CN116951052A - 自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，包括前端信号拾取模块、带数控系统的拉伸机、软材料声子晶体样品以及后端反馈模块。前端信号拾取模块包括加速度传感器和采集卡；后端反馈模块包括工控机，工控机中设有自适应隔振控制算法。本发明的装置是在传统声子晶体结构隔振技术的基础上，利用软材料声子晶体，将信号拾取、机械加载与主动控制相结合，开发出的一套根据随机入射信号对软声子晶体结构进行实时机械加载的主动隔振系统。该系统组装方便、使用方法简单，可实现实时软材料的拉伸加载同时实现宽频隔振的效果。
Description
技术领域
本发明属于隔声减噪技术领域，涉及一种隔振系统，尤其涉及一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，是利用可机械加载软材料声子晶体，并结合前端的信号拾取及后端反馈组件获得，是一种可通过机械加载实现软材料声子晶体带隙根据入射信号自动调控的弹性波隔振系统。
背景技术
机械振动，尤其是低频范围内的振动常常会严重危害人们的健康及生产生活，因此，如何有效地在低频减震一直都是一个亟待解决的问题。近年来，声子晶体的出现给这一问题提供了一种有效的解决方案。声子晶体是一种具有禁带特性的人工周期结构。对于弹性波声子晶体结构，在其禁带的频率范围内，弹性波会迅速衰减，无法在结构中进行传播，从而起到了隔振的效果。根据这一特性，声子晶体在减震降噪领域有着非常广泛的应用和重要的研究前景。
但大部分的声子晶体结构都是硬质材料制成，这导致了结构几何构型的不可调性。一旦几何参数确定，声子晶体的禁带范围也随之确定，从而限制了后续应用的频率范围。对于这一问题，软材料（如橡胶、水凝胶、硅胶等）制成的声子晶体可以有效地解决。近年来，软材料声子晶体的出现使得机械可调声子晶体逐渐成为了研究的热点。通常情况下，调整声子晶体的周期单元的拓扑结构、周期性的布排方式等几何参数可以改变带隙的位置及其隔振的频率范围。软材料声子晶体利用软材料本身的超弹特性可使结构发生大范围的可逆弹性变形，同时改变了结构的几何构型及瞬时切向刚度，从而进一步改变了带隙的位置及范围。已有的研究发现，可通过对软材料施加外加机械载荷的方式来实现弹性波的调控，这种调控方式简单易行，并且能够反复地实施，为弹性波的调控提供了一种新思路，更为减振降噪、新型声学器件（如声子开关）设计等方面提供了参考。
然而即使是对于可机械调控的软材料声子晶体，在使用其进行减震操作时，我们必须已知减震的目标频率，才能设计相应的声子晶体结构，这一过程是“被动”的，这也导致了在未知目标频率的情况下无法灵活的使用软材料声子晶体。
为解决以上技术问题，本发明设计了一种通过对入射信号进行拾取、分析，并将信息传导给机械加载部件，实现对软材料声子晶体的主动可调加载，进一步实现对入射信号的主动调制的弹性波隔振系统。另外，这一系统不受限于既定的声子晶体几何构型，这也可在一定程度上拓宽隔振的频率范围，实现宽频的主动隔振效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，以进行根据随机入射信号来自动地对二维软材料声子晶体施加相应的拉伸载荷，使其发生对应的变形，实现对入射信号的隔振效果，基于该系统的实验系统中将加载、波动实验以及前端信号拾取、后端反馈系统结合在一起，能够有效地实现软材料声子晶体的自适应可调隔振，起到一种宽频隔振的效果。
本发明解决上述问题采用的技术方案如下：
一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，包括带数控系统的拉伸机、软材料声子晶体样品、前端信号拾取模块以及后端反馈模块；前端信号拾取模块包括加速度传感器和采集卡；后端反馈模块包括工控机，工控机中设有自适应隔振控制算法；软材料声子晶体样品被固定在拉伸机的夹具间；软材料声子晶体一侧边界作为信号输入侧接收外界机械振动，为入射信号，另一侧边界作为信号输出侧与加速度传感器相连；加速度传感器、采集卡及工控机依次相连；工控机与拉伸机的数控系统相连，所述系统能够根据随机入射信号来自动地对软材料声子晶体施加相应的拉伸载荷，使其发生对应的变形，实现对入射信号的隔振效果。
上述技术方案中，进一步地，所述自适应隔振控制算法包括：
采用基于数据的动态模型以确定拉伸强度或材料形变长度与隔振频率之间的关
系，预先对软材料声子晶体样品进行实验测试，软材料的受激励隔振频率为，外部形变激
励位移为作为输入信号，材料形变长度与隔振频率之间存在非线性关系为：
采用修正的自适应PID控制算法来调节材料的形变长度，不断地观测和修改PID控制器中的参数，以及相应的修正参数，从而实现对材料形变长度的精确调节，使其能够满足期望的隔振频率要求。
传统的PID控制方法通常基于线性模型进行控制，而本发明中的算法采用基于数据的动态模型，能够更加准确地描述拉伸强度或材料形变长度与隔振频率之间的关系。通过事先对软材料声子晶体样品的实验测试，获得实际数据，并建立非线性关系，从而能更好地适应不同工况的控制需求。
进一步地，修正的自适应PID控制算法中，定义一个误差函数用于衡量期望隔振频
率与实际隔振频率之间的误差，误差信号为：
其中，表示时刻，为当前实际测得的隔振频率值，为采样间隔；时间
间隔为的PID修正控制器为：
其中，、及分别表示比例增益、积分增益和微分增益，和为增益
系数，为修正向量,用于校正PID控制器中的参数，其定义为：
其中，为修正向量的长度。
进一步地，将修正向量的长度设置为3，即，以使得修正向量包含当前时刻以
及前两个时刻的误差信息，从而有效地补偿PID控制器中遗留的校正误差。
传统的PID控制方法中，参数的调整通常是通过手动试错的方式进行的，容易出现不准确或过程繁琐的问题。而本发明中的算法采用修正的自适应PID控制算法，利用在线检测和修正的方式，不断观测和修改PID控制器中的参数以及相应的修正参数。通过不断修正控制器的参数，实现对材料形变长度的精确调节，能够有效提高控制的准确性和响应速度。
进一步地，采用逆模型作为前馈，先确定被控对象的逆模型使得，将逆模型代入前馈项的计算公式中，得到前馈控制输出：
其中，前馈项通常可以根据软材料声子晶体样品材料模型选定，最基本的方式为通过查表法来确定。查表法是一种基于数据表格和查找的通用方法，包括以下几个步骤：收集数据、创建表格、插值方法、查表及构建前馈项。具体方法为通过有限元模拟获得大量已知输入及相应输出的数据，将两者制成表格，再通过插值方法估算出不在已知数据的范围内的输入值对应的输出值。最后关于前馈项的构建是指，给定某个输入值时，在前述创建表格中查找对应的输出值。如果输入值存在于表格中，直接读取对应的输出值；如果输入值不在表格中，使用插值方法计算近似的输出值（具体可参见Zurbriggen, F., Ott, T. andOnder, C.H., 2016. Fast and robust adaptation of lookup tables in internalcombustion engines: feedback and feedforward controllers designedindependently. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, PartD: Journal of Automobile Engineering, 230(6), pp.723-735.）。这个前馈项将被用于提供补偿信号，以改善系统的控制性能和稳定性。
本发明中的算法引入逆模型作为前馈控制。通过确定软材料声子晶体样品的逆模型，将其代入前馈项的计算公式中，得到前馈控制输出。这可以有效地提供补偿信号，从而改善系统的控制性能和稳定性。
最终在反馈项输出控制量的基础上将前馈项输出控制量相加，即：
其中，为最终的控制指令，即为输出的拉伸机位移量。
综上所述，相对于常规PID自适应控制方法，本发明的算法在建模精度、参数调整和前馈控制等方面进行了适应于软材料声子晶体样品的改进，使系统能够更准确、稳定地进行自适应隔振控制，并适用于不同工况和频率范围的应用。
进一步地，本申请实施例还提供一种对应的实验系统，在所述隔振系统基础上，所述实验系统还包括激振模块以提供随机的机械振动入射信号，激振模块包括函数信号发生器、功率放大器以及带激振杆的激振器；所述的函数信号发生器、功率放大器、激振器依次相连；激振器与激振杆相装配；激振杆及加速度传感器分别与软材料声子晶体中部的左、右边界相连。
本发明的有益效果是：
（1）本发明主要围绕主动隔振技术展开研究，利用在机械加载下可调带隙的软声子晶体结构以及传感器提供的反馈信号，基于工控机主动控制，实现在低频范围内的实时隔振。相较于传统的被动隔振，其适用的频率范围更广，隔振过程的自动化程度更高，无需已知入射信号即可实现隔振效果，更具有实际应用的价值。
（2）本系统可以在一定的频率范围内的模态下获得主动阻尼，相对于材料自身的阻尼属性，主动阻尼有更强的适应性。另外，软材料所具备的黏弹特性，使其本身就具备高频范围内的隔振属性。因此，高频范围可以通过其材料自身的粘性阻尼耗散入射弹性波的能量，而主动部分的设计则可用于低频范围的自适应隔振，从而在更宽的频率范围内有效地抑制谐波和脉冲负载的干扰，实现宽频隔振的效果。
（3）该系统组装方便、测试方法简单，适用于不同尺寸、材料的软材料声子晶体隔振自适应测试。
附图说明
图1为本发明自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统的一种具体结构示意图；
其中，1、函数信号发生器；2、功率放大器；3、激振器及激振杆，4、软声子晶体样品，5、拉伸机，6、加速度传感器，7、数据采集卡（模/数转换器），8、工控机，9、拉伸机的数控系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明。
图1提供了本发明自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统的一种实例，该实例为一种测试系统（即实验系统），将加载、波动实验以及前端信号拾取、后端反馈系统结合在一起，该系统，包括：前端信号拾取模块、机械加载及激振模块、软材料声子晶体样品以及后端反馈模块；
前端信号拾取模块由加速度传感器6和采集卡7组成，加速度传感器6安装在软材料声子晶体样品4的信号输出侧，其连接到信号采集卡7。
机械加载及激振模块中的机械加载部分由拉伸机及其数控系统9组成，数控系统与后端反馈模块中的工控机8连接。软材料声子晶体样品4安装于拉伸机5上下夹具间。激振部分由函数信号发生器1、功率放大器2、激振器及激振杆3组成，函数信号发生器1与功率放大器2连接后再与激振器连接，激振器上的激振杆与软材料声子晶体样品的信号输入侧装配。
后端反馈模块由工控机8组成，其连接前端信号拾取模块中的采集卡以及机械加载模块中的拉伸机。
在实验测试过程中，利用激振部分提供机械振动入射信号，在实际应用时，无需该激振部分，直接利用外部机械振动作为入射信号。下述均以所述实验系统为例进行说明：
本发明系统的具体操作过程如下所述：
一、确定工控机中的算法参数
首先需要确定各入射频率范围与拉伸程度之间的关系，这一过程可以使用商业有限元软件ABAQUS实现，对机械加载后的软材料声子晶体进行Python-ABAQUS有限元调参计算，获得其在不同拉伸程度下的频散关系，确定其带隙的频率范围。由于软材料声子晶体隔振的机理是阻隔其禁带所在频率范围内的弹性波，因此根据带隙频率范围的信息，将入射信号的频带控制在软材料在某一拉伸程度下的禁带范围内。
在工控机中预先编有能够确定软声子晶体样品的拉伸强度与隔振频率间的关系的自适应隔振控制算法，所述自适应隔振控制算法可以是模型参考自适应控制也可以是神经网络自适应控制。
为了表述材料形变长度与隔振频率之间的数学关系，可以采用基于数据的动态模
型来进行分析和建模。具体实现中，预先对软材料进行实验测试，软材料的受激励隔振频率
为，外部形变激励位移为作为输入信号，材料形变长度与隔振频率之间存在非线性
关系为：
采用修正的自适应控制算法来调节材料的形变长度，不断地观测和修改Proportional-Integral-Derivative controller （PID）控制器中的比例、积分和微分增益参数等参数，以及相应的修正参数，从而实现对材料形变长度的精确调节，使其能够满足期望的隔振频率要求。而PID控制器的输出可以表示为：
。
其中，、及分别表示比例增益、积分增益和微分增益，为期望值与实际
值之间的误差。在修正的自适应PID控制算法中，我们需要定义一个误差函数用于衡量期望
隔离频率与实际隔离频率之间的误差，常常采用最小均方误差（MSE）来衡量误差大
小。则误差信号可以定义为：
其中，表示时刻，为当前实际测得的隔离频率值，为控制器的采样
间隔。时间间隔为的PID修正控制器可以描述为：
其中，和为增益系数，为修正向量,用于校正PID控制器中的参数。
其定义为：
其中，为修正向量的长度。在一个最基本的实现中，一般将修正向量的长度设置
为3，即。这是因为当时，可以使得修正向量包含当前时刻以及前两个时刻的误差
信息，从而有效地补偿PID控制器中遗留的校正误差。
另外，前馈控制可以根据被控对象的模型来计算前馈项输出控制量，以实现
对干扰信号的预先消除作用。采用逆模型作为前馈，则需要先确定被控对象的逆模型使得，将逆模型代入前馈项的计算公式中，得到前馈控制输出：
最终在反馈项输出控制量的基础上将前馈项输出控制量相加，即：
通过以上计算，可以利用被控对象的逆模型进行前馈控制，提高控制效率。在具体
实现时，可以采用Least Mean Square（LMS）或Recursive Least Squares（RLS）等自适应辨
识算法来对系统的参数进行辨识，之后可以采用试探型算法或者批处理型算法等进行参数
调节，从而得到相应的PID控制器参数值，并不断地修改之后的新参数，实时调整等时间间
隔内的PID控制器输出。最终通过这些计算，即可实现材料形变长度与隔离频率之间的精
确建模和控制。
二、设备的组装及连接
(1)将软声子晶体样品4加持固定在拉伸机的夹具5上。
(2)将函数信号发生器1与功率放大器2通过导线相连，功率放大器2再与激振器3通过导线相连。
(3)将激振器上的激振杆3装配在声子晶体样品4的左边界中心处。
(4)加速度传感器的作用是为了拾取样品输出点处的加速度信号，通过对该信号的傅里叶变换，将时域信号转换成频域的信息（频率、幅值），再传输至工控机进行控制算法下的分析处理。根据测量对象的特性和要求选择适合的加速度传感器6。例如，在需要进行低频率振动测试时，可以选择100mV/g或10mV/g的加速度传感器。将加速度传感器6装配在声子晶体式样4的右边界中心处，注意降噪、减少干扰，如使用软垫或密封胶减少机械震动、确认传感器与被测物品紧密接触等。将传感器6与信号采集卡（模/数转换器7）用导线连接，信号采集卡（模/数转换器）7与工控机8相连接，工控机8进一步与拉伸机的数控系统9相连接，保证两者之间稳定的通信连接。
三、 测试使用过程
(1)对整个系统进行校准，确保系统精度和可靠性，采用标准信号对系统进行校准
并调整反馈控制权值和控制程序，即反馈控制增益项，例如PID控制中的、及。
(2)利用函数信号发生器1模拟产生随机的入射信号，信号依次通过功率放大器2、激振器及激振杆3给样品4以激励。
(3)通过数据采集卡（模/数转换器）6实现对弹性波信号的数值化采集，并将采集到的弹性波信号进行傅里叶变换，获得包括计算各种信号的频谱和功率谱等参数。
(4)分析处理后的信号的信息（功率峰值频率点）将被实时反馈至工控机7，用以生成后续控制拉伸机的机械加载指令，并通过实时显示界面展示测试结果。
(5)工控机7根据既定的自适应隔振控制算法生成位移控制指令，并传递给拉伸机的数控系统8，让拉伸机9执行。拉伸机9根据指令要求的拉伸位移对夹持的软声子晶体式样4进行机械加载，使其产生变形，从而产生了新的几何构型，实现对随机入射信号的实时有效隔振。
Claims (6)
1.一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，包括带数控系统的拉伸机、软材料声子晶体样品、前端信号拾取模块以及后端反馈模块；前端信号拾取模块包括加速度传感器和采集卡；后端反馈模块包括工控机，工控机中设有自适应隔振控制算法；软材料声子晶体样品被固定在拉伸机的夹具间；软材料声子晶体的信号输入侧接收外界机械振动，为入射信号，信号输出侧与加速度传感器相连；加速度传感器、采集卡及工控机依次相连；工控机与拉伸机的数控系统相连，所述系统能够根据随机入射信号来自动地对软材料声子晶体施加相应的拉伸载荷，使其发生对应的变形，实现对入射信号的隔振效果。
2.根据权利要求1所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，所述自适应隔振控制算法包括：
采用基于数据的动态模型以确定拉伸强度或材料形变长度与隔振频率之间的关系，预先对软材料声子晶体样品进行实验测试，软材料的受激励隔振频率为，外部形变激励位移为/>作为输入信号，材料形变长度与隔振频率之间存在非线性关系为：
，
采用修正的自适应PID控制算法来调节材料的形变长度，不断地观测和修改PID控制器中的参数，以及相应的修正参数，从而实现对材料形变长度的精确调节，使其能够满足期望的隔振频率要求。
3.根据权利要求2所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，修正的自适应PID控制算法中，定义一个误差函数用于衡量期望隔振频率与实际隔振频率/>之间的误差，误差信号/>为：
，
其中，表示时刻/>，/>为当前实际测得的隔振频率值，/>为采样间隔；时间间隔为/>的PID修正控制器为：
，
其中，、/>及/>分别表示比例增益、积分增益和微分增益，/>和/>为增益系数，/>为修正向量,用于校正PID控制器中的参数，其定义为：
，
其中，为修正向量的长度。
4.根据权利要求3所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，将修正向量的长度设置为3，即，以使得修正向量包含当前时刻以及前两个时刻的误差信息从而有效补偿PID控制器中遗留的校正误差。
5.根据权利要求3所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，采用逆模型作为前馈，先确定被控对象的逆模型使得/>，将逆模型代入前馈项/>的计算公式中，得到前馈控制输出：
，
其中，前馈项根据软材料声子晶体样品材料模型选定；
最终在反馈项输出控制量的基础上将前馈项输出控制量/>相加，即：
，
其中，为最终的控制指令，即输出的拉伸机位移量。
6.根据权利要求1所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，为实验系统，所述实验系统还包括激振模块以提供随机的机械振动入射信号，激振模块包括函数信号发生器、功率放大器以及带激振杆的激振器；所述的函数信号发生器、功率放大器、激振器依次相连；激振器与激振杆相装配；激振杆及加速度传感器分别与软材料声子晶体中部的左、右边界相连。
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