專利名稱：磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于機械設(shè)備上的減振裝置及控制方法，特別涉及主動式吸振器及控制方法。
背景技術(shù)：
吸振系統(tǒng)對各類機械設(shè)備、電器設(shè)備有十分的重要性。根據(jù)不同的動力來源，吸振系統(tǒng)可分為被動式和主動式兩種。傳統(tǒng)的吸振器通常是被動式，它不需要消耗外在能量，結(jié)構(gòu)簡單，能對固定的激振頻率振動起到很好的減振效果，因而被廣泛應(yīng)用在許多由于機械的旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量偏心引起的強迫振動的減振方面。但這種被動吸振器存在兩大缺陷，第一，不適用于頻率變化較大的場合；第二，調(diào)諧速度慢，相位不能準確匹配，使得減振效果不理想。
近年來，隨著人們對車、船舶、飛機等交通工具的安全性和舒適性的要求的不斷提高，出現(xiàn)了多種主動減振裝置和控制方法。國防工業(yè)出版社1997年出版的顧仲權(quán)等編著的《振動主動控制》書中介紹了多種現(xiàn)有的主動式吸振器，包括頻率可調(diào)式和非頻率可調(diào)式吸振器。頻率可調(diào)式又分為慣性可調(diào)式和剛度可調(diào)式，能夠適用于頻率變化的場合，但它屬于調(diào)節(jié)吸振器的參數(shù)來達到跟蹤頻率，實際上是半主動控制，減振效果與被動式的大致相同，調(diào)諧速度慢，相位不能準確匹配，減振效果不理想。非頻率可調(diào)式是在被動式吸振器的基礎(chǔ)上添加作動器，主要是利用作動器的控制力作用于受控對象，達到控制受控對象的目的。其優(yōu)點是直接產(chǎn)生與振源相反的作用力作用于減振對象，能快速準確地調(diào)諧，減振效果好。但由于其頻率不可調(diào)，在吸振器固有頻率附近，能實現(xiàn)利用較少的能量達到與被動式吸振器相比較好的減振效果，但是當振動頻率稍微偏離吸振器固有頻率時，獲得同樣的減振效果需要的能量急劇增加，因此能實際應(yīng)用的頻段仍然僅在吸振器的固有頻率附近，所以減振頻帶較窄。
CN01272733.4專利中公開了一種屬于非頻率可調(diào)式的主動吸振器，它采用彈簧振子進行儲能，其能耗低，減振效果明顯，但由于其減振頻率仍然不可調(diào)，與前面提到的非頻率可調(diào)式吸振器一樣，減振頻帶仍然較窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種頻率可調(diào)式的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)及控制方法，從而能在較寬的頻率范圍內(nèi)和較大的頻率變化速率下實現(xiàn)低能耗的減振。
本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)。
本發(fā)明所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，包括吸振器和控制器，其中控制器包括加速度傳感器、電荷放大器、功率放大器和控制主機；所述吸振器包括有主動力元件和吸振塊，其特征在于，所述吸振器還包括有變剛度元件、隔磁塊以及用于支承的“U”形支架；所述主動力元件由柱狀的永久磁鐵和一繞有線圈的柱狀鐵芯(即柱狀電磁鐵)構(gòu)成，該柱狀鐵芯固連在支架的內(nèi)底面上，永久磁鐵通過隔磁塊與吸振塊固連，永久磁鐵的下端面與柱狀鐵芯的上端面平行，兩者之間的距離大于被減振對象的上下振幅；所述變剛度元件由“U”形電磁鐵及磁流變彈性體構(gòu)成，“U”形鐵芯開口向下，線圈繞于其頂部，“U”形鐵芯的兩個內(nèi)側(cè)面上分別固連有一片狀的磁流變彈性體，吸振塊置于兩片中間，并固連成整體，“U”形鐵芯下端與“U”形支架上端面固連，構(gòu)成容納主動力元件、吸振塊及磁流變彈性體、隔磁塊的內(nèi)空間。
在上述吸振系統(tǒng)中，所述吸振塊的質(zhì)量、磁流變彈性體的尺寸根據(jù)下式確定f=12πkm,k=GA/t]]>其中f為吸振器無磁場下的固有頻率，m為吸振塊的質(zhì)量，k為磁流變彈性體無磁場下的等效剛度，A，t，G分別為磁流變彈性體的截面積、厚度、剪切模量。
在上述吸振系統(tǒng)中，所述永久磁鐵也能夠由另一柱狀電磁鐵代替。所述“U”形支架和隔磁塊由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。所述鐵芯和吸振塊均采用軟鐵磁性材料。
實際使用中，一般選擇吸振塊的質(zhì)量為被減振對象質(zhì)量的5％～40％。按照以上公式，改變磁流變彈性體的尺寸就可以調(diào)節(jié)吸振器在無磁場下的固有頻率，使吸振器在無磁場下的固有頻率比需要被減振對象的振動頻率低約20％～50％。
本發(fā)明的控制方法，包括在吸振器安裝前測出吸振器固有頻率與勵磁電流間的關(guān)系曲線并選擇合適的控制律，其特征在于，(1)使用加速度傳感器測量被減振對象的振動信號，信號經(jīng)過電荷放大器放大后送入控制主機，對輸入振動信號進行計算分析，獲得被減振對象振動的頻率、幅值和相位信息，(2)分別對變剛度元件和主動力元件進行控制a)根據(jù)吸振器安裝前測得的吸振器固有頻率與勵磁電流間的關(guān)系，通過功率放大器調(diào)節(jié)“U”形電磁鐵上線圈的勵磁電流，以調(diào)節(jié)變剛度元件的剛度，從而調(diào)整吸振器的固有頻率，使其與被減振對象的振動頻率相同；b)根據(jù)被減振對象的頻率、幅值和相位信息，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的主動力控制律，采用自尋優(yōu)算法計算出控制律中的控制參數(shù)，使得在這樣的控制參數(shù)下被減振對象的振動幅值最小，將該控制參數(shù)代入控制律給出主動力的控制信號，通過功率放大器調(diào)節(jié)主動力元件中柱狀電磁鐵線圈的勵磁電流，使柱狀電磁鐵與永久磁鐵間產(chǎn)生的主動力作用于被減振對象，然后使用傳感器測量被減振對象的振動信號，信號經(jīng)過放大器放大后送入控制主機，構(gòu)成閉環(huán)控制。
本發(fā)明使用智能材料磁流變彈性體作為動力吸振器的變剛度彈性元件，并采用電磁鐵提供主動力，根據(jù)被減振對象的主振動頻率和振動狀態(tài)，按照設(shè)定的控制方法，改變磁流變彈性體的剛度，同時調(diào)節(jié)控制力的幅值和相位，快速準確地進行相位匹配，從而能在較寬的頻率范圍內(nèi)和較大的頻率變化速率下實現(xiàn)最佳吸振的低能耗的減振目的。
本發(fā)明所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，屬于半主動和主動式聯(lián)合控制，與現(xiàn)有的各類吸振系統(tǒng)相比，具有以下顯著優(yōu)點1.與頻率調(diào)諧式吸振器相比，具有響應(yīng)快，減振效果好的優(yōu)點。因為本發(fā)明能根據(jù)被減振對象的振動狀態(tài)，直接產(chǎn)生主動力作用于被減振對象，大大降低吸振塊的運動阻尼，能快速準確的實現(xiàn)相位匹配，適用于頻率變化較快的場合；2.與已有的主動力吸振器相比，具有低能耗、減振頻帶寬的優(yōu)點。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)變剛度元件的剛度能在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)頻率調(diào)諧，因而吸振器在較寬的頻帶內(nèi)均能實現(xiàn)很好的儲能效果，主動力元件在較寬的頻帶內(nèi)耗能少，另外彈性力、阻尼力和主動力同時作用于被減振對象，主動力提供的能量利用率高；3.由于彈性力、阻尼力和主動力同時作用于被減振對象而且頻率可調(diào)，使用較小的吸振質(zhì)量和較小的振幅也能達到需要的減振帶寬，所以吸振器的質(zhì)量和體積較小；4.結(jié)構(gòu)簡單，而且在使用過程中即使主動力元件發(fā)生故障，吸振器仍然相當于頻率調(diào)諧式半主動吸振器，因此系統(tǒng)可靠性高。
下面通過實施例及其附圖做進一步描述。


附圖1為本發(fā)明的磁流變彈性體主動吸振器的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為本發(fā)明的控制原理示意圖。
圖2中m0、K0、C0是被減振對象的質(zhì)量、剛度和阻尼；m0上受激振力Psinωt作用，ω為激振力的頻率，也即被減振對象的振動頻率，x0是被減振對象的位移；m、k、c是吸振器的吸振質(zhì)量、等效剛度和阻尼，后兩者代表了磁流變彈性體的特性；F是主動力元件提供的主動力。
具體實施例方式
參見圖1，1為吸振塊，片狀的磁流變彈性體2分設(shè)在吸振塊的左右兩側(cè)面，并粘接成一體，“U”形電磁鐵3開口向下，與外部電源接通的線圈4A繞在其頂部，片狀的磁流變彈性體2的另一表面分別粘接在“U”形鐵芯的內(nèi)側(cè)面上。在吸振塊的下端面以螺釘連接方式固連有黃銅材料的隔磁塊5，永久磁鐵6固定連接在隔磁塊5的下端面上。7是四方體的電磁鐵，它固定在“U”形支架8的內(nèi)底面上，其線圈4B與外部電源接通。
“U”形鐵芯的兩個側(cè)壁的下端通過磁流變彈性體2、吸振塊1，構(gòu)成閉合的磁回路，當改變該回路中勵磁電流的大小，可調(diào)節(jié)變剛度元件的剛度，從而改變吸振器的固有頻率。吸振塊通過隔磁塊與永久磁鐵相連組成吸振器的動質(zhì)量即吸振質(zhì)量，設(shè)置隔磁塊的目的是避免永久磁鐵影響通過磁流變彈性體的磁路。柱狀電磁鐵和永久磁鐵構(gòu)成吸振器的主動力元件。實際使用中也可以使用由另一副柱狀鐵芯及線圈代替永久磁鐵，即由兩副柱狀鐵芯及線圈構(gòu)成吸振器的主動力元件。
在上述吸振系統(tǒng)中，所述吸振質(zhì)量、磁流變彈性體的尺寸根據(jù)下式確定f=12πkm,k=GA/t]]>其中f為吸振器無磁場下的固有頻率，m為吸振質(zhì)量，k為磁流變彈性體無磁場下的等效剛度，A，t，G分別為磁流變彈性體的截面積、厚度、剪切模量。選擇的吸振質(zhì)量一般為被減振對象質(zhì)量的5％～40％。按照上面的公式，改變磁流變彈性體的尺寸就可以調(diào)節(jié)吸振器在無磁場下的固有頻率，使吸振器在無磁場下的固有頻率比需要減振的頻率低約20％～50％。例如，被減振對象質(zhì)量m0＝25Kg，被減振對象的振動頻率為60Hz，根據(jù)前面所述規(guī)則可選擇吸振塊的質(zhì)量m＝2.5Kg，選擇吸振器無磁場下的固有頻率f＝40Hz，已知磁流變彈性體的剪切模量G＝4×105Pa，選取磁流變彈性體厚度t＝5mm，則根據(jù)上式計算得出磁流變彈性體的面積A＝0.002m2。
本發(fā)明的控制方法，在吸振器安裝前測出吸振器固有頻率與勵磁電流間的關(guān)系曲線以及選擇合適的控制律，這兩項操作均為現(xiàn)有技術(shù)。此后的具體控制過程分為對變剛度元件和主動力元件的控制兩部分。參見圖2，虛線框9內(nèi)為整個吸振器，它由螺釘通過支架底部的螺孔固定到被減振對象10上，11為設(shè)置在被減振對象上的加速度傳感器，用以測量被減振對象10的振動信號；該信號經(jīng)過電荷放大器12放大后送入控制主機13，采用快速傅立葉變換FFT算法對輸入振動信號進行計算分析，從而獲得被減振對象振動的頻率、幅值和相位信息?？刂浦鳈C13比較被減振對象10的振動頻率和吸振器9的固有頻率是否相同，如果兩者相同則保持現(xiàn)狀不變，如果兩者不同，控制主機13將根據(jù)預(yù)存在控制主機中的吸振器9固有頻率與勵磁電流間的關(guān)系，計算得到變主動元件的控制信號，該信號經(jīng)過功率放大器14放大后，輸出到“U”電磁鐵的線圈4A電流的控制中，來調(diào)節(jié)變剛度元件中線圈4A的勵磁電流，使吸振器9的固有頻率和被減振對象的振動頻率相同。
另一方面，控制主機13還將根據(jù)被減振對象10的頻率、幅值和相位信息，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的主動力控制律，采用自尋優(yōu)算法計算出控制律中的控制參數(shù)，使得在這樣的控制參數(shù)下被減振對象的振動幅值最小，然后將控制參數(shù)代入控制律給出主動力的控制信號，通過功率放大器14調(diào)節(jié)主動力元件柱狀電磁鐵7中線圈4B的勵磁電流，使柱狀電磁鐵7與永久磁鐵6間產(chǎn)生的主動力作用于被減振對象10，使用加速度傳感器11測量被減振對象10的振動信號，信號經(jīng)過電荷放大器12放大后送入控制主機13，構(gòu)成閉環(huán)控制，使主動力的頻率、幅值和相位實現(xiàn)快速準確的相位匹配，達到最佳的動力吸振的目的。
下面給出主動力控制信號的具體計算過程采用加速度反饋控制律 其中F主動力元件提供的主動力，x0是被減振對象的位移， 是x0對時間的二階導(dǎo)數(shù)，Kg是控制參數(shù)。被減振對象的位移x0的幅值為Ax0，在上述控制律下Ax0是控制參數(shù)Kg的函數(shù)，則Ax0=Ax0(Kg)。被減振對象的位移x0及其幅值通過對測量被減振對象10的振動信號進行計算分析得出，如前所述。選取被減振對象的振動幅值最小化為控制目標，即MinKg(AX0(Kg)),]]>，采用自尋優(yōu)算法計算出控制律中的控制參數(shù)Kg，代入控制律即可給出主動力F的控制信號。
權(quán)利要求
1.磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，包括吸振器和控制器，其中控制器包括加速度傳感器、電荷放大器、功率放大器和控制主機；所述吸振器包括有主動力元件和吸振塊，其特征在于，所述吸振器還包括有變剛度元件、隔磁塊以及用于支承的“U”形支架；所述主動力元件由柱狀的永久磁鐵和一繞有線圈的柱狀鐵芯構(gòu)成，該柱狀鐵芯固連在支架的內(nèi)底面上，永久磁鐵通過隔磁塊與吸振塊固連，永久磁鐵的下端面與柱狀鐵芯的上端面平行，兩者之間的距離大于被減振對象的上下振幅；所述變剛度元件由“U”形電磁鐵及磁流變彈性體構(gòu)成，“U”形鐵芯開口向下，線圈繞于其頂部，“U”形鐵芯的兩個內(nèi)側(cè)面上分別固連有一片狀的磁流變彈性體，吸振塊置于兩片中間，并固連成整體，“U”形鐵芯下端與“U”形支架上端面固連，構(gòu)成容納主動力元件、吸振塊及磁流變彈性體、隔磁塊的內(nèi)空間。
2.如權(quán)利要求1所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，其特征在于，所述吸振塊的質(zhì)量、磁流變彈性體的尺寸根據(jù)下式確定f=12π‾mk,k=GA/t,]]>其中m為吸振塊的質(zhì)量，f為吸振器無磁場下的固有頻率，k為磁流變彈性體無磁場下的等效剛度，A，t，G分別為磁流變彈性體的截面積、厚度、剪切模量。
3.如權(quán)利要求1所述的磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)，其特征在于，所述永久磁鐵由另一柱狀電磁鐵代替。
4.一種磁流變彈性體主動吸振系統(tǒng)的控制方法，包括在吸振器安裝前測出吸振器固有頻率與勵磁電流間的關(guān)系曲線并選擇合適的控制律，其特征在于，(1)使用加速度傳感器測量被減振對象的振動信號，信號經(jīng)過電荷放大器放大后送入控制主機，對輸入振動信號進行計算分析，獲得被減振對象振動的頻率、幅值和相位信息；(2)分別對變剛度元件和主動力元件進行控制a)根據(jù)吸振器安裝前測得的吸振器固有頻率與勵磁電流間的關(guān)系，通過功率放大器調(diào)節(jié)“U”形電磁鐵上線圈的勵磁電流，以調(diào)節(jié)變剛度元件的剛度，從而調(diào)整吸振器的固有頻率，使其與被減振對象的振動頻率相同；b)根據(jù)被減振對象的頻率、幅值和相位信息，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的主動力控制律，采用自尋優(yōu)算法計算出控制律中的控制參數(shù)，使得在這樣的控制參數(shù)下被減振對象的振動幅值最小，將控制參數(shù)代入控制律給出主動力的控制信號，通過功率放大器調(diào)節(jié)主動力元件中柱狀電磁鐵線圈的勵磁電流，使柱狀電磁鐵與永久磁鐵間產(chǎn)生的主動力作用于被減振對象；然后使用傳感器測量被減振對象的振動信號，信號經(jīng)過放大器放大后送入控制主機，構(gòu)成閉環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及減振裝置，特別涉及主動式吸振器及控制方法。所述吸振系統(tǒng)中的吸振器由主動力元件、吸振塊、變剛度元件、隔磁塊以及“U”形支架構(gòu)成；其主動力元件由永久磁鐵和柱狀電磁鐵構(gòu)成，該柱狀鐵芯固連在支架的內(nèi)底面上，永久磁鐵通過隔磁塊與吸振塊固連；其變剛度元件由“U”形電磁鐵及磁流變彈性體構(gòu)成，“U”形鐵芯開口向下，它的兩個內(nèi)側(cè)面上分別固連有磁流變彈性體，吸振塊置于兩片中間，“U”形鐵芯下端與“U”形支架上端面固連，構(gòu)成容納主動力元件、吸振塊及磁流變彈性體、隔磁塊的內(nèi)空間。其控制方法為根據(jù)被減振對象振動的頻率、幅值和相位信息分別對變剛度元件和主動力元件進行控制。本發(fā)明屬于半主動和主動式聯(lián)合控制，具有低能耗、減振頻帶寬等優(yōu)點。
文檔編號F16F9/53GK1952430SQ20051009498
公開日2007年4月25日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者孫紅靈, 龔興龍, 張鯤, 張培強, 張先舟 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)