CN113048183B - 一种变频振动自学习快速调谐吸振系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频振动自学习快速调谐吸振系统，包含被控振动初级系统、刚度阻尼可调谐电磁吸振和强化学习快速调谐控制系统；其中刚度阻尼可调谐电磁吸振包含永磁振子、刚度控制电磁线圈、导电铜片、阻尼控制电磁线圈和固定外框架；强化学习快速调谐控制系统包含强化学习模块、耦合动力学模块和频率辨识模块。本发明将强化学习植入吸振器的控制系统，通过使吸振与外部振动环境进行交互不断累计学习经验，学习完成后的吸振能快速调谐至最优状态并完成对初级振动系统的振动抑制。

Description

一种变频振动自学习快速调谐吸振系统
技术领域
本发明涉及振动抑制技术领域，具体为一种变频振动自学习快速调谐吸振系统。
背景技术
动力吸振器最早出现于1909年，与隔振器相比，动力吸振器的优点在于其可以实现小型轻量化设计、对被控对象原结构破坏小、而同时又具有杰出的制振性能，其在机械振动抑制、建筑制振等领域具有广阔的应用范围。动力吸振器是广泛应用于工程实践中的一种减振技术。其通过在被控主振系的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统即动力吸振器，通过合理地选择动力吸振器的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，从而改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到动力吸振器上，从而减少或消除主振系的振动。对于通常可以简化为单自由度质量弹簧系统的动力吸振器而言，就是要将附加子系统的质量和刚度调谐至其固有频率与主振系激励频率相同，从而引起动力吸振器发生反共振，使被控主振系的振动能量最大程度地输入到动力吸振器上，达到对被控主振系减振的目的。由于动力吸振器结构简单、减振效果明显、易于实施，因此在工程实践中得到了广泛应用。
动力吸振器最早的工程应用见于1909年Frahm在德国邮船上安装的防振水箱，但是当时并没有明确它的基本构造和原理。1928年J.Ormondroyd和Den Hartog通过对单自由度振动系统的研究，提出了利用动力吸振器的阻尼作用降低主振动系统振幅的动力吸振器设计思想，确定了最优阻尼的存在，建立了动力调谐原理。在此基础上，Hahnkamm利用振幅曲线上存在两个不受阻尼大小影响的定点现象，推导出了动力吸振器的最优同调频率。随后，Brock于1946年推导出了最优阻尼的关系，形成了完整的关于传统的动力吸振器的理论体系。从上世纪中后期开始，人们的研究重点主要是在传统吸振器的基础上，通过改变结构特点、利用特殊材料等来不断寻求适合当今技术发展要求的动力吸振技术。比如，多重动力吸振器、利用记忆合金和磁流变体等智能材料设计的新型吸振器。
从技术特点上来看，可以将动力吸振器分为被动吸振器，半主动吸振器和主动吸振器。传统来讲，我们用来抑制振动的方法主要是被动式吸振器，被动吸振器的各项参数设定后就不再改变，因此主要适用于对单一激励频率进行振动抑制，其结构简单、性能稳定，但控制频率范围太窄。主动吸振器的最大特点是根据被控对象的实际振动情况，对被控对象产生一个反相作动力，抵消原振动，实现减振目标，其控制精度和减振效果最好，但结构复杂且能耗较高，而且对控制系统的要求非常高，因此主要被应用于光学设计或精密加工等对减振效果要求很高的领域。半主动吸振器也称为自调谐吸振器，它的某些参数（频率、阻尼和质量）可在线改变，因此其能够针对变化的激励频率进行减振，宽频减振效果较被动吸振器有很大提高。半主动吸振器介于前两者之间，其减振效果接近主动吸振器，而且结构相对简单、控制方便、耗能较少，因此更具有应用前景。
现有技术中已有的半主动吸振器的调谐速度较慢，很难满足实时调谐的要求，对变频振动的抑制效果不够理想。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种变频振动自学习快速调谐吸振系统，本发明将强化学习植入吸振器的控制系统，通过使吸振与外部振动环境进行交互不断累计学习经验，学习完成后的吸振能快速调谐至最优状态并完成对初级振动系统的振动抑制。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种变频振动自学习快速调谐吸振系统，包括被控振动初级系统、刚度阻尼可调谐电磁吸振和强化学习快速调谐控制系统；
所述刚度阻尼可调谐电磁吸振包含永磁振子、刚度控制电磁线圈、导电铜片、阻尼控制电磁线圈和固定外框架；
所述强化学习快速调谐控制系统包含强化学习模块、耦合动力学模块和频率辨识模块。
优选的，所述刚度阻尼可调谐电磁吸振安装于被控振动初级系统外表面，用于采集被控振动初级系统的振动信号并输入强化学习快速调谐控制系统，强化学习快速调谐控制系统根据计算结果输出控制电流对刚度阻尼可调谐电磁吸振进行实时控制。
优选的，所述永磁振子通过刚度元件和阻尼元件连接于固定外框架，且永磁振子可以在x、y、z轴三个自由度振荡；
所述刚度控制电磁线圈位于永磁振子上方，用于控制刚度控制电磁线圈的电流，可对刚度阻尼可调谐电磁吸振的刚度进行实时调节；
所述阻尼控制电磁线圈位于永磁振子两侧，且永磁振子的侧面安装有导电铜片。
优选的，所述强化学习快速调谐控制系统包括如下学习步骤：
1）强化学习快速调谐控制系统使用传感器采集被控振动初级系统的振动信号，经过频率辨识模块，从混杂了本底噪声的振动信号中得出振动特征频率；
2）将振动信号输入强化学习模块，将被控振动初级系统的振动根据振幅大小划分为若干状态S1、S2、S3、S4、S5，其中状态S1、S2、S3、S4表示被控振动初级系统的振动未抑制到理想振幅、状态S5表示被控振动初级系统的振动抑制成功，若被控振动初级系统从状态S1、S2、S3、S4中任一状态转换至状态S5，则赋予奖励回报值R(R>0)，否则奖励回报值为0，通过不断调节调谐动作，使强化学习快速调谐控制系统不断累积经验，基于回报函数值得到各个状态的最快调谐动作；
3）将振动特征频率、最快调谐动作、振动信号输入耦合动力学模块可计算出刚度阻尼可调谐电磁吸振的控制电流，从而提高吸振系统对变频振动的抑制速度。
本发明的有益效果为：
1、本发明将强化学习植入吸振器的控制系统，通过使吸振与外部振动环境进行交互不断累计学习经验，学习完成后的吸振能快速调谐至最优状态并完成对初级振动系统的振动抑制。
2、本发明工作频带较宽、结构简单、易于安装、应用方便。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的一种变频振动自学习快速调谐吸振系统结构及原理简图；
图2为本发明中刚度阻尼可调谐电磁吸振结构示意图；
图3为本发明提供的强化学习快速调谐控制系统原理示意图；
图中标号：1、被控振动初级系统；2、刚度阻尼可调谐电磁吸振；3、强化学习快速调谐控制系统；4、永磁振子；5、刚度控制电磁线圈；6、导电铜片；7、阻尼控制电磁线圈；8、固定外框架；9、强化学习模块；10、耦合动力学模块；11、频率辨识模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
现有技术中已有的半主动吸振器的调谐速度较慢，很难满足实时调谐的要求，对变频振动的抑制效果不够理想。
如图1所示，本发明提供如下技术方案：一种变频振动自学习快速调谐吸振系统，包括被控振动初级系统1、刚度阻尼可调谐电磁吸振2和强化学习快速调谐控制系统3；
刚度阻尼可调谐电磁吸振2包含永磁振子4、刚度控制电磁线圈5、导电铜片6、阻尼控制电磁线圈7和固定外框架8；
强化学习快速调谐控制系统3包含强化学习模块9、耦合动力学模块10和频率辨识模块11。
优选的，刚度阻尼可调谐电磁吸振2安装于被控振动初级系统1外表面，用于采集被控振动初级系统1的振动信号并输入强化学习快速调谐控制系统3，强化学习快速调谐控制系统3根据计算结果输出控制电流对刚度阻尼可调谐电磁吸振2进行实时控制。
如图2所示，永磁振子4通过刚度元件和阻尼元件连接于固定外框架8，且永磁振子4可以在x、y、z轴三个自由度振荡；
刚度控制电磁线圈5位于永磁振子4上方，用于控制刚度控制电磁线圈5的电流，可对刚度阻尼可调谐电磁吸振2的刚度进行实时调节；
阻尼控制电磁线圈7位于永磁振子4两侧，且永磁振子4的侧面安装有导电铜片6，永磁振子4振荡时会带动导电铜片6切割阻尼控制电磁线圈7产生的电磁场，进而产生涡流阻尼力，通过控制阻尼控制电磁线圈7的电流可对刚度阻尼可调谐电磁吸振2的阻尼进行实时调节。
如图3所示，强化学习快速调谐控制系统3使用传感器采集被控振动初级系统1的振动信号，经过频率辨识模块11，从混杂了本底噪声的振动信号中得出振动特征频率；
将振动信号输入强化学习模块9，将被控振动初级系统1的振动根据振幅大小划分为若干状态S1、S2、S3、S4、S5，其中状态S1、S2、S3、S4表示被控振动初级系统1的振动未抑制到理想振幅、状态S5表示被控振动初级系统1的振动抑制成功，若被控振动初级系统1从状态S1、S2、S3、S4中任一状态转换至状态S5，则赋予奖励回报值R(R>0)，否则奖励回报值为0，通过不断调节调谐动作，使强化学习快速调谐控制系统3不断累积经验，基于回报函数值得到各个状态的最快调谐动作；
将振动特征频率、最快调谐动作、振动信号输入耦合动力学模块10可计算出刚度阻尼可调谐电磁吸振2的控制电流，从而提高吸振系统对变频振动的抑制速度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种变频振动自学习快速调谐吸振系统，其特征在于：包括被控振动初级系统(1)、刚度阻尼可调谐电磁吸振(2)和强化学习快速调谐控制系统(3)；
所述刚度阻尼可调谐电磁吸振(2)包含永磁振子(4)、刚度控制电磁线圈(5)、导电铜片(6)、阻尼控制电磁线圈(7)和固定外框架(8)；
所述强化学习快速调谐控制系统(3)包含强化学习模块(9)、耦合动力学模块(10)和频率辨识模块(11)；
所述刚度阻尼可调谐电磁吸振(2)安装于被控振动初级系统(1)外表面，用于采集被控振动初级系统(1)的振动信号并输入强化学习快速调谐控制系统(3)，强化学习快速调谐控制系统(3)根据计算结果输出控制电流对刚度阻尼可调谐电磁吸振(2)进行实时控制，从而提高吸振系统对变频振动的抑制速度；
所述强化学习快速调谐控制系统(3)包括如下学习步骤：
1)强化学习快速调谐控制系统(3)使用传感器采集被控振动初级系统(1)的振动信号，经过频率辨识模块(11)，从混杂了本底噪声的振动信号中得出振动特征频率；
2)将振动信号输入强化学习模块(9)，将被控振动初级系统(1)的振动根据振幅大小划分为若干状态S1、S2、S3、S4、S5，其中状态S1、S2、S3、S4表示被控振动初级系统(1)的振动未抑制到理想振幅、状态S5表示被控振动初级系统(1)的振动抑制成功，若被控振动初级系统(1)从状态S1、S2、S3、S4中任一状态转换至状态S5，则赋予奖励回报值R(R>0)，否则奖励回报值为0，通过不断调节调谐动作，使强化学习快速调谐控制系统(3)不断累积经验，基于回报函数值得到各个状态的最快调谐动作；
3)将振动特征频率、最快调谐动作、振动信号输入耦合动力学模块(10)可计算出刚度阻尼可调谐电磁吸振(2)的控制电流，从而提高吸振系统对变频振动的抑制速度。
2.根据权利要求1所述的一种变频振动自学习快速调谐吸振系统，其特征在于：所述永磁振子(4)通过刚度元件和阻尼元件连接于固定外框架(8)，且永磁振子(4)可以在x、y、z轴三个自由度振荡；
所述刚度控制电磁线圈(5)位于永磁振子(4)上方，用于控制刚度控制电磁线圈(5)的电流，可对刚度阻尼可调谐电磁吸振(2)的刚度进行实时调节；
所述阻尼控制电磁线圈(7)位于永磁振子(4)两侧，且永磁振子(4)的侧面安装有导电铜片(6)。
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