过往复运动耗散振动能量；所述变阻尼单元在所述往复运动单元的往复带动下通过挤压或释放磁流变阻尼液耗散振动能量；
所述自适应可变向主动控制系统通过施加驱动力并将输出控制力传递至不同方向，实现对振动能量的耗散；
所述控制系统用于对所述风机塔筒的实时振动状态进行采集，并根据采集信号相应地对所述变阻尼单元和自适应可变向主动控制系统进行控制。
通过上述技术方案，本发明包括自适应变阻尼被动控制系统和自适应可变向主动控制系统，可根据海上风机塔筒的不同振动程度通过控制系统启动相应的振动控制系统，控制效率更高。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述往复运动单元包括第一刚性支撑杆、第二刚性支撑杆、长方体质量块、第一刚性连杆、第二刚性连杆、第一滑块、第二滑块、第三刚性连杆和第四刚性连杆；
所述第一刚性支撑杆和第二刚性支撑杆在同一水平面内平行布置，且两端分别与所述风机塔筒的内壁固定；
所述长方体质量块位于所述第一刚性支撑杆和第二刚性支撑杆的上方，且其对应的两侧壁分别与所述第一刚性支撑杆和第二刚性支撑杆对齐；
所述第一刚性连杆的数量为两根，所述第一刚性连杆的一端与所述第一刚性支撑杆铰接，另一端与所述第一刚性支撑杆对应的所述长方体质量块的侧壁铰接；
所述第二刚性连杆的数量为两根，所述第二刚性连杆的一端与所述第二刚性支撑杆铰接，另一端与所述第二刚性支撑杆对应的所述长方体质量块的侧壁铰接；
所述第一滑块滑动连接在所述第一刚性支撑杆上，且位于两根所述第一刚性连杆之间；
所述第二滑块滑动连接在所述第二刚性支撑杆上，且位于两根所述第二刚性连杆之间；
所述第三刚性连杆一端与所述第一滑块铰接，另一端与一根所述第一刚性连杆和长方体质量块的侧壁铰接；
所述第四刚性连杆一端与所述第二滑块铰接，另一端与一根所述第二刚性连杆和长方体质量块的侧壁铰接；所述第四刚性连杆和所述第三刚性连杆分别与所述长方体质量块的对角铰接。
往复运动单元通过长方体质量块和风机塔筒一起发生振动，振动产生对结构的反方向惯性力，使其对结构的振动产生控制作用，消耗掉一部分振动能量。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述第一滑块和第二滑块之间固定连接有T型杆；所述变阻尼单元的数量为两个，且分别对称布置在所述T型杆两侧；所述变阻尼单元包括螺纹转杆、转轮、拉杆、第三滑块、倾斜滑杆、第四滑块、刚性推杆、阻尼箱和活塞杆；
所述螺纹转杆布置在所述第一刚性支撑杆和第二刚性支撑杆之间的水平面上，且一端与所述第一刚性支撑杆转动连接，且与所述第一刚性支撑杆垂直；
所述转轮的中心与所述螺纹转杆的端头固定连接；
所述拉杆一端与所述T型杆的中部支杆铰接，另一端与所述转轮背向所述螺纹转杆的一面边沿转动连接；
所述第三滑块螺纹连接在所述螺纹转杆上；
所述倾斜滑杆的数量为两根，且与所述螺纹转杆在同一水平面布置，并对称位于所述螺纹转杆两侧；所述倾斜滑杆一端与所述第一刚性支撑杆固定，另一端向所述螺纹转杆方向倾斜，且端头具有限位块；
所述第四滑块的数量为两块，且分别滑动连接在两根所述倾斜滑杆上；
所述刚性推杆的数量为两根，且对称布置在所述第三滑块的两侧；所述刚性推杆一端与所述第三滑块的侧壁固定，另一端水平穿过所述第四滑块，且与所述第四滑块滑动连接；
所述阻尼箱的数量为两个，且分别固定在所述第四滑块的顶面；所述阻尼箱内滑动连接有活塞，并填充有磁流变阻尼液；所述阻尼箱的顶面和底面对应固定有励磁线圈；
所述活塞杆的数量为两根，且对称布置在所述第三滑块的两侧；所述活塞杆一端与所述第三滑块的侧壁固定，另一端与所述活塞固定连接。
通过刚性推杆推动两侧的第四滑块、阻尼箱沿倾斜滑杆运动，从而转轮的往复转动将带动第三滑块和两侧的阻尼箱分别沿螺纹转杆和倾斜滑杆往复运动，导致活塞不断挤压或释放磁流变阻尼液，从而耗散掉振动能量。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，两根所述第一刚性连杆的水平距离、两根所述第二刚性连杆的水平距离、以及所述第一滑块和第二滑块的行程距离均为3/2R1；其中，R1为所述转轮的半径。能够满足运动的尺寸需求。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述T型杆与所述转轮中心的水平距离为23/10R1；其中，R1为所述转轮的半径。能够满足运动的尺寸需求。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述转轮的转动角度大小范围为135°，所述螺纹转杆上螺纹的长度为3/8L1；其中：L1为所述转轮的周长。能够满足运动的尺寸需求。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述自适应可变向主动控制系统包括双向电动机、转盘、环形滑槽架、扇形齿板、圆柱质量块、第一电驱动滚动支座、第二电驱动滚动支座、弹簧和液压阻尼器；
所述风机塔筒内壁水平固定有第三刚性支撑杆，所述第三刚性支撑杆位于所述长方体质量块上方；所述双向电动机固定在所述第三刚性支撑杆上，且其动力输出轴与所述第三刚性支撑杆在同一水平面上，并与所述第三刚性支撑杆垂直；
所述转盘的中心固定在所述双向电动机的动力输出轴端头；所述转盘背向所述双向电动机的一面边沿具有凸起的转杆；
所述环形滑槽架为长条形环形架，所述环形滑槽架挂设在所述转杆上，且其形成的滑槽与所述转杆滑动连接；
所述扇形齿板的尖端与所述环形滑槽架的底端固定；所述扇形齿板的弧形边沿具有齿纹；
所述圆柱质量块固定在所述长方体质量块的顶面，且其顶面沿其直径方向具有与所述第三刚性支撑杆平行的齿形轨道，所述齿形轨道与所述扇形齿板的齿纹啮合；所述圆柱质量块侧壁具有周向的第一环形轨道；
所述第一电驱动滚动支座的数量为两个，且对称安装在所述第一环形轨道内；
所述风机塔筒内壁周向具有与所述第一环形轨道在同一水平面内的第二环形轨道；所述第二电驱动滚动支座的数量为两个，且对称安装在所述第二环形轨道内；
所述弹簧位于一组对应的所述第一电驱动滚动支座和第二电驱动滚动支座之间；所述弹簧一端通过刚性连杆与所述第一电驱动滚动支座连接，另一端与所述第二电驱动滚动支座连接；
所述液压阻尼器位于另一组对应的所述第一电驱动滚动支座和第二电驱动滚动支座之间；所述液压阻尼器一端通过刚性连杆与所述第一电驱动滚动支座连接，另一端与所述第二电驱动滚动支座连接。
弹簧产生的反作用力作用到风机塔筒上，使其对结构的振动产生控制作用；通过电驱动滚动支座调整输出控制力的方向，控制可靠性高、效果好。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述扇形齿板的半径为1/2R2，圆心角为155°，所述扇形齿板上的齿数与所述齿形轨道上的齿数相同；其中：R2为所述转盘的半径。能够满足运动的尺寸需求。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述控制系统包括控制器和加速器传感器；所述控制器分别与所述励磁线圈、双向电动机、第一电驱动滚动支座和第二电驱动滚动支座电性连接；所述加速器传感器安装在所述风机塔筒的外壁上，且与所述控制器电性连接。能够实现对各电气元件的有效控制。
优选的，在上述一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器中，所述控制系统还包括用于提供电量的电源和用于控制开闭的开关。进一步实现对控制系统的有效控制。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，具有以下有益效果：
1、本发明包括自适应变阻尼被动控制系统和自适应可变向主动控制系统，可根据海上风机塔筒的不同振动程度启动相应的振动控制系统，控制效率高。
2、本发明的自适应变阻尼被动控制系统利用磁流变阻尼液的瞬时流变特性，可瞬时调整磁流变阻尼液的流动状态，及时消耗风机的振动能量，改善了传统振动控制装置的时滞问题，保障风机安全运行；
3、本发明的自适应可变向主动控制系统能即时通过电驱动滚动支座调整输出控制力方向，控制可靠性高、效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的自适应主被动混合调谐质量阻尼器的结构示意图；
图2附图为本发明提供的变阻尼单元的结构示意图；
图3附图为本发明提供的第一滑块和第二滑块位于最左端时与变阻尼单元的连接结构示意图；
图4附图为本发明提供的第一滑块和第二滑块位于最左端时与变阻尼单元的连接结构主视图；
图5附图为本发明提供的第一滑块和第二滑块位于最右端时与变阻尼单元的连接结构示意图；
图6附图为本发明提供的第一滑块和第二滑块位于最右端时与变阻尼单元的连接结构主视图；
图7附图为本发明提供的第三滑块处于初始位置时的变阻尼单元工作过程中变阻尼原理示意图；
图8附图为本发明提供的第三滑块处于最大行程位置时的变阻尼单元工作过程中变阻尼原理示意图；
图9附图为本发明提供的自适应可变向主动控制系统的俯视图；
图10附图为本发明提供的自适应可变向主动控制系统中转杆位于初始0°位置时的工作过程示意图；
图11附图为本发明提供的自适应可变向主动控制系统中转杆转至90°位置时的工作过程示意图；
图12附图为本发明提供的自适应可变向主动控制系统中转杆转至180°位置时的工作过程示意图；
图13附图为本发明提供的自适应可变向主动控制系统中转杆转至270°位置时的工作过程示意图；
图14附图为本发明提供的控制系统的结构示意图；
图15附图为本发明提供的本发明控制系统的变增益控制策略流程图。
其中：
1-风机塔筒；
11-第三刚性支撑杆；12-第二环形轨道；
2-自适应变阻尼被动控制系统；
21-往复运动单元；
211-第一刚性支撑杆；212-第二刚性支撑杆；213-长方体质量块；214-第一刚性连杆；215-第二刚性连杆；216-第一滑块；217-第二滑块；
218-第三刚性连杆；219-第四刚性连杆；
22-变阻尼单元；
221-螺纹转杆；222-转轮；223-拉杆；224-第三滑块；225-倾斜滑杆；
2251-限位块；226-第四滑块；227-刚性推杆；228-阻尼箱；2281-活塞；2282-励磁线圈；229-活塞杆；
3-自适应可变向主动控制系统；
31-双向电动机；32-转盘；321-转杆；33-环形滑槽架；34-扇形齿板；
35-圆柱质量块；351-齿形轨道；352-第一环形轨道；36-第一电驱动滚动支座；37-第二电驱动滚动支座；38-弹簧；39-液压阻尼器；
4-控制系统；
41-控制器；42-电源；43-开关；
5-T型杆。
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。
参见附图1，本发明实施例公开了一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，包括设置在风机塔筒1内部所控振型最大振幅处的至少一组自适应变阻尼被动控制系统2、自适应可变向主动控制系统3和控制系统4；
自适应变阻尼被动控制系统2包括往复运动单元21和变阻尼单元22；往复运动单元21通过往复运动耗散振动能量；变阻尼单元22在往复运动单元21的往复带动下通过挤压或释放磁流变阻尼液耗散振动能量；
自适应可变向主动控制系统3通过施加驱动力并将输出控制力传递至不同方向，实现对振动能量的耗散；
控制系统4用于对风机塔筒1的实时振动状态进行采集，并根据采集信号相应地对变阻尼单元22和自适应可变向主动控制系统3进行控制。
为了进一步优化上述技术方案，往复运动单元21包括第一刚性支撑杆211、第二刚性支撑杆212、长方体质量块213、第一刚性连杆214、第二刚性连杆215、第一滑块216、第二滑块217、第三刚性连杆218和第四刚性连杆219；
第一刚性支撑杆211和第二刚性支撑杆212在同一水平面内平行布置，且两端分别与风机塔筒1的内壁固定；
长方体质量块213位于第一刚性支撑杆211和第二刚性支撑杆212的上方，且其对应的两侧壁分别与第一刚性支撑杆211和第二刚性支撑杆212对齐；
第一刚性连杆214的数量为两根，第一刚性连杆214的一端与第一刚性支撑杆211铰接，另一端与第一刚性支撑杆211对应的长方体质量块213的侧壁铰接；
第二刚性连杆215的数量为两根，第二刚性连杆215的一端与第二刚性支撑杆212铰接，另一端与第二刚性支撑杆212对应的长方体质量块213的侧壁铰接；
第一滑块216滑动连接在第一刚性支撑杆211上，且位于两根第一刚性连杆214之间；
第二滑块217滑动连接在第二刚性支撑杆212上，且位于两根第二刚性连杆215之间；
第三刚性连杆218一端与第一滑块216铰接，另一端与一根第一刚性连杆214和长方体质量块213的侧壁铰接；
第四刚性连杆219一端与第二滑块217铰接，另一端与一根第二刚性连杆215和长方体质量块213的侧壁铰接；第四刚性连杆219和第三刚性连杆218分别与长方体质量块213的对角铰接。
参见附图2至附图8，第一滑块216和第二滑块217之间固定连接有T型杆5；变阻尼单元22的数量为两个，且分别对称布置在T型杆5两侧；变阻尼单元22包括螺纹转杆221、转轮222、拉杆223、第三滑块224、倾斜滑杆225、第四滑块226、刚性推杆227、阻尼箱228和活塞杆229；
螺纹转杆221布置在第一刚性支撑杆211和第二刚性支撑杆212之间的水平面上，且一端与第一刚性支撑杆211转动连接，且与第一刚性支撑杆211垂直；
转轮222的中心与螺纹转杆221的端头固定连接；
拉杆223一端与T型杆5的中部支杆铰接，另一端与转轮222背向螺纹转杆221的一面边沿转动连接；
第三滑块224螺纹连接在螺纹转杆221上；
倾斜滑杆225的数量为两根，且与螺纹转杆221在同一水平面布置，并对称位于螺纹转杆221两侧；倾斜滑杆225一端与第一刚性支撑杆211固定，另一端向螺纹转杆221方向倾斜，且端头具有限位块2251；
第四滑块226的数量为两块，且分别滑动连接在两根倾斜滑杆225上；
刚性推杆227的数量为两根，且对称布置在第三滑块224的两侧；刚性推杆227一端与第三滑块224的侧壁固定，另一端水平穿过第四滑块226，且与第四滑块226滑动连接；
阻尼箱228的数量为两个，且分别固定在第四滑块226的顶面；阻尼箱228内滑动连接有活塞2281，并填充有磁流变阻尼液；阻尼箱228的顶面和底面对应固定有励磁线圈2282；
活塞杆229的数量为两根，且对称布置在第三滑块224的两侧；活塞杆229一端与第三滑块224的侧壁固定，另一端与活塞2281固定连接。
为了进一步优化上述技术方案，两根第一刚性连杆214的水平距离、两根第二刚性连杆215的水平距离、以及第一滑块216和第二滑块217的行程距离均为3/2R1；其中，R1为转轮222的半径。
为了进一步优化上述技术方案，T型杆5与转轮222中心的水平距离为23/10R1；其中，R1为转轮222的半径。
为了进一步优化上述技术方案，转轮222的转动角度大小范围为135°，螺纹转杆221上螺纹的长度为3/8L1；其中：L1为转轮222的周长。
参见附图9至附图13，自适应可变向主动控制系统3包括双向电动机31、转盘32、环形滑槽架33、扇形齿板34、圆柱质量块35、第一电驱动滚动支座36、第二电驱动滚动支座37、弹簧38和液压阻尼器39；
风机塔筒1内壁水平固定有第三刚性支撑杆11，第三刚性支撑杆11位于长方体质量块213上方；双向电动机31固定在第三刚性支撑杆11上，且其动力输出轴与第三刚性支撑杆11在同一水平面上，并与第三刚性支撑杆11垂直；
转盘32的中心固定在双向电动机31的动力输出轴端头；转盘32背向双向电动机31的一面边沿具有凸起的转杆321；
环形滑槽架33为长条形环形架，环形滑槽架33挂设在转杆321上，且其形成的滑槽与转杆321滑动连接；
扇形齿板34的尖端与环形滑槽架33的底端固定；扇形齿板34的弧形边沿具有齿纹；
圆柱质量块35固定在长方体质量块213的顶面，且其顶面沿其直径方向具有与第三刚性支撑杆11平行的齿形轨道351，齿形轨道351与扇形齿板34的齿纹啮合；圆柱质量块35侧壁具有周向的第一环形轨道352；
第一电驱动滚动支座36的数量为两个，且对称安装在第一环形轨道352内；
风机塔筒1内壁周向具有与第一环形轨道352在同一水平面内的第二环形轨道12；第二电驱动滚动支座37的数量为两个，且对称安装在第二环形轨道12内；
弹簧38位于一组对应的第一电驱动滚动支座36和第二电驱动滚动支座37之间；弹簧38一端通过刚性连杆与第一电驱动滚动支座36连接，另一端与第二电驱动滚动支座37连接；
液压阻尼器39位于另一组对应的第一电驱动滚动支座36和第二电驱动滚动支座37之间；液压阻尼器39一端通过刚性连杆与第一电驱动滚动支座36连接，另一端与第二电驱动滚动支座37连接。
为了进一步优化上述技术方案，扇形齿板34的半径为1/2R2，圆心角为155°，扇形齿板34上的齿数与齿形轨道351上的齿数相同；其中：R2为转盘32的半径。
参见附图14，控制系统4包括控制器41和加速器传感器；控制器41分别与励磁线圈2282、双向电动机31、第一电驱动滚动支座36和第二电驱动滚动支座37电性连接；加速器传感器安装在风机塔筒1的外壁上，且与控制器41电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，控制系统4还包括用于提供电量的电源42和用于控制开闭的开关43。
本发明具体使用和工作方式如下：
参见附图15，如设计控制海上风机第一振型的振动，将自适应主被动混合调谐质量阻尼器安装在风机塔筒1内壁第一振型振动位移幅值处；自适应主被动混合调谐质量阻尼器的初始自振频率设置为安装时风机的自振频率，装置的自振频率按公式1调谐，可通过改变长方体质量块213或圆柱质量块35的质量实现；
Figure BDA0002715888140000121
式中：ω-装置的自振频率；k-装置的刚度；m-装置的质量；
在风、浪、流长期耦合作用或基础周围冲刷作用下，海上风机结构发生疲劳损伤和基础刚度弱化，风机自振频率偏离初始频率带，振动幅度增大，安装在风机塔筒1外壁上的加速度传感器将采集到的加速度振动时域信号传输至控制器41，控制器41中的数据处理模块采用快速傅里叶变换(FFT)对时域信号进行分析，获得风机的实时振动状态；
控制器41针对风机塔筒1的振动状态设有控制阈值X1、X2(0<X1<X2)，控制器41采用变增益控制策略，数据分析模块根据风机的振动程度接通相应的控制电路，启动对应的控制系统，对风机进行振动控制：
(1)当风机振动的平动位移满足|X0|<X1时，自适应变阻尼被动控制系统2工作，风机塔筒1产生的振动能量通过第一刚性支撑杆211、第二刚性支撑杆212、第一刚性连杆214、第二刚性连杆215、第三刚性连杆218和第四刚性连杆219传递给长方体质量块213，带动长方体质量块213一起发生振动，振动产生对结构的反方向惯性力，使其对结构的振动产生控制作用，消耗掉一部分振动能量；同时长方体质量块213做往复运动，通过第三刚性连杆218、第四刚性连杆219分别带动第一滑块216、第二滑块217做水平往复运动；参见附图4-8，当第一滑块216、第二滑块217位于最左端时，与之连接的T型杆5也位于最左端，此时与T型杆5连接的左、右两侧的变阻尼单元22的连接点均位于转轮222的0°位置；当第一滑块216、第二滑块217向右运动时，左侧的变阻尼单元22的连接点带动转轮222做顺时针转动，右侧变阻尼单元的连接点带动转轮222做逆时针转动；当第一滑块216、第二滑块217运动至最右端时，左侧变阻尼单元22的连接点位于转轮222的135°位置，右侧变阻尼单元22的连接点位于转轮222的-135°位置，即转轮222的转动范围大小为135°；同理，当第一滑块216、第二滑块217向左运动时，左侧变阻尼单元22的连接点带动转轮222做逆时针转动，右侧变阻尼单元22的连接点带动转轮222做顺时针转动；以右侧变阻尼单元22为例，当连接点位于转轮222的0°位置，变阻尼单元22的第三滑块224和阻尼箱228位于起始位置，当转轮222转动时，将带动螺纹转杆221转动，安装在螺纹转杆221上的第三滑块224将沿螺纹转杆221转动，通过刚性推杆227推动两侧的第四滑块226、阻尼箱228沿倾斜滑杆225运动，从而转轮222的往复转动将带动第三滑块224和两侧的阻尼箱228分别沿螺纹转杆221和倾斜滑杆225往复运动，导致活塞2281不断挤压或释放磁流变阻尼液，从而耗散掉振动能量；
(2)当X1<|X0|<X2时，自适应变阻尼被动控制系统2继续工作，同时控制器41根据振动程度增大通过励磁线圈2282的电流，阻尼箱228内的磁场强度增大，磁流变阻尼液由自由流体状态向塑性半固体状态瞬时转变，磁流变阻尼液的阻尼系数增大，从而自适应调整系统的阻尼，导致系统消耗的振动能量增加；
(3)当X0>X2时，自适应可变向主动控制系统3工作，此时应向风机塔筒1输出水平向右的控制力，控制器41按瞬时最优控制算法计算出最优控制力的大小，控制双向电动机31启动工作，主动输出最优控制力：参见附图9-13，当双向电动机31带动转盘32转动时，连接在转盘32上的转杆321在环形滑槽架33内转动，带动扇形齿板34运动，当转盘32上转杆321位于初始0°位置时，扇形齿板34处于竖直状态，当双向电动机31逆时针转动，在转杆321由0°位置转动至90°位置过程中，扇形齿板34的齿纹向齿形轨道351上的齿施加向右的推力，导致圆柱质量块35向右运动，压缩弹簧38，弹簧38产生的反作用力作用到风机塔筒1上，使其对结构的振动产生控制作用；在转杆321由90°位置转动至180°位置过程中，扇形齿板34的齿纹向齿形轨道351上的齿施加向左的推力，导致圆柱质量块35向左运动，压缩弹簧38逐渐恢复原长；当转杆321转动至180°位置时，转杆321转动至环形滑槽架33底部，扇形齿板34再次处于竖直状态；在转杆321由180°位置转动至360°位置过程中，弹簧38处于伸长状态，圆柱质量块35在初始状态的左侧运动，但此时不需要向风机塔筒1输出向左的控制力，因此该过程输出的控制力将通过刚性连杆压缩液压阻尼器39耗散掉；
(4)当-X0>X2时，此时应向风机塔筒1输出水平向左的控制力，主动变方向控制系统工作，控制器41控制第一电驱动滚动支座36、第二电驱动滚动支座37以相同的角速度逆时针转动，转动行程分别为1/2L2、1/2L3；L2为第一环形轨道352的周长，L3为第二环形轨道12的周长，从而调整弹簧38的输出控制力方向；此时控制器41按瞬时最优控制算法计算出最优控制力的大小，按与步骤(3)相同的方法输出控制力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，包括设置在风机塔筒(1)内部所控振型最大振幅处的至少一组自适应变阻尼被动控制系统(2)、自适应可变向主动控制系统(3)和控制系统(4)；
所述自适应变阻尼被动控制系统(2)包括往复运动单元(21)和变阻尼单元(22)；所述往复运动单元(21)通过往复运动耗散振动能量；所述变阻尼单元(22)在所述往复运动单元(21)的往复带动下通过挤压或释放磁流变阻尼液耗散振动能量；
所述自适应可变向主动控制系统(3)通过施加驱动力并将输出控制力传递至不同方向，实现对振动能量的耗散；
所述控制系统(4)用于对所述风机塔筒(1)的实时振动状态进行采集，并根据采集信号相应地对所述变阻尼单元(22)和自适应可变向主动控制系统(3)进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述往复运动单元(21)包括第一刚性支撑杆(211)、第二刚性支撑杆(212)、长方体质量块(213)、第一刚性连杆(214)、第二刚性连杆(215)、第一滑块(216)、第二滑块(217)、第三刚性连杆(218)和第四刚性连杆(219)；
所述第一刚性支撑杆(211)和第二刚性支撑杆(212)在同一水平面内平行布置，且两端分别与所述风机塔筒(1)的内壁固定；
所述长方体质量块(213)位于所述第一刚性支撑杆(211)和第二刚性支撑杆(212)的上方，且其对应的两侧壁分别与所述第一刚性支撑杆(211)和第二刚性支撑杆(212)对齐；
所述第一刚性连杆(214)的数量为两根，所述第一刚性连杆(214)的一端与所述第一刚性支撑杆(211)铰接，另一端与所述第一刚性支撑杆(211)对应的所述长方体质量块(213)的侧壁铰接；
所述第二刚性连杆(215)的数量为两根，所述第二刚性连杆(215)的一端与所述第二刚性支撑杆(212)铰接，另一端与所述第二刚性支撑杆(212)对应的所述长方体质量块(213)的侧壁铰接；
所述第一滑块(216)滑动连接在所述第一刚性支撑杆(211)上，且位于两根所述第一刚性连杆(214)之间；
所述第二滑块(217)滑动连接在所述第二刚性支撑杆(212)上，且位于两根所述第二刚性连杆(215)之间；
所述第三刚性连杆(218)一端与所述第一滑块(216)铰接，另一端与一根所述第一刚性连杆(214)和长方体质量块(213)的侧壁铰接；
所述第四刚性连杆(219)一端与所述第二滑块(217)铰接，另一端与一根所述第二刚性连杆(215)和长方体质量块(213)的侧壁铰接；所述第四刚性连杆(219)和所述第三刚性连杆(218)分别与所述长方体质量块(213)的对角铰接。
3.根据权利要求2所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述第一滑块(216)和第二滑块(217)之间固定连接有T型杆(5)；所述变阻尼单元(22)的数量为两个，且分别对称布置在所述T型杆(5)两侧；所述变阻尼单元(22)包括螺纹转杆(221)、转轮(222)、拉杆(223)、第三滑块(224)、倾斜滑杆(225)、第四滑块(226)、刚性推杆(227)、阻尼箱(228)和活塞杆(229)；
所述螺纹转杆(221)布置在所述第一刚性支撑杆(211)和第二刚性支撑杆(212)之间的水平面上，且一端与所述第一刚性支撑杆(211)转动连接，且与所述第一刚性支撑杆(211)垂直；
所述转轮(222)的中心与所述螺纹转杆(221)的端头固定连接；
所述拉杆(223)一端与所述T型杆(5)的中部支杆铰接，另一端与所述转轮(222)背向所述螺纹转杆(221)的一面边沿转动连接；
所述第三滑块(224)螺纹连接在所述螺纹转杆(221)上；
所述倾斜滑杆(225)的数量为两根，且与所述螺纹转杆(221)在同一水平面布置，并对称位于所述螺纹转杆(221)两侧；所述倾斜滑杆(225)一端与所述第一刚性支撑杆(211)固定，另一端向所述螺纹转杆(221)方向倾斜，且端头具有限位块(2251)；
所述第四滑块(226)的数量为两块，且分别滑动连接在两根所述倾斜滑杆(225)上；
所述刚性推杆(227)的数量为两根，且对称布置在所述第三滑块(224)的两侧；所述刚性推杆(227)一端与所述第三滑块(224)的侧壁固定，另一端水平穿过所述第四滑块(226)，且与所述第四滑块(226)滑动连接；
所述阻尼箱(228)的数量为两个，且分别固定在所述第四滑块(226)的顶面；所述阻尼箱(228)内滑动连接有活塞(2281)，并填充有磁流变阻尼液；所述阻尼箱(228)的顶面和底面对应固定有励磁线圈(2282)；
所述活塞杆(229)的数量为两根，且对称布置在所述第三滑块(224)的两侧；所述活塞杆(229)一端与所述第三滑块(224)的侧壁固定，另一端与所述活塞(2281)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，两根所述第一刚性连杆(214)的水平距离、两根所述第二刚性连杆(215)的水平距离、以及所述第一滑块(216)和第二滑块(217)的行程距离均为3/2R1；其中，R1为所述转轮(222)的半径。
5.根据权利要求3所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述T型杆(5)与所述转轮(222)中心的水平距离为23/10R1；其中，R1为所述转轮(222)的半径。
6.根据权利要求3所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述转轮(222)的转动角度大小范围为135°，所述螺纹转杆(221)上螺纹的长度为3/8L1；其中：L1为所述转轮(222)的周长。
7.根据权利要求3-6任一项所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述自适应可变向主动控制系统(3)包括双向电动机(31)、转盘(32)、环形滑槽架(33)、扇形齿板(34)、圆柱质量块(35)、第一电驱动滚动支座(36)、第二电驱动滚动支座(37)、弹簧(38)和液压阻尼器(39)；
所述风机塔筒(1)内壁水平固定有第三刚性支撑杆(11)，所述第三刚性支撑杆(11)位于所述长方体质量块(213)上方；所述双向电动机(31)固定在所述第三刚性支撑杆(11)上，且其动力输出轴与所述第三刚性支撑杆(11)在同一水平面上，并与所述第三刚性支撑杆(11)垂直；
所述转盘(32)的中心固定在所述双向电动机(31)的动力输出轴端头；所述转盘(32)背向所述双向电动机(31)的一面边沿具有凸起的转杆(321)；
所述环形滑槽架(33)为长条形环形架，所述环形滑槽架(33)挂设在所述转杆(321)上，且其形成的滑槽与所述转杆(321)滑动连接；
所述扇形齿板(34)的尖端与所述环形滑槽架(33)的底端固定；所述扇形齿板(34)的弧形边沿具有齿纹；
所述圆柱质量块(35)固定在所述长方体质量块(213)的顶面，且其顶面沿其直径方向具有与所述第三刚性支撑杆(11)平行的齿形轨道(351)，所述齿形轨道(351)与所述扇形齿板(34)的齿纹啮合；所述圆柱质量块(35)侧壁具有周向的第一环形轨道(352)；
所述第一电驱动滚动支座(36)的数量为两个，且对称安装在所述第一环形轨道(352)内；
所述风机塔筒(1)内壁周向具有与所述第一环形轨道(352)在同一水平面内的第二环形轨道(12)；所述第二电驱动滚动支座(37)的数量为两个，且对称安装在所述第二环形轨道(12)内；
所述弹簧(38)位于一组对应的所述第一电驱动滚动支座(36)和第二电驱动滚动支座(37)之间；所述弹簧(38)一端通过刚性连杆与所述第一电驱动滚动支座(36)连接，另一端与所述第二电驱动滚动支座(37)连接；
所述液压阻尼器(39)位于另一组对应的所述第一电驱动滚动支座(36)和第二电驱动滚动支座(37)之间；所述液压阻尼器(39)一端通过刚性连杆与所述第一电驱动滚动支座(36)连接，另一端与所述第二电驱动滚动支座(37)连接。
8.根据权利要求7所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述扇形齿板(34)的半径为1/2R2，圆心角为155°，所述扇形齿板(34)上的齿数与所述齿形轨道(351)上的齿数相同；其中：R2为所述转盘(32)的半径。
9.根据权利要求7所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述控制系统(4)包括控制器(41)和加速器传感器；所述控制器(41)分别与所述励磁线圈(2282)、双向电动机(31)、第一电驱动滚动支座(36)和第二电驱动滚动支座(37)电性连接；所述加速器传感器安装在所述风机塔筒(1)的外壁上，且与所述控制器(41)电性连接。
10.根据权利要求9所述的一种海上风机振动控制的自适应主被动混合调谐质量阻尼器，其特征在于，所述控制系统(4)还包括用于提供电量的电源(42)和用于控制开闭的开关(43)。
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