準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)及其非線性反饋控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于隔振技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)及其非線性反饋控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由線性隔振理論可知，只有當(dāng)外界激勵(lì)頻率大于系統(tǒng)固有頻率的VI倍時(shí)，線性隔 振系統(tǒng)才有隔振效果，為了提高線性隔振系統(tǒng)的隔振頻帶，可減小線性隔振系統(tǒng)的剛度，但 會(huì)使線性隔振系統(tǒng)的承載能力降低，而準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)能夠克服線性隔振系統(tǒng)中存在的 降低固有頻率與提高承載力之間的矛盾。但由此帶來的問題是，由于準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)為 非線性隔振方式，隨著激勵(lì)幅值的增加，準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)在共振峰處的幅值增大，在共振 頻率處會(huì)發(fā)生跳躍現(xiàn)象。雖然增大線性阻尼會(huì)抑制運(yùn)些不良現(xiàn)象的發(fā)生，但會(huì)使隔振系統(tǒng) 的高頻傳遞特性變差；線性及非線性隔振系統(tǒng)的主動(dòng)控制策略主要是采用線性速度及線性 位移反饋控制方法，運(yùn)些控制策略雖然能使力傳遞率及位移傳遞率共振峰處的幅值降低且 會(huì)抑制跳躍現(xiàn)象的產(chǎn)生，但也會(huì)使隔振系統(tǒng)的高頻傳遞特性變差，線性反饋控制策略也難 W解決運(yùn)個(gè)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)及其非線性 反饋控制方法，能夠在克服線性隔振器中存在的降低固有頻率與提高承載力之間矛盾的基 礎(chǔ)上，使隔振系統(tǒng)的高頻傳遞特性得到有效改善。
[0004] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案。
[0005] 本發(fā)明的一種準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)，包括被隔振物體，準(zhǔn)零剛度隔振器，設(shè)置于被隔 振物體下方的阻尼器，所述的準(zhǔn)零剛度隔振器包括有彈黃減振機(jī)構(gòu)，其特征在于：還包括：
[0006] 一個(gè)設(shè)置在所述的被隔振物體上的速度傳感器，用于采集被隔振物體的速度反饋 信號(hào)；
[0007] -個(gè)控制器，其輸入端與所述的速度傳感器的輸出端相聯(lián)接，用于控制輸入的速 度信號(hào)，并將輸入的速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為力信號(hào)，力信號(hào)與速度信號(hào)的=次方成正比；
[0008] -個(gè)執(zhí)行器，其輸入端與所述的控制器的輸出端相聯(lián)接，用于將輸入的力信號(hào)作 用于被隔振物體上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制。由于作用于被隔振 物體上的力與被隔振物體的速度=次方成正比，所W該非線性反饋控制方法又可稱為立方 速度非線性反饋控制方法。
[0009] 進(jìn)一步地，所述的準(zhǔn)零剛度隔振器的彈黃減振機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)水平彈黃、垂直彈黃 和基座；所述的垂直彈黃安裝在被隔振物體與底面基座之間，水平彈黃安裝在被隔振物體 與垂直基座之間，底面基座與垂直基座構(gòu)成一整體基座。
[0010] 進(jìn)一步地，所述的執(zhí)行器為伺服電機(jī)，設(shè)置于被隔振物體與垂直基座之間。
[0011] 進(jìn)一步地，在所述的被隔振物體與垂直基座之間，所述的阻尼器位于被隔振物體 的正中下方，所述的垂直彈黃和所述的執(zhí)行器分別位于所述的阻尼器的一側(cè)。
[0012] 進(jìn)一步地，被隔振物體與垂直基座之間的兩個(gè)水平彈黃的參數(shù)相同。
[0013] 本發(fā)明的一種準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制方法，其特征在于：通過一個(gè) 設(shè)置在所述的被隔振物體上的速度傳感器采集被隔振物體的速度反饋信號(hào)；通過一個(gè)控制 器，其輸入端與所述的速度傳感器的輸出端相聯(lián)接，控制輸入的速度信號(hào)，并將輸入的速度 信號(hào)轉(zhuǎn)化為力信號(hào)；通過一個(gè)執(zhí)行器，其輸入端與所述的控制器的輸出端相聯(lián)接，將輸入的 力信號(hào)作用于被隔振物體上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制。
[0014] 所述的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制方法，包括W下步驟：
[0015] 步驟1、確定所述的執(zhí)行器作用于被隔振物體上的控制輸出力廠C3為反 饋增益，為被隔振物體的速度。
[0016] 步驟2、結(jié)合所述的執(zhí)行器作用于被隔振物體上的控制輸出力Fm，確定準(zhǔn)零剛度隔 振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程；利用非線性近似解析法確定準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的主共振響應(yīng)、 1/3亞諧共振響應(yīng)；分析控制輸出力Fm對(duì)其主共振幅頻特性、1/3亞諧共振幅頻特性及1/3 亞諧共振存在區(qū)域的影響；定義力傳遞率評(píng)價(jià)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的隔振性能，分析控制輸 出力Fm對(duì)其隔振性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制，同時(shí)完成 對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)隔振性能的評(píng)價(jià)。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果包括：
[0018] 本發(fā)明所述的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)及其非線性反饋控制方法，能解決現(xiàn)有技術(shù)的被 動(dòng)隔振系統(tǒng)及線性反饋控制即線性速度及線性位移反饋控制方法中存在的抑制共振峰值 及改善高頻傳遞特性運(yùn)對(duì)矛盾；采用本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)及方法，準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)主共振 峰處的幅值及亞諧共振存在區(qū)域逐漸減小，力傳遞率共振峰處的幅值降低且高頻傳遞特性 得到有效改善。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖2為圖1所示的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的無量綱力-位移曲線。
[0021] 圖3為圖1所示的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的無量綱剛度-位移曲線。
[0022] 圖4為圖1所示的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的主共振幅頻特性曲線。
[0023] 圖5為圖1所示的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的1/3亞諧共振存在區(qū)域。
[0024] 圖6為圖1所示的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的1/3亞諧共振幅頻特性曲線。
[00巧]圖7為無非線性反饋控制下的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的力傳遞率曲線。
[0026]圖8為采用本發(fā)明所述的非線性反饋控制下的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)力傳遞率曲線。
[0027] 其中，1被隔振物體，2水平彈黃，3垂直彈黃，4阻尼器，5速度傳感器，6非線性控 制器，7執(zhí)行器，80基座，81底面基座，82垂直基座。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029] 現(xiàn)結(jié)合圖1說明本發(fā)明的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的工作原理。該準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的 具體結(jié)構(gòu)包括：被隔振物體（1)，準(zhǔn)零剛度隔振器，阻尼器（4)，速度傳感器巧），非線性控制 器（6)和執(zhí)行器（7)，執(zhí)行器（7)安裝在被隔振物體（1)與底面基座（81)之間。準(zhǔn)零剛度 隔振器為=彈黃結(jié)構(gòu)式，包括：水平彈黃（2)和垂直彈黃（3)，垂直彈黃（3)安裝在被隔振 物體（1)與底面基座（81)之間，水平彈黃（2)安裝在被隔振物體（1)與垂直基座（82)之 間，底面基座（81)與垂直基座（82)構(gòu)成一整體基座（80)。垂直彈黃作為正剛度彈性元件 用于承受主要載荷并提供正剛度，水平彈黃為負(fù)剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于抵消垂直彈黃的剛度， 使準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)在靜平衡位置處的剛度趨于零，準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)具有高的靜剛度和 低的動(dòng)剛度，高的靜剛度使隔振系統(tǒng)的承載能力提高，靜態(tài)位移減??；低的動(dòng)剛度使系統(tǒng)的 固有頻率降低，獲得比線性隔振系統(tǒng)更寬的隔振頻帶。本發(fā)明所述的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的 非線性反饋控制的實(shí)現(xiàn)方式為：速度傳感器（5)用于采集被隔振物體（1)的速度信號(hào)；非 線性控制器（6)用于控制輸入的速度信號(hào)，并將輸入的速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為力信號(hào)，力信號(hào)與 速度信號(hào)的=次方成正比；執(zhí)行器（7)為伺服電機(jī)，用于將輸入的力信號(hào)作用于被隔振物 體（1)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的一種主動(dòng)控制也即非線性反饋控制。
[0030] 圖1所示位置為準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)受載后，系統(tǒng)達(dá)到靜平衡狀態(tài)。垂直彈黃與水 平彈黃剛度分別為Ky，Kh;水平彈黃初始長度為1。;水平彈黃在準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)達(dá)到靜平 衡狀態(tài)時(shí)的長度為1;x為被隔振物體m從靜態(tài)平衡位置開始時(shí)的位移；線性阻尼器的阻尼 系數(shù)為C;系統(tǒng)受到垂向簡(jiǎn)諧力激勵(lì)Fccos(wt)。反饋信號(hào)為速度信號(hào)i:，通過非線性 控制器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制。
[0031] 準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制方法，具體包括W下幾個(gè)步驟：
[0032] 步驟1、確定所述的執(zhí)行器作用于被隔振物體上的控制輸出力/"", =Ci-SC3為反 饋增益，為被隔振物體的速度。由于作用于被隔振物體（1)上的力與被隔振物體（1)的 速度=次方成正比，所W本發(fā)明所述的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制方法又可稱為 立方速度反饋控制方法。
[0033] 步驟2、結(jié)合所述的執(zhí)行器作用于被隔振物體上的控制輸出力Fm，確定準(zhǔn)零剛度隔 振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程；利用非線性近似解析法確定準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的主共振響應(yīng)、 1/3亞諧共振響應(yīng)；分析控制輸出力Fm對(duì)其主共振幅頻特性、1/3亞諧共振幅頻特性及1/3 亞諧共振存在區(qū)域的影響；定義力傳遞率評(píng)價(jià)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的隔振性能，分析控制輸 出力Fm對(duì)其隔振性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的非線性反饋控制，同時(shí)完成 對(duì)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)隔振性能的評(píng)價(jià)。
[0034] 準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的力-位移與剛度-位移特性可表示為
[003引
化)
[0036] 將準(zhǔn)零剛度隔系統(tǒng)的力與剛度表示為無量綱形式
[0037]
(2；
[003引其中i= .\'/.\-、，廠=廠/'(A：,..y, ) ,' / = //7(,.，：二欠/ 欠.V、二(/(: -/^)-為被隔振 物體的靜態(tài)位移量。
[0039] 若準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)在靜態(tài)平衡位置