CN112879482A - 一种主动减振平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动减振平台及其控制方法,所述主动减振平台包括:基座,其内部具有容纳空腔,基座的顶板上开设有中心通孔;其中,容纳空腔内充满磁流变液;支撑平台,其设置在基座上方;活塞,其设置在基座内,活塞包括:活塞板和活塞连杆;其中,活塞板设置在容纳空腔中,并与顶板平行设置;活塞板能够在容纳空腔内上下移动;活塞板上开设有多个通孔;活塞连杆的一端同轴固定连接在活塞板的中心处,另一端穿过中心通孔延伸至基座上方,并与支撑平台固定连接;永磁体,其固定安装在基座的内壁上,并且位于活塞板上方;电磁线圈,其缠绕在活塞连杆上;空气弹簧,其设置在基座的顶板与支撑平台之间,并且套设在活塞连杆上。
Description
技术领域
本发明属于减振技术领域,特别涉及一种主动减振平台及其控制方法。
背景技术
随着经济的快速发展,交通运输行业已经深深影响着普通百姓的生活,关系着各行各业的发展和联系。其中存在的振动问题也尤为显著,尤其对于精密加工以及振动要求高的技术,良好的减振效果更是必不可少,因此研究主动隔振技术具有十分重要的意义。
振动隔离指的是在振动的传播途径中加入适当的元件,以减小传递到接收结构的振动强度。隔振平台的阻尼和固有频率是对隔振效果影响较大的两个关键因素。从隔振原理来说,降低减振平台的刚度、增大减振平台的质量或加入阻尼是提高减振效果的方法,但增大平台质量并不是一个好的解决方法。因此,能够根据振动强度,实时改变平台阻尼的方法具有更好的适用性。
目前现有的减振器,大多对于机械结构要求较高,需要严密的配合,如果机械结构设计不合理或配合不够精确,很难达到预想的减振效果。还有部分减振器需要设置多种传感器,布置复杂电路来估计衰减系数,容易判断错误,造成减振失效。目前的智能化主动减振器一般采用LMS算法,需要另设置位移传感器等其他装置,用来配合估计算法的步长,使算法能适应环境的变化。另外,由于装置过于复杂,可能会由于传感器错误识别需减振信号的频率或存在电信号延迟的情况导致减振性差的情况,而且LMS算法的稳定性和减振效果都不是最佳的。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种主动减振平台,其通过永磁体与电磁线圈配合改变磁流变液所处的磁场强度,改变磁流变液对活塞的阻尼力,能够获得比较好的主动减振效果。
本发明的目的之二是提供一种主动减振平台的控制方法,其能够根据传导到减振平台上的振动信号和磁流变液的温度控制输出到电磁线圈的电信号,实现对减振阻尼力的控制,从而获得更好的减振效果。
本发明提供的技术方案为:
一种主动减振平台,包括:
基座,其内部具有容纳空腔,所述基座的顶板上开设有中心通孔;
其中,所述容纳空腔内充满磁流变液;
支撑平台,其设置在所述基座上方;
活塞,其设置在所述基座内,所述活塞包括:活塞板和活塞连杆;
其中,所述活塞板设置在所述容纳空腔中,并与所述顶板平行设置;所述活塞板能够在所述容纳空腔内上下移动;所述活塞板上开设有多个通孔;
所述活塞连杆的一端同轴固定连接在所述活塞板的中心处,另一端穿过所述中心通孔延伸至所述基座上方,并与所述支撑平台固定连接;
永磁体,其固定安装在所述基座的内壁上,并且位于所述活塞板上方;
电磁线圈,其缠绕在所述活塞连杆上;
空气弹簧,其设置在所述基座的顶板与所述支撑平台之间,并且套设在所述活塞连杆上。
优选的是,所述中心通孔内安装有密封圈。
优选的是,所述基座的侧壁向所述顶板的上方延伸,在所述顶板的上方围合形成凹槽;
其中,所述空气弹簧的下端匹配安装在所述凹槽中。
优选的是,所述支撑平台包括主体部和导向部;
所述主体部为平板状,所述导向部沿所述主体部的周向设置,并且固定连接在所述主体部的下方;所述导向部的内壁与所述基座的侧壁的外表面之间形成间隙配合。
优选的是,所述基座的侧壁与所述基座的底板之间通过螺栓连接,在所述侧壁与所述底板连接处安装有密封圈。
优选的是,所述的主动减振平台,还包括:
振动传感器,其安装在所述支撑平台上,用于检测所述支撑平台的振动加速度;
信号采集模块,其与所述振动传感器电联,对加速度信号进行滤波和放大后输出;
控制模块,其与所述信号采集模块电联,并根据所述信号采集模块输出的信号得到减振控制信号;
输出信号处理模块,其与所述控制模块,用于将所述减振控制信号功率放大;以及
电气控制模块,其与所述输出信号处理模块电联,并连接所述电磁线圈,用于向所述电磁线圈输出电信号。
一种主动减振平台的控制方法,使用所述的主动减振平台,包括:
获取支撑的振动加速度,并根据所述振动加速度信号得到基础减振控制信号;
获取磁流变液的温度,并且根据所述磁流变液的温度,得到减振控制信号的修正系数;以及
根据所述基础减振控制信号和所述修正系数确定减振控制信号;
其中,所述减振控制信号的计算方法为:
式中,y′(n)表示减振控制信号;ξ表示减振控制信号的修正系数,y(n)表示基础减振控制信号;t(n)表示磁流变液的温度,η表示机械摩擦损失补偿系数,n表示n时刻。
优选的是,通过变步长凸组合算法得到所述基础减振控制信号y(n);
y(n)=λ(n)yf1(n)+[1-λ(n)]yf2(n);
其中,λ(n)=(1+e-α(n))-1;yf1(n)为振动模拟信号经过一阶滤波器产生的振动信号通过次级通道的估计产生的振动信号;yf2(n)为振动模拟信号经过二阶滤波器产生的振动信号通过次级通道的估计产生的振动信号;α(n)为调节参数。
优选的是,所述调节参数α(n)以凸组合算法的最小均方误差为准则进行更新:
α(n+1)=α(n)+μαe(n)[yf1(n)-yf2(n)]λ(n)[1-λ(n)];
式中,μα为调节参数的步长因子,e(n)表示残余误差信号。
优选的是,所述的主动减振平台的控制方法,还包括:在一阶滤波器和二阶滤波器的迭代计算过程中,通过多目标例子算法确定一阶滤波器和二阶滤波器的权向量更新步长。
本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的主动减振平台,通过在基座中设置磁流变液,并且通过永磁体与电磁线圈配合改变磁流变液所处的磁场强度,从而改变磁流变液对活塞的阻尼力,并且通过与设置在支撑平台下侧的空气弹簧相配合,抵消传导到支撑平台上的振动力;所述主动减振平台结构简单,便于装配,并且能起到较好的主动减振效果。
(2)本发明提供的主动减振平台的控制方法,能够实现大载荷、中低频振动的控制;变步长凸组合算法并联了两个变步长FxLMS算法,利用遗传算法和多目标粒子算法对凸组合算法进行步长和阶数调整,可以根据输入信号自动调节参数,不需要设置另外的传感器进行参数估计,实现了主动减振;并且能够同时保有快速的收敛速度和较小的稳态误差等优点,以及具有良好的跟踪性能;通过设置修正系数,能够弥补MR流体的性质因温度变化而改变的缺点以及阻尼减振装置运动过程中存在机械损失而导致的减振信号不匹配问题。
附图说明
图1为本发明所述的主动减振平台的剖面结构示意图。
图2为本发明所述的主动减振平台的俯视剖面示意图。
图3为本发明所述的活塞板的结构示意图。
图4为本发明所述的基座的剖面示意图。
图5为本发明所述的主动减振平台的主动减振平台的减振控制系统的示意图。
图6为本发明所述的变步长凸组合算法控制模型图。
图7为本发明所述的变步长凸组合算法的减振流程图。
图8为本发明试验例中随机振动输入情况下的减振示意图。
图9为本发明试验例中随机振动输入情况下的振动传递率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-4所示,本发明提供了一种主动减振平台,包括:基座110、支撑平台120、活塞130、永磁体140、电磁线圈150、磁流变液160及空气弹簧170。
如图4所示,基座110由底板111、侧壁112和顶板113组成,其中底板112和顶板112分别水平设置,侧壁112竖直设置。基座110的内部具有容纳空腔,所述容纳空腔内充满磁流变液;顶板111上开设有中心通孔。
支撑平台120设置在基座110上方。活塞130设置在基座110的容纳空腔内;活塞130包括:活塞板131和活塞连杆132。其中,活塞板131水平设置在所述容纳空腔中,并能够在所述容纳空腔中上下移动,活塞板131的边缘与基座110的侧壁112间隙配合;活塞板131将所述容纳空腔分隔为上下两个腔室,活塞板131上开设有多个通孔131a,当活塞板131上下移动时,所述容纳空腔内的磁流变液170能够通过通孔131a在上下两个腔室之间流动。
活塞连杆132的下端同轴固定连接在活塞板131的中心处,活塞连杆132的上端穿过顶板111上的中心通孔延伸至基座110的上方,并且与支撑平台120固定连接。在本实施例中,活塞连杆132与支撑平台120通过螺栓连接,以便于安装和更换部件。其中,顶板111上的中心通孔为圆形通孔,内部安装有密封圈111a;活塞连杆132为圆柱状杆,密封圈111a与活塞连杆132的外表面接触,使活塞杆132与顶板111的中心通孔的接触处实现密封,防止磁流变液160流出。
永磁体140固定安装在基座110的内壁上,并且位于活塞板130上方,即位于基座110的上侧腔室的内壁上。电磁线圈150缠绕在活塞连杆132上,并通过导线(图中未示出)连接供电装置。
作为进一步的优选活塞连杆132中心处沿轴向开设有凹槽132a,用于安装导线。活塞杆上开有小孔,所述小孔位于活塞杆中下部位置。所述小孔与凹槽132a连通,与电气控制模块240连接导线从支撑平台120处穿入,经过凹槽132a,向下穿过所述小孔,与电磁线圈150相连。
空气弹簧170设置在顶板111与支撑平台120之间,并且套设在活塞连杆132上。
在本实施例中,基座110的侧壁112向顶板111的上方延伸,在顶板111的上方围合形成凹槽;其中,空气弹簧170的下端匹配安装在所述凹槽中。
作为进一步的优选,支撑平台120包括主体部121和导向部122;主体部121为平板状,导向部122沿主体部121的周向设置,并且固定连接在主体部121的下方;导向部122的内壁与基座的侧壁112的外表面之间形成间隙配合。设置导向部122能够使空气弹簧170处于封闭空间内,起到保护空气弹簧170的作用;并且对支撑平台120的运动起到导向作用。
基座的侧壁112与基座的顶板111为一体成型结构,侧壁112基座的底板111之间通过螺栓111b连接,侧壁112与底板111连接处安装有密封圈111c,以保证对磁流变液160的密封效果。
如图5所示,在本实施例中,主动减振平台还包括减振控制系统,其包括:振动传感器、温度传感器、信号采集模块210、控制模块220、输出信号处理模块230及电气控制模块240。所述振动传感器安装在支撑平台120上,用于检测支撑平台120的振动加速度;所述温度传感器设置在磁流变液中,用于实施监测磁流变液的温度;信号采集模块210与所述振动传感器和所述温度传感器电联,对加速度信号和温度信号进行滤波和放大后输出;控制模块220与信号采集模块210电联,并根据信号采集模块210输出的信号得到减振控制信号;输出信号处理模块230与控制模块220电联,用于将所述减振控制信号功率放大;电气控制模块240与输出信号处理模块230电联,并连接电磁线圈150,用于向电磁线圈150输出电信号。
在本实施例中,控制模块220采用DSP控制器,包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换器、快擦写存储器Flash ROM、串口通讯电路等,DSP控制器电连接所述信息采集模块和输出信号处理模块;快擦写存储器Flash ROM用作存储控制算法和硬件配置信息;串口通讯电路与DSP电路与计算机连接,将信号传递给计算机进行后续处理;A/D转换器与DSP电路相连,将输入的模拟信号转换为数字信号;D/A转换器与DSP电路相连,将输出的数字信号转换为模拟信号,用于后续控制。控制模块220中嵌入变步长凸组合算法,控制模块220接收信息信号采集模块210信息,根据振动信号以及误差信号进行凸组合算法的自适应调整,并且根据磁流变液的温度对信号进行修正后,输出相应的减振控制信号,传递至输出信号处理模块230。
本发明提供的主动减振平台相比现有的减振平台,结构简单,对装配精度的要求相对较低;采用DSP控制器配合算法控制,能够保证控制的实时性,提高了系统的抗干扰能力。
如图6-7所示,本发明还提供了一种主动减振平台的控制方法,使用所述的主动减振平台,具体控制过程包括:
(1)获取支撑的振动加速度,并采用变步长凸组合算法得到基础减振控制信号。变步长凸组合算法通过并联两个变步长算法实现更好的减振效果,利用多目标粒子算法对凸组合算法的步长根据输入信号自适应改变,无需另设传感器等装置即可实现算法的更迭;该算法同时可以保证较小的稳态误差。
如图6所示,x(n)是振动传感器采集的经过滤波的参考信号;经过初级通道传递函数P(n)产生期望响应d(n);H为次级通道传递函数,是次级通道函数的估计,次级通道的存在使得整个滤波器更加稳定;xf(n)是参考信号的滤波信号;e(n)为期望响应d(n)与输出信号y(n)的差值,即残余误差信号,xf(n)与ei(n)共同更新滤波器权系数,e(n)调节组合系数λ(n);输出信号y(n)即为基础减振控制信号。
振动传感器安置在支撑平台120上,用来感知振动信号。振动信号被传输至信号采集模块,信号采集模块对振动信号进行初级滤波,滤去其中较大幅值的尖锐信号,并将信号放大,进一步传输至控制模块。
首先利用现有的算法技术进行初级路径和次级路径的离线建模。
振动信号的消除的基本思想是减振平台产生与初级振动信号相位相反,幅值相近的振动信号,实现原有振动信号的叠加抵消。采用凸组合算法进行减振时,具体过程如下:
传输到控制模块的振动信号x(n)是整个系统的参考信号,该信号首先经过初级路径,从而产生期望振动信号d(n),表示为:
d(n)=X(n)*P(n)
振动信号经过次级路径,与次级通道函数h(n)卷积形成振动参考信号xf(n),振动参考信号xf(n)与各自的误差信号ei(n)共同调节各滤波器的权向量,该算法引入次级路径是为了提高算法的鲁棒性,为了保证误差信号e(n)能及时与振动信号x(n)对齐,需要对H(n)进行补偿,因此引入了次级通道函数的估计
算法的两个权向量:
wi(n+1)=fi[wi(n),xf(n),ei(n)],i=1,2
其中,fi为自适应函数,wi(n)为权向量,w1(n)和w2(n)应具有相同的阶数,xf(n)表示输入向量。
一阶滤波算法的迭代公式为
w1(n+1)=w1(n)+μ1|e(n)|psign(e(n))(X(n)*h(n))
其中h(n)为次级通道的脉冲响应函数。
二阶滤波算法的迭代公式为
w2(n+1)=w2(n)+μ2|e(n)|psign(e(n))(X(n)*h(n))
运用多目标粒子算法对凸组合算法进行步长选择,具体步骤如下:
步骤1:对粒子种群的随机初始化;
步骤2:将群体赋值给待求参数,令一阶滤波算法步长μ1=var1,二阶滤波算法步长μ2=var2;
步骤3:将步骤2中的参数代入主动振动控制算法,计算适应度函数对应适应度值,为得到滤波器最佳权系数,设定一个目标函数,以目标函数最小为目标推导计算最佳滤波器权系数,主动振动控制算法采用最小均方误差准则,将目标函数设为J(n)=E[e2(n)],e(n)为误差信号;
步骤5:首先判断此次迭代的迭代次数是否达到上限,若达到上限时,输出最优值;未达到时,执行步骤6;
步骤6:对种群进行更新,再执行步骤2至5。
n时刻,振动信号x(n)经过滤波器后,产生抵消振动信号y1(n),y2(n),抵消振动信号进入次级通道的估计,产生输出振动信号yf1(n),yf2(n),
为了协调两个滤波器间的权重,引入了一个非负的组合系数λ(n),总的输出为
y(n)=λ(n)yf1(n)+[1-λ(n)]yf2(n)
λ(n)表达式为
λ(n)=sgm(α(n))=(1+e-α(n))-1
该系数与误差信号e(n)有关,是误差信号的sigmoid函数,而参数α(n)是调节λ(n)大小的重要参数。
参数α(n)以凸组合算法的最小均方误差为准则进行更新
α(n+1)=α(n)+μαe(n)[yf1(n)-yf2(n)]λ(n)[1-λ(n)]
经过实验证明,当μα大于3时,μα越大,整个算法表现越好,但当μα增大到一定数值时,效果不再明显,选定μα为200。α(n)与误差信号e(n)、输出振动信号yf1(n),yf2(n),以及组合参数λ(n)有关。
引入组合参数后,总的权向量为
w(n)=λ(n)w1(n)+[1-λ(n)]w2(n)
误差信号e(n)为
e(n)=d(n)-y(n)
该算法的目标是降低误差信号e(n)直至0,即输出一个反向振动信号y(n),以使原始振动信号x(n)彻底消除。
(2)获取磁流变液的温度,并且根据所述磁流变液的温度,得到减振控制信号的修正系数。
考虑到磁流变液的性质受温度的影响,以及平台动作过程中存在摩擦,将导致减振效果受到影响,因此设定修正系数:
ξ=((3+1.2-t(n)+50)-1+0.78)×η;
式中,ξ表示减振控制信号的修正系数,t为磁流变液的温度,该修正系数采用指数函数修正,η表示机械摩擦损失补偿系数,设置η用于弥补机械摩擦损失。根据经验,η=1.1时,能够取得较好的修正效果,n表示n时刻。
(3)根据所述基础减振控制信号和所述修正系数确定减振控制信号。
其中,所述减振控制信号的计算方法为:
y′(n)=ξ·y(n);
式中,y′(n)表示减振控制信号;y(n)表示基础减振控制信号;t(n)表示磁流变液的温度,η表示机械摩擦损失补偿系数,n表示n时刻。
所述主动减振平台的工作原理为:支撑平台120因为振动产生位移,橡胶空气弹簧170首先动作,实现高频振动的减振。电磁线圈150通电后,因电压不同,电磁线圈150与永磁体140间的磁场会发生相应改变,磁流变液160在磁场的作用下,自身粘度也会发生相应改变,磁流变液160在活塞板131的挤压作用下,穿过活塞板131上的通孔131a,产生与输入信号相对应的衰减力。振动强度不同,控制算法输出的信号大小不同,磁流变液的粘度发生改变,流过带孔板时阻尼大小也相应改变,实现主动振动衰减。
试验例
如图7-8所示,设定加速度信号为几个正弦信号的叠加,采样频率为8000Hz。由图7可以看出,基于变步长凸组合算法的减振平台的减振性能良好,该算法在随机振动输入下,可以快速实现振动的衰减,振动幅度在0.3s内就可衰减到较小的数值,并且能够保持在较小且稳定的残余振动信号状态,即减振平台能够稳定输出特定阻尼力。
在上述的加速度信号的输入下,绘制振动传递率曲线图,如图8所示。可以看出,振动衰减可以达到55分贝,说明该减振平台的减振效果良好。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种主动减振平台,其特征在于,包括:
基座,其内部具有容纳空腔,所述基座的顶板上开设有中心通孔;
其中,所述容纳空腔内充满磁流变液;
支撑平台,其设置在所述基座上方;
活塞,其设置在所述基座内,所述活塞包括:活塞板和活塞连杆;
其中,所述活塞板设置在所述容纳空腔中,并与所述顶板平行设置;所述活塞板能够在所述容纳空腔内上下移动;所述活塞板上开设有多个通孔;
所述活塞连杆的一端同轴固定连接在所述活塞板的中心处,另一端穿过所述中心通孔延伸至所述基座上方,并与所述支撑平台固定连接;
永磁体,其固定安装在所述基座的内壁上,并且位于所述活塞板上方;
电磁线圈,其缠绕在所述活塞连杆上;
空气弹簧,其设置在所述基座的顶板与所述支撑平台之间,并且套设在所述活塞连杆上。
2.根据权利要求1所述的主动减振平台,其特征在于,所述中心通孔内安装有密封圈。
3.根据权利要求2所述的主动减振平台,其特征在于,所述基座的侧壁向所述顶板的上方延伸,在所述顶板的上方围合形成凹槽;
其中,所述空气弹簧的下端匹配安装在所述凹槽中。
4.根据权利要求2或3所述的主动减振平台,其特征在于,所述支撑平台包括主体部和导向部;
所述主体部为平板状,所述导向部沿所述主体部的周向设置,并且固定连接在所述主体部的下方;所述导向部的内壁与所述基座的侧壁的外表面之间形成间隙配合。
5.根据权利要求4所述的主动减振平台,其特征在于,所述基座的侧壁与所述基座的底板之间通过螺栓连接,在所述侧壁与所述底板连接处安装有密封圈。
6.根据权利要求5所述的主动减振平台,其特征在于,还包括:
振动传感器,其安装在所述支撑平台上,用于检测所述支撑平台的振动加速度;
信号采集模块,其与所述振动传感器电联,对加速度信号进行滤波和放大后输出;
控制模块,其与所述信号采集模块电联,并根据所述信号采集模块输出的信号得到减振控制信号;
输出信号处理模块,其与所述控制模块,用于将所述减振控制信号功率放大;以及
电气控制模块,其与所述输出信号处理模块电联,并连接所述电磁线圈,用于向所述电磁线圈输出电信号。
8.根据权利要求7所述的主动减振平台的控制方法,其特征在于,通过变步长凸组合算法得到所述基础减振控制信号y(n);
y(n)=λ(n)yf1(n)+[1-λ(n)]yf2(n);
其中,λ(n)=(1+e-α(n))-1;yf1(n)为振动模拟信号经过一阶滤波器产生的振动信号通过次级通道的估计产生的振动信号;yf2(n)为振动模拟信号经过二阶滤波器产生的振动信号通过次级通道的估计产生的振动信号;α(n)为调节参数。
9.根据权利要求8所述的主动减振平台的控制方法,其特征在于,所述调节参数α(n)以凸组合算法的最小均方误差为准则进行更新:
α(n+1)=α(n)+μαe(n)[yf1(n)-yf2(n)]λ(n)[1-λ(n)];
式中,μα为调节参数的步长因子,e(n)表示残余误差信号。
10.根据权利要求9所述的主动减振平台的控制方法,其特征在于,还包括:在一阶滤波器和二阶滤波器的迭代计算过程中,通过多目标例子算法确定一阶滤波器和二阶滤波器的权向量更新步长。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110346351.8A CN112879482A (zh) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | 一种主动减振平台及其控制方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113864387A (zh) * | 2021-10-20 | 2021-12-31 | 上海新纪元机器人有限公司 | 一种主动减震机构控制方法、系统和存储介质 |
CN115693567A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-02-03 | 山东大学 | 一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置 |
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2021
- 2021-03-31 CN CN202110346351.8A patent/CN112879482A/zh active Pending
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