CN1952430A - 磁流变弹性体主动吸振系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减振装置，特别涉及主动式吸振器及控制方法。所述吸振系统中的吸振器由主动力元件、吸振块、变刚度元件、隔磁块以及“U”形支架构成；其主动力元件由永久磁铁和柱状电磁铁构成，该柱状铁芯固连在支架的内底面上，永久磁铁通过隔磁块与吸振块固连；其变刚度元件由“U”形电磁铁及磁流变弹性体构成，“U”形铁芯开口向下，它的两个内侧面上分别固连有磁流变弹性体，吸振块置于两片中间，“U”形铁芯下端与“U”形支架上端面固连，构成容纳主动力元件、吸振块及磁流变弹性体、隔磁块的内空间。其控制方法为根据被减振对象振动的频率、幅值和相位信息分别对变刚度元件和主动力元件进行控制。本发明属于半主动和主动式联合控制，具有低能耗、减振频带宽等优点。

Description

磁流变弹性体主动吸振系统及控制方法

技术领域

本发明涉及应用于机械设备上的减振装置及控制方法，特别涉及主动式吸振器及控制方法。

背景技术

吸振系统对各类机械设备、电器设备有十分的重要性。根据不同的动力来源，吸振系统可分为被动式和主动式两种。传统的吸振器通常是被动式，它不需要消耗外在能量，结构简单，能对固定的激振频率振动起到很好的减振效果，因而被广泛应用在许多由于机械的旋转部分质量偏心引起的强迫振动的减振方面。但这种被动吸振器存在两大缺陷，第一，不适用于频率变化较大的场合；第二，调谐速度慢，相位不能准确匹配，使得减振效果不理想。

近年来，随着人们对车、船舶、飞机等交通工具的安全性和舒适性的要求的不断提高，出现了多种主动减振装置和控制方法。国防工业出版社1997年出版的顾仲权等编著的《振动主动控制》书中介绍了多种现有的主动式吸振器，包括频率可调式和非频率可调式吸振器。频率可调式又分为惯性可调式和刚度可调式，能够适用于频率变化的场合，但它属于调节吸振器的参数来达到跟踪频率，实际上是半主动控制，减振效果与被动式的大致相同，调谐速度慢，相位不能准确匹配，减振效果不理想。非频率可调式是在被动式吸振器的基础上添加作动器，主要是利用作动器的控制力作用于受控对象，达到控制受控对象的目的。其优点是直接产生与振源相反的作用力作用于减振对象，能快速准确地调谐，减振效果好。但由于其频率不可调，在吸振器固有频率附近，能实现利用较少的能量达到与被动式吸振器相比较好的减振效果，但是当振动频率稍微偏离吸振器固有频率时，获得同样的减振效果需要的能量急剧增加，因此能实际应用的频段仍然仅在吸振器的固有频率附近，所以减振频带较窄。

CN01272733.4专利中公开了一种属于非频率可调式的主动吸振器，它采用弹簧振子进行储能，其能耗低，减振效果明显，但由于其减振频率仍然不可调，与前面提到的非频率可调式吸振器一样，减振频带仍然较窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率可调式的磁流变弹性体主动吸振系统及控制方法，从而能在较宽的频率范围内和较大的频率变化速率下实现低能耗的减振。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明所述的磁流变弹性体主动吸振系统，包括吸振器和控制器，其中控制器包括加速度传感器、电荷放大器、功率放大器和控制主机；所述吸振器包括有主动力元件和吸振块，其特征在于，所述吸振器还包括有变刚度元件、隔磁块以及用于支承的“U”形支架；所述主动力元件由柱状的永久磁铁和一绕有线圈的柱状铁芯(即柱状电磁铁)构成，该柱状铁芯固连在支架的内底面上，永久磁铁通过隔磁块与吸振块固连，永久磁铁的下端面与柱状铁芯的上端面平行，两者之间的距离大于被减振对象的上下振幅；所述变刚度元件由“U”形电磁铁及磁流变弹性体构成，“U”形铁芯开口向下，线圈绕于其顶部，“U”形铁芯的两个内侧面上分别固连有一片状的磁流变弹性体，吸振块置于两片中间，并固连成整体，“U”形铁芯下端与“U”形支架上端面固连，构成容纳主动力元件、吸振块及磁流变弹性体、隔磁块的内空间。

在上述吸振系统中，所述吸振块的质量、磁流变弹性体的尺寸根据下式确定：

$f$ $=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}},k=\mathrm{GA}/t$

其中f为吸振器无磁场下的固有频率，m为吸振块的质量，k为磁流变弹性体无磁场下的等效刚度，A，t，G分别为磁流变弹性体的截面积、厚度、剪切模量。

在上述吸振系统中，所述永久磁铁也能够由另一柱状电磁铁代替。所述“U”形支架和隔磁块由非导磁材料构成。所述铁芯和吸振块均采用软铁磁性材料。

实际使用中，一般选择吸振块的质量为被减振对象质量的5％～40％。按照以上公式，改变磁流变弹性体的尺寸就可以调节吸振器在无磁场下的固有频率，使吸振器在无磁场下的固有频率比需要被减振对象的振动频率低约20％～50％。

本发明的控制方法，包括在吸振器安装前测出吸振器固有频率与励磁电流间的关系曲线并选择合适的控制律，其特征在于，(1)使用加速度传感器测量被减振对象的振动信号，信号经过电荷放大器放大后送入控制主机，对输入振动信号进行计算分析，获得被减振对象振动的频率、幅值和相位信息，(2)分别对变刚度元件和主动力元件进行控制：a)根据吸振器安装前测得的吸振器固有频率与励磁电流间的关系，通过功率放大器调节“U”形电磁铁上线圈的励磁电流，以调节变刚度元件的刚度，从而调整吸振器的固有频率，使其与被减振对象的振动频率相同；b)根据被减振对象的频率、幅值和相位信息，结合预先设定的主动力控制律，采用自寻优算法计算出控制律中的控制参数，使得在这样的控制参数下被减振对象的振动幅值最小，将该控制参数代入控制律给出主动力的控制信号，通过功率放大器调节主动力元件中柱状电磁铁线圈的励磁电流，使柱状电磁铁与永久磁铁间产生的主动力作用于被减振对象，然后使用传感器测量被减振对象的振动信号，信号经过放大器放大后送入控制主机，构成闭环控制。

本发明使用智能材料磁流变弹性体作为动力吸振器的变刚度弹性元件，并采用电磁铁提供主动力，根据被减振对象的主振动频率和振动状态，按照设定的控制方法，改变磁流变弹性体的刚度，同时调节控制力的幅值和相位，快速准确地进行相位匹配，从而能在较宽的频率范围内和较大的频率变化速率下实现最佳吸振的低能耗的减振目的。

本发明所述的磁流变弹性体主动吸振系统，属于半主动和主动式联合控制，与现有的各类吸振系统相比，具有以下显著优点：

1.与频率调谐式吸振器相比，具有响应快，减振效果好的优点。因为本发明能根据被减振对象的振动状态，直接产生主动力作用于被减振对象，大大降低吸振块的运动阻尼，能快速准确的实现相位匹配，适用于频率变化较快的场合；

2.与已有的主动力吸振器相比，具有低能耗、减振频带宽的优点。本发明通过调节变刚度元件的刚度能在较宽的频带内实现频率调谐，因而吸振器在较宽的频带内均能实现很好的储能效果，主动力元件在较宽的频带内耗能少，另外弹性力、阻尼力和主动力同时作用于被减振对象，主动力提供的能量利用率高；

3.由于弹性力、阻尼力和主动力同时作用于被减振对象而且频率可调，使用较小的吸振质量和较小的振幅也能达到需要的减振带宽，所以吸振器的质量和体积较小；

4.结构简单，而且在使用过程中即使主动力元件发生故障，吸振器仍然相当于频率调谐式半主动吸振器，因此系统可靠性高。

下面通过实施例及其附图做进一步描述。

附图说明

附图1为本发明的磁流变弹性体主动吸振器的结构示意图。

附图2为本发明的控制原理示意图。

图2中：m₀、K₀、C₀是被减振对象的质量、刚度和阻尼；m₀上受激振力Psinωt作用，ω为激振力的频率，也即被减振对象的振动频率，x₀是被减振对象的位移；m、k、c是吸振器的吸振质量、等效刚度和阻尼，后两者代表了磁流变弹性体的特性；F是主动力元件提供的主动力。

具体实施方式

参见图1，1为吸振块，片状的磁流变弹性体2分设在吸振块的左右两侧面，并粘接成一体，“U”形电磁铁3开口向下，与外部电源接通的线圈4A绕在其顶部，片状的磁流变弹性体2的另一表面分别粘接在“U”形铁芯的内侧面上。在吸振块的下端面以螺钉连接方式固连有黄铜材料的隔磁块5，永久磁铁6固定连接在隔磁块5的下端面上。7是四方体的电磁铁，它固定在“U”形支架8的内底面上，其线圈4B与外部电源接通。

“U”形铁芯的两个侧壁的下端通过磁流变弹性体2、吸振块1，构成闭合的磁回路，当改变该回路中励磁电流的大小，可调节变刚度元件的刚度，从而改变吸振器的固有频率。吸振块通过隔磁块与永久磁铁相连组成吸振器的动质量即吸振质量，设置隔磁块的目的是避免永久磁铁影响通过磁流变弹性体的磁路。柱状电磁铁和永久磁铁构成吸振器的主动力元件。实际使用中也可以使用由另一副柱状铁芯及线圈代替永久磁铁，即由两副柱状铁芯及线圈构成吸振器的主动力元件。

在上述吸振系统中，所述吸振质量、磁流变弹性体的尺寸根据下式确定：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}},k=\mathrm{GA}/t$

其中f为吸振器无磁场下的固有频率，m为吸振质量，k为磁流变弹性体无磁场下的等效刚度，A，t，G分别为磁流变弹性体的截面积、厚度、剪切模量。选择的吸振质量一般为被减振对象质量的5％～40％。按照上面的公式，改变磁流变弹性体的尺寸就可以调节吸振器在无磁场下的固有频率，使吸振器在无磁场下的固有频率比需要减振的频率低约20％～50％。例如，被减振对象质量m₀＝25Kg，被减振对象的振动频率为60Hz，根据前面所述规则可选择吸振块的质量m＝2.5Kg，选择吸振器无磁场下的固有频率f＝40Hz，已知磁流变弹性体的剪切模量G＝4×10⁵Pa，选取磁流变弹性体厚度t＝5mm，则根据上式计算得出磁流变弹性体的面积A＝0.002m²。

本发明的控制方法，在吸振器安装前测出吸振器固有频率与励磁电流间的关系曲线以及选择合适的控制律，这两项操作均为现有技术。此后的具体控制过程分为对变刚度元件和主动力元件的控制两部分。参见图2，虚线框9内为整个吸振器，它由螺钉通过支架底部的螺孔固定到被减振对象10上，11为设置在被减振对象上的加速度传感器，用以测量被减振对象10的振动信号；该信号经过电荷放大器12放大后送入控制主机13，采用快速傅立叶变换FFT算法对输入振动信号进行计算分析，从而获得被减振对象振动的频率、幅值和相位信息。控制主机13比较被减振对象10的振动频率和吸振器9的固有频率是否相同，如果两者相同则保持现状不变，如果两者不同，控制主机13将根据预存在控制主机中的吸振器9固有频率与励磁电流间的关系，计算得到变主动元件的控制信号，该信号经过功率放大器14放大后，输出到“U”电磁铁的线圈4A电流的控制中，来调节变刚度元件中线圈4A的励磁电流，使吸振器9的固有频率和被减振对象的振动频率相同。

另一方面，控制主机13还将根据被减振对象10的频率、幅值和相位信息，结合预先设定的主动力控制律，采用自寻优算法计算出控制律中的控制参数，使得在这样的控制参数下被减振对象的振动幅值最小，然后将控制参数代入控制律给出主动力的控制信号，通过功率放大器14调节主动力元件柱状电磁铁7中线圈4B的励磁电流，使柱状电磁铁7与永久磁铁6间产生的主动力作用于被减振对象10，使用加速度传感器11测量被减振对象10的振动信号，信号经过电荷放大器12放大后送入控制主机13，构成闭环控制，使主动力的频率、幅值和相位实现快速准确的相位匹配，达到最佳的动力吸振的目的。

下面给出主动力控制信号的具体计算过程：采用加速度反馈控制律

其中F主动力元件提供的主动力，x₀是被减振对象的位移，

是x₀对时间的二阶导数，K_g是控制参数。被减振对象的位移x₀的幅值为A_x0，在上述控制律下A_x0是控制参数K_g的函数，则A_x0=A_x0(K_g)。被减振对象的位移x₀及其幅值通过对测量被减振对象10的振动信号进行计算分析得出，如前所述。选取被减振对象的振动幅值最小化为控制目标，即 $\underset{K_g}{\mathrm{Min}}\left(A_{X_0}\left(K_g\right)\right),$ ，采用自寻优算法计算出控制律中的控制参数K_g，代入控制律即可给出主动力F的控制信号。

Claims (4)

1.磁流变弹性体主动吸振系统，包括吸振器和控制器，其中控制器包括加速度传感器、电荷放大器、功率放大器和控制主机；所述吸振器包括有主动力元件和吸振块，其特征在于，所述吸振器还包括有变刚度元件、隔磁块以及用于支承的“U”形支架；所述主动力元件由柱状的永久磁铁和一绕有线圈的柱状铁芯构成，该柱状铁芯固连在支架的内底面上，永久磁铁通过隔磁块与吸振块固连，永久磁铁的下端面与柱状铁芯的上端面平行，两者之间的距离大于被减振对象的上下振幅；所述变刚度元件由“U”形电磁铁及磁流变弹性体构成，“U”形铁芯开口向下，线圈绕于其顶部，“U”形铁芯的两个内侧面上分别固连有一片状的磁流变弹性体，吸振块置于两片中间，并固连成整体，“U”形铁芯下端与“U”形支架上端面固连，构成容纳主动力元件、吸振块及磁流变弹性体、隔磁块的内空间。

2.如权利要求1所述的磁流变弹性体主动吸振系统，其特征在于，所述吸振块的质量、磁流变弹性体的尺寸根据下式确定：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\underset{m}{\overset{k}{\‾}}},k=\mathrm{GA}/t,$

其中m为吸振块的质量，f为吸振器无磁场下的固有频率，k为磁流变弹性体无磁场下的等效刚度，A，t，G分别为磁流变弹性体的截面积、厚度、剪切模量。

3.如权利要求1所述的磁流变弹性体主动吸振系统，其特征在于，所述永久磁铁由另一柱状电磁铁代替。

4.一种磁流变弹性体主动吸振系统的控制方法，包括在吸振器安装前测出吸振器固有频率与励磁电流间的关系曲线并选择合适的控制律，其特征在于，(1)使用加速度传感器测量被减振对象的振动信号，信号经过电荷放大器放大后送入控制主机，对输入振动信号进行计算分析，获得被减振对象振动的频率、幅值和相位信息；(2)分别对变刚度元件和主动力元件进行控制：a)根据吸振器安装前测得的吸振器固有频率与励磁电流间的关系，通过功率放大器调节“U”形电磁铁上线圈的励磁电流，以调节变刚度元件的刚度，从而调整吸振器的固有频率，使其与被减振对象的振动频率相同；b)根据被减振对象的频率、幅值和相位信息，结合预先设定的主动力控制律，采用自寻优算法计算出控制律中的控制参数，使得在这样的控制参数下被减振对象的振动幅值最小，将控制参数代入控制律给出主动力的控制信号，通过功率放大器调节主动力元件中柱状电磁铁线圈的励磁电流，使柱状电磁铁与永久磁铁间产生的主动力作用于被减振对象；然后使用传感器测量被减振对象的振动信号，信号经过放大器放大后送入控制主机，构成闭环控制。

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