結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)，包括超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和在其驅(qū)動(dòng)下動(dòng)作的被控結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括的控制器和驅(qū)動(dòng)器，超磁致系統(tǒng)還包括檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的輸出力并轉(zhuǎn)換為力傳感信號(hào)的力傳感器、檢測(cè)被控結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移并轉(zhuǎn)換為位移傳感信號(hào)的位移傳感器，力傳感器的輸出反饋連接至驅(qū)動(dòng)器，位移傳感器的輸出分別反饋至控制器和反饋連接至驅(qū)動(dòng)器，超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括對(duì)控制器所輸出的控制信號(hào)在加載時(shí)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器，補(bǔ)償器的輸入與控制器相連接，補(bǔ)償器的輸出與驅(qū)動(dòng)器相連接。本超磁致系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了考慮多個(gè)環(huán)節(jié)復(fù)雜交互作用并進(jìn)行一體整合銜接，可以進(jìn)一步提高整個(gè)超磁致驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度，進(jìn)一步提高控制效果。
【專利說(shuō)明】結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的由超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和被控結(jié)構(gòu)共同構(gòu) 成的超磁致系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)控制的精度成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制發(fā)展的 瓶頸，尤其對(duì)于微振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)控制的精度有更高的要求。通常提高控制的精度往往是通過(guò) 提高驅(qū)動(dòng)震動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器本身的精度，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的交互作用往往被忽略，而這些動(dòng)力因 素往往制約著控制精度，使得理論控制精度與實(shí)際控制精度有偏差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中，考慮了整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)雜交互 作用、而將由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和被控結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超磁致系統(tǒng)進(jìn)行一體整合銜接的超磁致系統(tǒng)。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)，包括超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和與所述的超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 相連接并在其驅(qū)動(dòng)下動(dòng)作的被控結(jié)構(gòu)，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)出控制信號(hào)的控制器和在所 述的控制信號(hào)的控制下驅(qū)動(dòng)所述的被控結(jié)構(gòu)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器，所述的超磁致系統(tǒng)還包括檢測(cè) 所述的驅(qū)動(dòng)器的輸出力并轉(zhuǎn)換為力傳感信號(hào)的力傳感器、檢測(cè)所述的被控結(jié)構(gòu)在所述的超 磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的位移并轉(zhuǎn)換為位移傳感信號(hào)的位移傳感器，所述的力傳感器 的輸出經(jīng)過(guò)力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路反饋連接至所述的驅(qū)動(dòng)器，所述的位移傳感器的輸出分別 反饋至所述的控制器和經(jīng)過(guò)位移信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路反饋連接至所述的驅(qū)動(dòng)器，所述的超磁 致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括對(duì)所述的控制器所輸出的控制信號(hào)在加載時(shí)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ) 償器，所述的補(bǔ)償器的輸入與所述的控制器相連接，所述的補(bǔ)償器的輸出與所述的驅(qū)動(dòng)器 相連接。
[0005] 所述的位移傳感信號(hào)反饋連接至所述的補(bǔ)償器。
[0006] 所述的力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路包括與所述的力傳感器相連接的第一微分器、與所述 的第一微分器相連接的第一增益電路，所述的第一增益電路的輸出與所述的驅(qū)動(dòng)器相連 接；所述的位移信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路包括與所述的位于傳感器相連接的第二微分器、與所述 的第二微分器相連接的第二增益電路，所述的第二增益電路的輸出與所述的驅(qū)動(dòng)器相連 接。
[0007] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的超磁致 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了考慮多個(gè)環(huán)節(jié)復(fù)雜交互作用，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各部件動(dòng)力耦合模型進(jìn)行一體整合 銜接，使得理論模型的建立，與控制系統(tǒng)實(shí)際模型更為接近，可以進(jìn)一步提高整個(gè)超磁致驅(qū) 動(dòng)控制系統(tǒng)的精度，而控制精度的提高將會(huì)進(jìn)一步提高控制效果。在微驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中具 有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 附圖1為超磁致伸縮作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 附圖2為超磁致系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器的力電磁模型流程圖。
[0010] 附圖3為考慮被控結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)器之間的相互影響的超磁致系統(tǒng)的模型流程圖。
[0011] 附圖4為本發(fā)明的超磁致系統(tǒng)的模型圖。
[0012] 以上附圖中：1、外殼；2、超磁致伸縮棒；3、導(dǎo)桿；4、預(yù)緊螺栓；5、碟簧；6、墊片；7、 冷卻通道；8、外殼側(cè)壁；9、上端蓋；10、下端蓋；11、線圈。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0014] 實(shí)施例一：結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中采用的超磁致系統(tǒng)通常包括超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和被控結(jié) 構(gòu)兩部分。超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括控制器和驅(qū)動(dòng)器，其用于根據(jù)控制器發(fā)出的指令對(duì)震動(dòng)的 結(jié)構(gòu)（也就是被控結(jié)構(gòu)）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)器為超磁致伸縮作動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)示意如附圖1 所示。該超磁致伸縮作動(dòng)器包括外殼1、設(shè)置于外殼1中的線圈11、設(shè)置于線圈11間的超 磁致伸縮棒2、與超磁致伸縮棒2相連接并伸出外殼1的導(dǎo)桿3。外殼1又由外殼側(cè)壁8和 其兩端的上端蓋9、下端蓋10構(gòu)成。導(dǎo)桿3通過(guò)預(yù)緊螺栓4與外殼1相連接，且在預(yù)緊螺栓 4的底部的導(dǎo)桿3處安裝有碟簧5。超磁致伸縮棒2與外殼1間設(shè)置有墊片6。外殼1以及 其中形成有冷卻通道7。控制器發(fā)出控制電壓信號(hào)作為指令并輸出給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器則在控 制電壓信號(hào)的控制下驅(qū)動(dòng)被控結(jié)構(gòu)，使其震動(dòng)減輕或減少。驅(qū)動(dòng)器的力電磁模型基于附圖1 所示的超磁致伸縮作動(dòng)器建立，如附圖2所示，其中，?/為控制電壓信號(hào)，7?為線圈電阻，i為 輸入線圈的電流(單位為A)，#為線圈的總匝數(shù)，為磁動(dòng)勢(shì)(單位為A)，兄為線圈的磁路 磁阻(單位為Γ 1)，心為磁與力轉(zhuǎn)換增益，Φ為線圈的磁通量(單位為Vs)，該磁通量忽略渦 流效應(yīng)對(duì)磁動(dòng)勢(shì)的影響，為驅(qū)動(dòng)器輸出的作用力。驅(qū)動(dòng)器輸入由控制器輸出的控制電壓信 號(hào)并通過(guò)線圈電阻將其轉(zhuǎn)變得到電流信號(hào)，在線圈的作用下產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的作用下， 超磁致伸縮棒2通過(guò)伸長(zhǎng)或者縮短而產(chǎn)生作用力。通過(guò)線圈對(duì)超磁致伸縮棒2施加磁場(chǎng)， 無(wú)論磁場(chǎng)正負(fù)，超磁致伸縮棒2都將從原始位置伸長(zhǎng)，如果不對(duì)超磁致伸縮棒2施加一個(gè)初 始的偏置磁場(chǎng)，該超磁致伸縮棒2將出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象。常用的施加偏置磁場(chǎng)的方法有三種：結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置永磁鐵、偏置線圈，或施加偏置電流。設(shè)置永磁鐵和偏置線圈不便于調(diào)節(jié)且使 得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通入偏置電流可以達(dá)到同樣的施加初始的偏置磁場(chǎng)的效果，并且構(gòu)造簡(jiǎn)單，便 于調(diào)節(jié)。因此驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不再設(shè)置永磁鐵和偏置線圈。
[0015] 超磁致伸縮作動(dòng)器與結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力耦合設(shè)計(jì)，需考慮超磁致伸縮作動(dòng)器內(nèi)部的 力電磁模型與結(jié)構(gòu)動(dòng)力之間的相互影響及其耦合模型而建立，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的力電磁模型應(yīng) 與驅(qū)動(dòng)器型號(hào)匹配，驅(qū)動(dòng)器的磁滯已由該型號(hào)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償，在這里不再考慮， 僅考慮該驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)對(duì)被控結(jié)構(gòu)的作用影響以及被控結(jié)構(gòu)反過(guò)來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出端 的作用，進(jìn)而影響其內(nèi)部的力電磁來(lái)建立整體閉環(huán)耦合模型。所建立的系統(tǒng)模型如附圖3 所示。
[0016] 附圖3中所示的超磁致系統(tǒng)，其包括超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和被控結(jié)構(gòu)，超磁致驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)又包括控制器和驅(qū)動(dòng)器。在此基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)傳感器，分別為：檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的輸出力并 轉(zhuǎn)換為力傳感信號(hào)并輸出的力傳感器、檢測(cè)檢測(cè)被控結(jié)構(gòu)在超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生 的位移并轉(zhuǎn)換為位移傳感信號(hào)輸出的位移傳感器。力傳感器所所輸出的力傳感信號(hào)和位移 傳感器所輸出的位移傳感信號(hào)均反饋給驅(qū)動(dòng)器，以此來(lái)使得驅(qū)動(dòng)器所輸出的作用力綜合考 慮了被控結(jié)構(gòu)與其之間的相互影響，以達(dá)到提高控制精度的目的。具體的，力傳感器的輸出 經(jīng)過(guò)第一增益電路的增益后轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)而反饋?zhàn)饔糜隍?qū)動(dòng)器。位移傳感器的輸 出經(jīng)過(guò)第二增益電路的增以后轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)而反饋?zhàn)饔糜隍?qū)動(dòng)器。
[0017] 附圖3中，U為控制器輸出的控制電壓信號(hào)，z為被控結(jié)構(gòu)在作用力F的作用下產(chǎn) 生的位移，《為第一微分器，為第二微分器，A為第一增益電路的增益系數(shù)，（為第二增 益電路的增益系數(shù)，以上第一增益電路的增益系數(shù)心、第二增益電路的增益系數(shù)A可以根 據(jù)所需設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法獲得。
[0018] 然而，控制器所輸出的控制信號(hào)作用于驅(qū)動(dòng)器上時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏差，且外部的干擾會(huì) 通過(guò)外部結(jié)構(gòu)而作用于被控結(jié)構(gòu)。為了克服該偏差，進(jìn)一步對(duì)上述超磁致系統(tǒng)做出改進(jìn)。改 進(jìn)后的超磁致系統(tǒng)如附圖4所示，其不僅包括由控制器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 被控結(jié)構(gòu)、力傳感器和位移傳感器，其還包括對(duì)控制器所輸出的控制信號(hào)在加載時(shí)出現(xiàn)的 偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器，補(bǔ)償器的輸入與控制器的輸出相連接，補(bǔ)償器的輸出與驅(qū)動(dòng)器相 連接，且位移傳感信號(hào)反饋也連接至補(bǔ)償器?？刂破靼l(fā)出控制電壓信號(hào)后，通過(guò)該補(bǔ)償器來(lái) 實(shí)時(shí)地修正控制電壓信號(hào)值，對(duì)控制電壓信號(hào)由于驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力影響所導(dǎo)致的在其加載是 出現(xiàn)的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。另外，力傳感器的輸出經(jīng)過(guò)力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路反饋連接至驅(qū)動(dòng)器。 力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路上設(shè)置有與力傳感器相連接的第一微分器、與第一微分器相連接的第 一增益電路，第一增益電路的輸出連接至驅(qū)動(dòng)器。在該力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路中，作用于被控 結(jié)構(gòu)上的作用力經(jīng)過(guò)微分以及增益轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)而反饋?zhàn)饔糜隍?qū)動(dòng)器。位移傳感 器的輸出分別反饋至控制器和經(jīng)過(guò)位移信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路反饋連接至驅(qū)動(dòng)器。位移信號(hào)微 分轉(zhuǎn)化回路上設(shè)置有與位移傳感器相連接的第二微分器、與第二微分器相連接的第二增益 電路，第二增益電路的輸出連接至驅(qū)動(dòng)器。在該位移信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路中，被控結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的 位移經(jīng)過(guò)微分以及增益轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)而反饋?zhàn)饔糜隍?qū)動(dòng)器。
[0019] 附圖4中，《為力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路上設(shè)置的第一微分器，&為位移信號(hào)微分轉(zhuǎn)化 回路上設(shè)置的第二微分器。
[0020] 附圖4中所示的超磁致系統(tǒng)，被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào)(包括力傳感信號(hào)和位移傳感 信號(hào)）反饋給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器，控制器根據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)考慮 驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力的補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)目刂菩盘?hào)再輸出給驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)器的控制信 號(hào)，同時(shí)被控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào)也經(jīng)過(guò)傳感器返回驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整體控制。整體控制環(huán)節(jié)考慮 了各部件之間的復(fù)雜交互作用，實(shí)現(xiàn)了一體化整合銜接，從而提高整個(gè)超磁致驅(qū)動(dòng)控制系 統(tǒng)的精度。
[0021] 上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)，包括超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和與所述的超磁致驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)相連接并在其驅(qū)動(dòng)下動(dòng)作的被控結(jié)構(gòu)，所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)出控制信號(hào)的控制器和在 所述的控制信號(hào)的控制下驅(qū)動(dòng)所述的被控結(jié)構(gòu)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于：所述的超磁致 系統(tǒng)還包括檢測(cè)所述的驅(qū)動(dòng)器的輸出力并轉(zhuǎn)換為力傳感信號(hào)的力傳感器、檢測(cè)所述的被控 結(jié)構(gòu)在所述的超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的位移并轉(zhuǎn)換為位移傳感信號(hào)的位移傳感器， 所述的力傳感器的輸出經(jīng)過(guò)力信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路反饋連接至所述的驅(qū)動(dòng)器，所述的位移傳 感器的輸出分別反饋至所述的控制器和經(jīng)過(guò)位移信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路反饋連接至所述的驅(qū) 動(dòng)器，所述的超磁致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括對(duì)所述的控制器所輸出的控制信號(hào)在加載時(shí)出現(xiàn)的偏 差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器，所述的補(bǔ)償器的輸入與所述的控制器相連接，所述的補(bǔ)償器的輸出 與所述的驅(qū)動(dòng)器相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)，其特征在于：所述的位移傳 感信號(hào)反饋連接至所述的補(bǔ)償器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制中的超磁致系統(tǒng)，其特征在于：所述的力 信號(hào)微分轉(zhuǎn)化回路包括與所述的力傳感器相連接的第一微分器、與所述的第一微分器相連 接的第一增益電路，所述的第一增益電路的輸出與所述的驅(qū)動(dòng)器相連接；所述的位移信號(hào) 微分轉(zhuǎn)化回路包括與所述的位于傳感器相連接的第二微分器、與所述的第二微分器相連接 的第二增益電路，所述的第二增益電路的輸出與所述的驅(qū)動(dòng)器相連接。
【文檔編號(hào)】H02N2/06GK104092404SQ201410334679
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】劉潔, 劉紅軍, 董曉馬, 劉洪波, 賈燕, 潘春風(fēng) 申請(qǐng)人:鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院