CN209509215U - 自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及系统中振动的抑制领域，公开了一种自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其包括与被控结构固定连接的出力模块,出力模块包括转动惯量子模块和出力子模块；转动惯量子模块包括对称设置的两个转动惯量盘，每个转动惯量盘内沿径向均布有三条转动惯量调节通道，每条转动惯量调节通道内均设置有驱动电机、滚珠丝杠和移动质量块，出力子模块包括对称设置的两套出力装置，出力装置包括驱动器、编码器和变速器。本实用新型采用驱动器驱动转动惯量产生控制力，转动惯量可以自动调节，无需进行调频设计过程，调节精度高，调节范围广；本实用新型的控制系统适用于结构发生转动、扭转或回转摆振运动的情况，适用范围广，鲁棒性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及系统中振动的抑制领域，具体而言，涉及一种自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统。
背景技术
近年来，高速公路、铁路、桥梁、高层建筑、大跨度空间结构等不断兴建，海洋平台、宇宙空间站等结构也迅速发展。这些工程设施、结构在使用过程中往往会在外部荷载的作用下产生振动，严重的会产生摇摆，甚至发生破坏。为了解决由结构物振动引起的各种问题，振动控制技术应运而生。
结构振动控制技术主要分为以下四个方面：主动控制、被动控制、半主动控制以及混合控制。对于各种工程结构，恰当地安装振动控制系统能够有效地减轻结构的动力响应，减轻结构的破坏或者疲劳损伤。
结构的运动通常由平动以及扭转摆动组合而成。研究表明平动调谐质量阻尼器(英文名Tuned Mass Damper，TMD)、主动质量阻尼器/主动扭矩输出装置(英文名ActiveMass Damper/Driver，AMD)由于在扭转摆动中需要提供向心力而大大减弱控制效果甚至完全失去作用，因此对回转摆振控制几乎无效。然而具有回转摆振运动特性的结构运动形式极为常见，如：悬吊结构(吊钩、吊车等)的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摆振；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，由于微小激励引起的车身的扭转摆振运动等。因此需要一种特殊的控制系统，使其可以自动克服(或摆脱)重力场对控制系统自身的影响(离心力作用)，或者使控制系统自身的工作/运动规律与重力场解耦，系统自振不受重力影响，从而发挥控制系统有效控制作用。
总体来讲，现有的结构振动控制系统主要具有以下不足：第一，平动TMD控制装置只能控制结构的平动运动而对回转摆振控制无效；第二，平动AMD控制装置虽然可以控制回转摆振，但是控制效率极低，无法满足使用要求；第三，被动转动惯量调谐阻尼器对回转摆振运动控制有效，但是其需要针对结构自身进行复杂的调频，对某些复杂结构控制效率较低，效果不佳，存在鲁棒性低，可控性低，适用范围小等缺点；第四，控制系统适用范围小，控制力输出有限，控制效果有限；第五，控制系统能源利用率无法保证，无法满足经济性的需求。
本实用新型就是在这样的背景下产生的。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于针对以上问题提供一种自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统。
为了实现上述目的，本实用新型的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统,包括与被控结构固定连接的出力模块,出力模块包括转动惯量子模块和出力子模块；
转动惯量子模块包括对称设置的两个转动惯量盘，每个转动惯量盘内沿径向均布有三条转动惯量调节通道，每条转动惯量调节通道内均设置有驱动电机、滚珠丝杠和移动质量块，驱动电机固定在转动惯量调节通道内端，滚珠丝杠一端与驱动电机连接，另一端固定在转动惯量盘上，移动质量块固定在滚珠丝杠上；
出力子模块包括对称设置的两套出力装置，出力装置包括驱动器、编码器和变速器，驱动器内端固定有编码器，外端与变速器连接，驱动器的驱动轴穿过变速器与转动惯量盘的中心处垂直固定。
进一步的，还包括出力管腔，两套出力装置对称甚至于出力管腔内，两个转动惯量盘对称设置于出力管腔两端。
进一步的，还包括驱动器支架,驱动器支架固定在出力管腔内，驱动器固定在驱动器支架上。
进一步的，出力管腔为包括底座和上盖，二者通过螺栓固定连接。
进一步的，还包括控制器，控制器与编码器及驱动器连接。
进一步的，驱动器、变速器和编码器同轴。
进一步的，变速器为减速器。
进一步的，驱动器为伺服电机或步进电机。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型采用驱动器驱动转动惯量产生控制力，转动惯量可以自动调节，无需进行调频设计过程，具有自适应的特性，且调节精度高，调节范围广，系统应用范围大；
(2)本实用新型的两套出力装置对称设置，正常运行时同时工作，减小了每一套构造的负荷，如果其中一套发生故障，另外一套可以继续工作，保证了系统的稳定性。
(3)本实用新型具有更大的鲁棒性，控制效果不会因结构形式改变以及外部荷载作用的改变而受到较大影响；
(4)本实用新型的控制系统适用于结构发生转动、扭转或回转摆振运动的情况，适用范围广。
附图说明
图1是本实用新型的结构分解图；
图2是本实用新型俯视结构示意图；
图3是本实用新型转动惯量盘内部结构图；
图4是本实用新型在单摆结构中安装示意图；
其中，上述附图包括以下附图标记：1、出力管腔；1.1、底座；1.2、上盖；2、驱动器；3、变速器；4、驱动器支架；5、编码器；6、控制器；7、转动惯量盘；8、转动惯量调节通道；9、驱动电机；10、滚珠丝杠；11、移动质量块；12、被控结构。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
本实施例以单摆结构模型为基本力学模型原型的结构为例；
如图1-4所示，本实用新型的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统包括与被控结构12固定连接的出力模块，出力模块包括转动惯量子模块和出力子模块；
出力子模块包括出力管腔1和对称设置于出力管腔内的两套出力装置，出力管腔为管状结构，包括底座1.1和上盖1.2，二者通过螺栓固定连接；
出力装置包括驱动器2、变速器3和驱动器支架4，驱动器支架固定在出力管腔内，驱动器固定在驱动器支架上，驱动器为伺服电机或步进电机，驱动器内侧的一端固定有编码器5，外端与变速器连接，驱动器的驱动轴穿过变速器与转动惯量盘的中心处通过法兰盘垂直固定连接，驱动器、变速器和编码器同轴，两个编码器之间还设置有控制器6，控制器与编码器及驱动器连接；
本实施例中，除了设置于驱动器尾端用于采集转动惯量转动数据的编码器，吊点处也设置有一个传感器，用来采集被控结构的转动数据，此处的传感器可以采用但不限于光电轴角编码器、角加速度传感器或者陀螺仪。
转动惯量子模块包括对称设置于出力管腔两端的转动惯量盘7，转动惯量盘内沿径向均布有三条转动惯量调节通道8，相邻的转动惯量调节通道之间的夹角是120度，每条转动惯量调节通道内均设置有驱动电机9、滚珠丝杠10和移动质量块11，驱动电机固定在转动惯量调节通道内端，滚珠丝杠一端通过联轴器与驱动电机连接，另一端通过轴承固定在转动惯量盘上，移动质量块固定在滚珠丝杠上。驱动电机驱动滚珠丝杠转动，进而驱动移动质量块沿滚珠丝杠平动，三个电机完全同步工作，保证三个移动质量块同步移动，且距离圆心的距离相同。
本实用新型的作用原理如下：
被控结构吊点处设置的传感器采集被控结构的摆振运动状态即摆角以及摆角加速度数据，并把结构状态数据传送给控制器，控制器判断是否需要进行主动控制，当结构发生回转摆振运动数据超出之前所设定的阈值的时候，控制器控制驱动器动作；驱动器末端同轴安装的编码器实时采集驱动器的转动情况，反馈给控制器，实现控制器与被控结构以及驱动器的闭环控制；驱动器可以根据实时测量的结构运动状态，控制转动惯量盘发生回转转动，通过改变三个通道内移动质量块的位置来改变转动惯量，转动惯量盘转动产生的反作用力作用在装置管腔上，进而传递给与装置管腔连接的被控结构上，抑制被控结构的摆动。
本实用新型的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统可以应用到以下但不限于以下的力学问题基本原型运动模型中：单摆结构的自由摆动；受约束倒立摆结构的振动；刚体绕空间任意轴的定轴转动等，在实际工程中如：悬吊结构(吊钩、吊车等)的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摇摆振动等；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，在高速运行过程中，由于微小激励引起的车身的扭转摇摆振动运动等。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，包括与被控结构(12)固定连接的出力模块,出力模块包括转动惯量子模块和出力子模块；
转动惯量子模块包括两个对称设置的转动惯量盘(7)，每个转动惯量盘(7)内沿径向均布有三条转动惯量调节通道(8)，每条转动惯量调节通道(8)内均设置有驱动电机(9)、滚珠丝杠(10)和移动质量块(11)，驱动电机(9)固定在转动惯量调节通道(8)内端，滚珠丝杠(10)一端与驱动电机(9)连接，另一端固定在转动惯量盘(7)上，移动质量块(11)固定在滚珠丝杠(10)上；
出力子模块包括对称设置的两套出力装置，出力装置包括驱动器(2)、编码器(5)和变速器(3)，驱动器(2)内端固定有编码器(5)，外端与变速器(3)连接，驱动器(2)的驱动轴穿过变速器(3)与转动惯量盘(7)的中心处垂直固定。
2.根据权利要求1所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，还包括出力管腔(1)，两套出力装置对称设置于出力管腔(1)内，两个转动惯量盘(7)对称设置于出力管腔(1)两端。
3.根据权利要求2所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，还包括驱动器支架(4),驱动器支架(4)固定在出力管腔(1)内，驱动器(2)固定在驱动器支架(4)上。
4.根据权利要求2或3所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，出力管腔(1)为包括底座(1.1)和上盖(1.2)，二者通过螺栓固定连接。
5.根据权利要求1所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，还包括控制器(6)，控制器(6)与编码器(5)及驱动器(2)连接。
6.根据权利要求1所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，驱动器(2)、变速器(3)和编码器(5)同轴。
7.根据权利要求1所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，变速器(3)为减速器。
8.根据权利要求1所述的自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统，其特征在于，驱动器(2)为伺服电机或步进电机。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111098911A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-05-05 | 上海权策微电子技术有限公司 | 用于自动驾驶汽车方向盘上的转动惯量调节机构 |
| WO2020155644A1 (zh) * | 2019-02-01 | 2020-08-06 | 青岛理工大学 | 自适应机械驱动调节转动惯量式控制系统 |
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2019
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