本發(fā)明涉及一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)，它可在振動系統(tǒng)和吸振器之間構(gòu)建模態(tài)能量交互通道，將振動系統(tǒng)的振動能量遷移至吸振器并由阻尼耗散，振動系統(tǒng)包括柔性機械臂、發(fā)動機等非線性振動系統(tǒng)，屬于振動控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

振動控制方法概括來說主要有以下五種：消振、隔振、阻振、結(jié)構(gòu)修改及吸振。其中，吸振是對振動系統(tǒng)進行減振的一項重要技術(shù)。所謂吸振，就是通過在被控主振系統(tǒng)的特定部位附加一個具有質(zhì)量和剛度的子系統(tǒng)，即動力吸振器。合理選擇該子系統(tǒng)的動力參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及與主振系的耦合關(guān)系，以改變主振系的振動狀態(tài)，使能量重新分配，即將主振系上的振動能量轉(zhuǎn)移到子系統(tǒng)上，從而減少或消除主振系的振動。動力吸振器主要可以劃分為三種類型：被動式吸振器、半主動式吸振器和主動式吸振器。半主動吸振器具有吸振頻帶寬、能耗低的優(yōu)點，已成為吸振技術(shù)的重要發(fā)展方向。

近幾年出現(xiàn)了一種新型的磁流變材料——磁流變彈性體。磁流變彈性體是高分子化合物與磁性顆粒混合組成的復(fù)合材料。將微米級別的磁性顆粒投入到高分子化合物中，攪拌均勻，放置在強磁場下進行固化，磁性顆粒沿磁場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)。磁流變彈性體兼有彈性體和磁流變材料的特點，響應(yīng)迅速、具有可逆性、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，在振動控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

對磁流變彈性體動力吸振器進行有效的控制是其有效工作的必要條件。已有kim等人通過實驗擬合了磁流變彈性體動力吸振器固有頻率與磁感應(yīng)強度之間的數(shù)學表達式，通過測得系統(tǒng)的激勵頻率計算得到所需的外加磁場，仿真結(jié)果表明該算法具有良好的振動控制效果。zhang等人設(shè)計了bang-bang控制算法對磁流變彈性體動力吸振器進行控制，結(jié)果表明該算法可以有效地衰減系統(tǒng)的振動?？紤]到磁流變彈性體動力吸振器中由磁流變彈性體的非線性因素引起的磁場強度和磁流變彈性體磁滯模量的不確定關(guān)系，liao等人提出了一種基于相位的控制算法，該算法具有調(diào)整速度塊、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

另一方面，內(nèi)共振為非線性振動系統(tǒng)特有的現(xiàn)象。對于振動系統(tǒng)中的兩個固有頻率，在滿足內(nèi)共振條件時，兩個振動模態(tài)強烈地耦合，發(fā)生一種振動激發(fā)另一種振動的現(xiàn)象，稱為非線性系統(tǒng)振動的內(nèi)共振現(xiàn)象。在不計阻力的條件下，系統(tǒng)的能量在兩種振動之間不斷地轉(zhuǎn)換而不衰減，振幅和相位周期性變化。通過內(nèi)共振可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)不同模態(tài)之間的能量傳遞，如果某一階內(nèi)共振模態(tài)存在著一定的阻尼，那么該模態(tài)就會利用內(nèi)共振所建立的能量交換機制不斷從其它內(nèi)共振模態(tài)那里獲取并且耗散其振動能量。因此，通過內(nèi)共振來實現(xiàn)振動系統(tǒng)的吸振成為我們解決非線性振動的新思路。

為了解決振動系統(tǒng)振動的問題，本專利申請中提出一種“基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有可變剛度、魯棒性好的特點，通過調(diào)節(jié)頻率形成內(nèi)共振，利用內(nèi)共振使得振動系統(tǒng)振動能量傳遞到吸振器并由阻尼耗散掉，達到減小振動系統(tǒng)振動的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對大幅非線性振動控制方法的欠缺及不足，為解決大幅度振動，特別是具有非線性耦合振動情況的機械系統(tǒng)，在工作過程中的振動控制問題，提供了一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)。具有減振效果明顯、控制穩(wěn)定和魯棒性好的特點。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的特點是：所述控制系統(tǒng)的構(gòu)成包括半主動吸振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及電流輸出模塊；

所述半主動吸振系統(tǒng)包括1:2半主動吸振器、振動系統(tǒng)以及安裝在振動系統(tǒng)上的傳感器；利用所述1:2半主動吸振器對所述振動系統(tǒng)的振動進行半主動吸振控制；利用所述傳感器實時檢測獲得與所述半主動吸振系統(tǒng)的輸出向量相對應(yīng)的實時振動信號的模擬量；

所述數(shù)據(jù)采集分析模塊包括電荷放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和自適應(yīng)狀態(tài)觀測器；所述電荷放大器用于將所述實時振動信號進行放大；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述放大后的實時振動信號的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；根據(jù)所述實時振動信號的數(shù)字量，利用所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測器預(yù)測獲得所述半主動吸振系統(tǒng)的狀態(tài)向量，并由所述狀態(tài)向量獲得與相關(guān)狀態(tài)向量對應(yīng)的半主動吸振系統(tǒng)的相關(guān)振動信息，1:2半主動吸振器的自身運動信息以及振動系統(tǒng)的自身運動信息；

所述數(shù)據(jù)處理模塊包括fft單元和頻率比較單元；所述fft單元用于將所述1:2半主動吸振器的自身運動信息，以及振動系統(tǒng)的自身運動信息進行快速傅里葉變換分別得到1:2半主動吸振器以及振動系統(tǒng)的振動頻率；所述頻率比較單元用于將所述1:2半主動吸振器的振動頻率與所述振動系統(tǒng)的振動頻率的1/2進行比較，得到三種比較結(jié)果；

所述電流輸出模塊根據(jù)所述頻率比較單元獲得的三種結(jié)果得到三種不同的電流控制信號，利用所述電流控制信號控制所述可控直流電源輸出電流，所述控制電流輸出至所述1:2半主動吸振器，改變勵磁線圈兩端的電壓，形成不同的減振剛度，形成內(nèi)共振，消耗振動能量從而實現(xiàn)對半主動吸振系統(tǒng)的振動的控制。

本發(fā)明一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的特點也在于：所述1:2半主動吸振器為磁流變彈性體吸振器；所述振動系統(tǒng)為柔性機械臂、發(fā)動機等非線性振動系統(tǒng)；所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測器采用卡爾曼濾波狀態(tài)觀測器。

本發(fā)明一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的特點也在于：按如下方式獲得所述運動信息：

設(shè)置所述傳感器是安裝在振動系統(tǒng)上的加速度傳感器，令：所述半主動吸振系統(tǒng)的輸出向量為振動系統(tǒng)的實測振動加速度；取所述半主動吸振系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)向量為1:2半主動吸振器的振動加速度；根據(jù)所述狀態(tài)向量確定所述1:2半主動吸振器的估計振動加速度a1和振動系統(tǒng)的估計振動加速度a2。

本發(fā)明一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的特點也在于：根據(jù)所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測器獲得的相關(guān)運動信息，通過所述fft單元獲得所述頻率信息。

本發(fā)明一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的特點也在于：所述頻率比較單元設(shè)計的算法基于1:2內(nèi)共振的原理，達到減振的目的。

本發(fā)明一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的特點也在于：所述傳感器為加速度傳感器；所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測器獲得的運動信息為加速度信息。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明突破了現(xiàn)有的運用線性振動理論來解決非線性振動問題的理論方法層面的束縛，充分利用了非線性振動系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)共振時，模態(tài)能量在不同模態(tài)之間交互的特性，提供了一種理論基礎(chǔ)科學且簡單易行的非線性振動控制系統(tǒng)。

2.本發(fā)明根據(jù)磁流變彈性體剪切剛度隨外加磁場強度改變的性質(zhì)實現(xiàn)吸振器和振動系統(tǒng)之間的內(nèi)共振，可針對不同的控制狀態(tài)，調(diào)節(jié)勵磁線圈的電壓值改變磁流變彈性體的剛度來進行匹配，從而實現(xiàn)對磁流變彈性體動力吸振器進行快速有效的控制。

3.本發(fā)明根據(jù)非線性振動系統(tǒng)的振動特性，利用自適應(yīng)狀態(tài)觀測器以及狀態(tài)處理單元，實現(xiàn)對半主動吸振系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)向量及對應(yīng)的相關(guān)振動信息實時準確的預(yù)測。在實際應(yīng)用中，本發(fā)明只需要使用一個加速度傳感器，節(jié)省了傳感器的使用數(shù)量，既節(jié)省了控制系統(tǒng)的成本，又簡化了控制系統(tǒng)的硬件復(fù)雜性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明控制原理示意圖；

圖2為本發(fā)明中數(shù)據(jù)處理模塊控制算法的流程框圖；

以上的圖中有：半主動吸振系統(tǒng)(1)，數(shù)據(jù)采集分析模塊(2)，數(shù)據(jù)處理模塊(3)，電流輸出模塊(4)，1:2半主動吸振器(11)，振動系統(tǒng)(12)，加速度傳感器(13)，電荷放大器(21)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)，自適應(yīng)狀態(tài)觀測器(23)，fft單元(31)，頻率比較單元(32)，可控直流電源(41)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的實施不限于此。

如圖1所示，本實施例中一種基于1:2內(nèi)共振的半主動吸振控制系統(tǒng)的構(gòu)成包括半主動吸振系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集分析模塊2、數(shù)據(jù)處理模塊3以及電流輸出模塊4。

半主動吸振系統(tǒng)1包括1:2半主動吸振器11、振動系統(tǒng)12以及安裝在振動系統(tǒng)上的加速度傳感器13；利用1:2半主動吸振器11對所述振動系統(tǒng)12的振動進行半主動吸振控制；利用加速度傳感器13實時檢測獲得與所述半主動吸振系統(tǒng)的輸出向量相對應(yīng)的實時振動信號的模擬量；

數(shù)據(jù)采集分析模塊2包括電荷放大器21、模數(shù)轉(zhuǎn)換器22和自適應(yīng)狀態(tài)觀測器23；電荷放大器21用于將所述實時振動信號進行放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換器22用于將所述放大后的實時振動信號的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；根據(jù)實時振動信號的數(shù)字量，利用自適應(yīng)狀態(tài)觀測器23預(yù)測獲得半主動吸振系統(tǒng)1的狀態(tài)向量，并由狀態(tài)向量獲得與相關(guān)狀態(tài)向量對應(yīng)的半主動吸振系統(tǒng)1的相關(guān)振動信息，1:2半主動吸振器11的自身運動信息以及振動系統(tǒng)12的自身運動信息；

數(shù)據(jù)處理模塊3包括fft單元31和頻率比較單元32；fft單元31用于將1:2半主動吸振器11的自身運動信息，以及振動系統(tǒng)12的自身運動信息進行快速傅里葉變換分別得到1:2半主動吸振器11以及振動系統(tǒng)12的振動頻率；頻率比較單元32用于將1:2半主動吸振器11的振動頻率與振動系統(tǒng)12的振動頻率的1/2進行比較，得到三種比較結(jié)果；

如圖1、圖2所示，電流輸出模塊4根據(jù)頻率比較單元32獲得的三種結(jié)果得到三種不同的電流控制信號，利用電流控制信號控制可控直流電源41輸出電流，控制電流輸出至1:2半主動吸振器11，改變勵磁線圈兩端的電壓，形成不同的減振剛度，形成內(nèi)共振，消耗振動能量從而實現(xiàn)對半主動吸振系統(tǒng)1的振動的控制。

本實施例中1:2半主動吸振器11為磁流變彈性體吸振器；振動系統(tǒng)12為柔性機械臂、發(fā)動機等非線性振動系統(tǒng)；自適應(yīng)狀態(tài)觀測器23采用卡爾曼濾波狀態(tài)觀測器。

本實施例按如下方式獲得所述運動信息：

設(shè)置加速度傳感器13是安裝在振動系統(tǒng)12上的加速度傳感器，令：所述半主動吸振系統(tǒng)1的輸出向量為振動系統(tǒng)12的實測振動加速度；取所述半主動吸振系統(tǒng)1的相關(guān)狀態(tài)向量為1:2半主動吸振器11的振動加速度；根據(jù)實測振動加速度，并利用卡爾曼濾波狀態(tài)觀測器預(yù)測獲得半主動吸振系統(tǒng)1的狀態(tài)向量。根據(jù)卡爾曼濾波狀態(tài)觀測器獲得的狀態(tài)向量確定所述1:2半主動吸振器11的估計振動加速度a1和振動系統(tǒng)12的估計振動加速度a2。

本實施例中fft單元31將1:2半主動吸振器11的自身運動信息，以及振動系統(tǒng)12的自身運動信息進行快速傅里葉變換分別得到1:2半主動吸振器11以及振動系統(tǒng)12的振動頻率。

本實施例中頻率比較單元32設(shè)計的算法基于1:2內(nèi)共振的原理，消耗振動能量從而實現(xiàn)對半主動吸振系統(tǒng)1的振動的控制。

本發(fā)明突破了現(xiàn)有的運用線性振動理論來解決非線性振動問題的理論方法層面的束縛，充分利用了非線性振動系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)共振時，模態(tài)能量在不同模態(tài)之間交互的特性，提供了一種理論基礎(chǔ)科學且簡單易行的非線性振動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)根據(jù)磁流變彈性體剪切剛度隨外加磁場強度改變的性質(zhì)實現(xiàn)吸振器和振動系統(tǒng)之間的內(nèi)共振，可針對不同的控制狀態(tài)，調(diào)節(jié)勵磁線圈的電壓值改變磁流變彈性體的剛度來進行匹配，從而實現(xiàn)對磁流變彈性體動力吸振器進行快速有效的控制。本發(fā)明根據(jù)非線性振動系統(tǒng)的振動特性，利用自適應(yīng)狀態(tài)觀測器以及狀態(tài)處理單元，實現(xiàn)對半主動吸振系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)向量及對應(yīng)的相關(guān)振動信息實時準確的預(yù)測。在實際應(yīng)用中，本發(fā)明只需要使用一個加速度傳感器，節(jié)省了傳感器的使用數(shù)量，既節(jié)省了控制系統(tǒng)的成本，又簡化了控制系統(tǒng)的硬件復(fù)雜性。