CN112984033B - 一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件 - Google Patents
一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112984033B CN112984033B CN202110180932.9A CN202110180932A CN112984033B CN 112984033 B CN112984033 B CN 112984033B CN 202110180932 A CN202110180932 A CN 202110180932A CN 112984033 B CN112984033 B CN 112984033B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rod piece
- support rod
- stiffness
- infinite
- strain
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 claims description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/002—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion characterised by the control method or circuitry
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/005—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，包括常用支撑件(1)，由电致伸缩材料制成的串联杆件(2)，粘贴于常用支撑杆件(1)的上应变测量传感器组(3)，高集成度模拟控制器(4)，以及用于安装高集成度模拟控制器的微型恒温控制盒(5)。该发明利用模拟闭环回路实现支撑杆件的半主动控制，通过实现杆件整体的高频响零变形，从而形成杆件的无穷刚度特性，使刚件的刚度特性不再受制于杆件质量，且具有便于集成，不依赖上位控制器的特点。
Description
技术领域
本发明属于智能结构与控制领域，具体涉及一种基于半主动控制方法的高频响支撑杆件。
背景技术
支撑杆件是在各领域中最为常见的构件形式，是构成土木工程，光学工程，精密机械，航空航天中各类实体的常见组成构件。杆件可以单独存在，在两个分离部件之间实现力的传递；或者以多杆件构成杆系，以桁架或是其他构成形式组成起到轻量化支撑作用。杆件最初完全由被动结构组成，例如由木质杆件构成的房屋桁架或是由金属杆件构成的轻量化实体。这类被动结构虽然结构简单，但是对被支撑载荷的扰动抑制完全依靠先验设计，而且往往存在为提高支撑刚度而导致支撑杆系桁架质量过大的问题。
随着智能结构思想的出现，主动杆系结构开始出现，这类杆件一般都通过在内部集成传感器，执行器及数字控制器，并借助闭环控制对外部扰动进行实时响应从而实现扰动抑制效果。但是这种主动杆件(杆系)结构由于存在与上位控制器交互量大，控制变量过多等问题，造成系统控制回路过于复杂，鲁棒性差等问题。
为解决上述问题，本发明提出一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件。由于杆系支撑结构的作用效果主要体现于支撑刚度，因此本发明提出一种依靠半主动方法实现准无穷刚度的杆件设计方法，一方面解决传统被动支撑杆系结构为提高支撑刚度而造成支撑杆系桁架质量过大的问题，另一方面解决主动杆系结构上位控制器交互量大，控制变量过多等问题，造成系统控制回路过于复杂，鲁棒性差等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，利用模拟闭环回路实现支撑杆件的半主动控制，通过实现杆件整体的高频响零变形，从而形成杆件的无穷刚度特性，使刚件的刚度特性不再受制于杆件质量，且具有便于集成，不依赖上位控制器的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，包括常用支撑件1，由电致伸缩材料制成的串联杆件2，粘贴于常用支撑杆件1的上应变测量传感器组3，高集成度模拟控制器4，以及高集成度模拟控制器的微型恒温控制盒5。
所述应变测量传感器组3由第一应变传感器3-1，第二应变传感器3-2，第三应变传感器3-3，第四应变传感器3-4组成。所述第一应变传感器3-1，第二应变传感器3-2，第三应变传感器3-3，第四应变传感器3-4组成惠斯顿全桥应变电路。其中，所述第一应变传感器3-1与所述第三应变传感器3-3测量方向沿常用支撑杆1轴向，所述第二应变传感器3-2与所述第四应变传感器3-4测量方向沿常用支撑杆1的轴向垂直方向。
所述高集成度模拟控制器4安装在微型恒温控制盒5中，并由差分信号仪表放大器6，高输出阻抗驱动放大器7，功率放大器8组成，所述差分信号仪表放大器6接收应变测量传感组输出的应变测量信号，并经高输出阻抗驱动放大器7及功率放大器8之后为所述串联杆件2提供功率信号。
本发明相比现有技术具有如下优势：
1.本发明中所述应变测量传感器组3采用惠斯顿全桥应变电路设计，并通过所述第一应变传感器3-1与所述第三应变传感器3-3测量方向沿常用支撑杆1轴向，所述第二应变传感器3-2与所述第四应变传感器3-4测量方向沿常用支撑杆1的轴向垂直方向的传感器安装方式实现传感器组对环境温度的补偿，从而使外界环境温度对测量传感器组3无影响。同时，高集成度模拟控制器4仅由几个模拟放大组成，因此具有体积小，结构紧凑的由于，并安装于微型恒温控制盒内部，因此整个模拟控制回路也不受外界环境变化影响。整个模拟控制器具有体积小，易于集成且不易受外界温度变化影响的特点。
2.本发明集成了传感器及控制回路，所以对外部扰动也具有反馈及响应能力，因此相比目前的主动杆系设计方法，同样具有智能结构特征。但是在控制回路中不需要数字控制器及上位控制器参与，而仅由模拟控制回路控制由电致伸缩材料制成的串联杆件2的伸缩，从而保证杆件刚度特性。
3.本发明通过使用在杆系内部集成安装的模拟控制回路，并依靠由电致伸缩材料制成的串联杆件2，通过检测常用杆件的变形实现对整个杆件的闭环控制。如果用本发明所述基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件组成杆系，则可同时解决被动杆件依赖质量提升刚度及主动杆件杆系控制变量过多，控制回路过于复杂的问题。
4.由于本发明所述高集成度模拟控制器4采用模拟控制回路，其内部的差分信号仪表放大器6，高输出阻抗驱动放大器7及功率放大器8均可实现高达几十kHz的输出带宽，且该带宽不再受数字控制器中数模转换时间，微处理器计算能力等的影响。
5.本发明全控制回路仅由粘贴式应变传感器及3个放大器及其配套外围电路组成，体积小，易于集成，易于温控。且整个模拟控制回路均不受外界温度影响，具有控制特性稳定，易于安装集成的优点。
6.本发明通过控制由电致伸缩材料制成的串联杆件2对常用支撑杆件1实现长度补偿，从而使整体杆件长度受力后不发生变化，从而形成无穷刚度特性，使杆件的刚度设计不再依赖于结构质量，从而形成轻量化高刚度支撑结构。
附图说明
图1为本发明一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件组成原理示意图；
图2为应变测量传感器组3的惠斯顿全桥应变电路构成示意图；
图3为模拟控制器组成硬件组成示意图。
图中附图标记含义为：1为常用支撑杆件，2为串联杆件，3为应变测量传感器组，3-1为第一应变传感器，3-2为第二应变传感器，3-3为第三应变传感器，3-4为第四应变传感器，4为高集成度模拟控制器，5为微型恒温控制盒，6为差分信号仪表放大器，7为高输出阻抗的驱动放大器，8为功率放大器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
对于一般两端铰接的二力杆件，本发明常用支撑杆件1与由电致伸缩材料制成的串联杆件2串联安装，通过粘贴于常用支撑杆件1的上应变测量传感器组3测量常用撑杆件1的受力变形，由于应变测量传感器组3由所述第一应变传感器3-1，第二应变传感器3-2，第三应变传感器3-3，第四应变传感器3-4组成惠斯顿全桥应变电路，可保证测量结果基本不受外界温度环境变化影响。
高集成度模拟控制器4安装在微型恒温控制盒5中，并由差分信号仪表放大器6，高输出阻抗驱动放大器7，功率放大器8组成，所述差分信号仪表放大器6接收应变测量传感组输出的应变测量信号，并经高输出阻抗驱动放大器7及功率放大器8之后为所述串联杆件2提供功率信号。
当传感器检测到常用支撑杆件1受力变形后，由高集成度模拟控制器4中的差分信号仪表放大器6进行实现传感器信号调理，将惠斯顿全桥应变电路信号转化为标准模拟电压信号，该标准模拟电压信号先经过高输出阻抗驱动放大器7进行一次放大后送入功率放大器8，功率放大器8作用在于将具有高输出阻抗的驱动放大器7的输出信号转化为功率信号，该功率信号用于驱动由电致伸缩材料制成的串联杆件2实现高精度高频响电致伸缩功能。
由电致伸缩材料制成的串联杆件2特点在于输入正电压功率信号后伸长，而输入负电压功率信号后缩短。当常用支撑杆件1受压力缩短后，经过标定的高输出阻抗驱动放大器将标准模拟电压信号转化为正功率驱动信号从而使由电致伸缩材料制成的串联杆件2伸长，从而使整个杆件长度不变，相当于该杆件未发生变形。而当常用支撑杆件1受拉力伸长后，经过标定的高输出阻抗驱动放大器将标准模拟电压信号转化为负功率驱动信号从而使由电致伸缩材料制成的串联杆件2缩短，从而使整个杆件长度不变，同样相当于该杆件未发生变形。因此无论，整体杆件受拉力或者压力，整体长度均无法发生变化，相当于该杆件无论受力大小，总变形量均为零，从而构成杆件的无穷刚度特性。
Claims (7)
1.一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：包括常用支撑杆件（1），由电致伸缩材料制成的串联杆件（2），粘贴于常用支撑杆件（1）上的应变测量传感器组（3），高集成度模拟控制器（4），以及用于安装高集成度模拟控制器的微型恒温控制盒（5），其中，
所述应变测量传感器组（3）由第一应变传感器（3-1），第二应变传感器（3-2），第三应变传感器（3-3），第四应变传感器（3-4）组成，所述第一应变传感器（3-1），第二应变传感器（3-2），第三应变传感器（3-3），第四应变传感器（3-4）组成惠斯顿全桥应变电路，其中，所述第一应变传感器（3-1）与所述第三应变传感器（3-3）测量方向沿常用支撑杆件（1）轴向，所述第二应变传感器（3-2）与所述第四应变传感器（3-4）测量方向沿常用支撑杆件（1）的轴向垂直方向；
所述高集成度模拟控制器（4）安装在微型恒温控制盒（5）中，并由差分信号仪表放大器（6），高输出阻抗驱动放大器（7），功率放大器（8）组成，所述差分信号仪表放大器（6）接收应变测量传感器组输出的应变测量信号，并经高输出阻抗驱动放大器（7）及功率放大器（8）之后为所述串联杆件（2）提供功率信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：所述应变测量传感器组（3）采用惠斯顿全桥应变电路设计，并通过所述第一应变传感器（3-1）与所述第三应变传感器（3-3）测量方向沿常用支撑杆件（1）轴向，所述第二应变传感器（3-2）与所述第四应变传感器（3-4）测量方向沿常用支撑杆件（1）的轴向垂直方向的传感器安装方式实现传感器组对环境温度的补偿，从而使外界环境温度对应变测量传感器组（3）无影响；同时，高集成度模拟控制器（4）仅由几个模拟放大器组成，因此具有体积小，结构紧凑的优点，并安装于微型恒温控制盒内部，因此整个模拟控制回路也不受外界环境变化影响；整个模拟控制器具有体积小，易于集成且不易受外界温度变化影响的特点。
3.根据权利要求1所述的一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：该高频响无穷刚度智能支撑杆件集成了传感器及控制回路，所以对外部扰动也具有反馈及响应能力，因此相比目前的主动杆系设计方法，同样具有智能结构特征；但是在控制回路中不需要数字控制器及上位控制器参与，而仅由模拟控制回路控制由电致伸缩材料制成的串联杆件（2）的伸缩，从而保证杆件刚度特性。
4.根据权利要求1所述的一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：该高频响无穷刚度智能支撑杆件通过使用在杆系内部集成安装的模拟控制回路，并依靠由电致伸缩材料制成的串联杆件（2），通过检测常用杆件的变形实现对整个杆件的闭环控制；如果用所述基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件组成杆系，则可同时解决被动杆件依赖质量提升刚度及主动杆件杆系控制变量过多，控制回路过于复杂的问题。
5.根据权利要求1所述的一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：由于所述高集成度模拟控制器（4）采用模拟控制回路，其内部的差分信号仪表放大器（6），高输出阻抗驱动放大器（7）及功率放大器（8）均可实现高达几十kHz的输出带宽，且该带宽不再受数字控制器中数模转换时间，微处理器计算能力的影响。
6.根据权利要求1所述的一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：控制回路仅由粘贴式应变传感器及3个放大器及其配套外围电路组成，体积小，易于集成，易于温控，且整个模拟控制回路均不受外界温度影响，具有控制特性稳定，易于安装集成的优点。
7.根据权利要求1所述的一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件，其特征在于：该高频响无穷刚度智能支撑杆件通过控制由电致伸缩材料制成的串联杆件（2）对常用支撑杆件（1）实现长度补偿，从而使整体杆件长度不发生变化，因此使整体杆件的刚度设计不再依赖于结构质量，从而形成轻量化高刚度支撑结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110180932.9A CN112984033B (zh) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110180932.9A CN112984033B (zh) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112984033A CN112984033A (zh) | 2021-06-18 |
| CN112984033B true CN112984033B (zh) | 2022-08-02 |
Family
ID=76393066
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110180932.9A Active CN112984033B (zh) | 2021-02-08 | 2021-02-08 | 一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112984033B (zh) |
-
2021
- 2021-02-08 CN CN202110180932.9A patent/CN112984033B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112984033A (zh) | 2021-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Scire et al. | Piezodriven 50‐μm range stage with subnanometer resolution | |
| Xu et al. | A high sensitive pressure sensor with the novel bossed diaphragm combined with peninsula-island structure | |
| CN1049730C (zh) | 称重装置 | |
| CN110040680B (zh) | 基于电热预加载具有准零刚度特性的mems微重力传感器芯片 | |
| Zhang et al. | Temperature-independent fiber-Bragg-grating-based atmospheric pressure sensor | |
| CN102519653A (zh) | 一种弹簧管应变片组合式数字压力表 | |
| CN112984033B (zh) | 一种基于半主动控制方法的高频响无穷刚度智能支撑杆件 | |
| Zhang et al. | Leakage current characterization and compensation for piezoelectric actuator with charge drive | |
| Delhaye et al. | New universal figure of merit for embedded Si piezoresistive pressure sensors | |
| KR101056473B1 (ko) | 계측 기기 | |
| CN114705343A (zh) | 一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置及其标定方法 | |
| CN116754107A (zh) | 具有放大结构的高灵敏度谐振压力传感器及信号调理方法 | |
| CN113311562A (zh) | 一种用于主动镜面支撑的力促动器及其控制系统 | |
| CN111830281A (zh) | 一种面向谐振式mems传感器的拱形谐振器及mems加速度计 | |
| CN113459053B (zh) | 一种基于压电驱动的运动平台装置 | |
| CN113428386A (zh) | 一种在轨超长桁架结构变形控制装置 | |
| CN111006722B (zh) | 基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器 | |
| Sun et al. | Temperature compensation for six-dimension force/torque sensor based on Radial Basis Function Neural Network | |
| CN2514332Y (zh) | 挠性模态测量仪 | |
| CN220568059U (zh) | 一种微动平台 | |
| CN113277122B (zh) | 含自传感功能的电磁式二维偏转调节装置及方法 | |
| CN105978398B (zh) | 具有半菱形二连杆位移输出机构的超磁致伸缩驱动装置 | |
| Bao et al. | A fast and accurate calibration method for high sensitivity pressure transducers | |
| CN101276051A (zh) | 双向线性精密力促动器 | |
| JP4192820B2 (ja) | ロードセル |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |