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共振式线谱惯性作动器、主动控制系统及控制方法

阅读:411发布:2020-05-08

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1.一种共振式线谱惯性作动器,其包括,
外壳,其配置成可直接固定于作动对象上,所述外壳包括壳体、上端盖和下端盖,线圈,其包括线圈骨架和线圈包,其中,所述线圈骨架固定在壳体内侧,线圈包固定于线圈骨架,
振子,其包括构成磁路的导磁板、提供磁动势的永磁体、导柱和调整振子的整体质量配重,导磁板包括上导磁板、中导磁板和下导磁板,永磁体包括上永磁体和下永磁体,带有配重块的导柱过盈配合将上导磁板、上永磁体、中导磁板、下永磁体和下导磁板依次连接以构成磁路和间隙,导磁板在气隙内形成稳定磁场
刚度可调弹簧系统,其包括上弹簧片和下弹簧片,上弹簧片和下弹簧片分别包括若干支点调节机构、移动支点和调整螺栓,其中移动支点支撑在线圈骨架与上端盖之间或线圈骨架与下端盖之间,调整螺栓穿过壳体并和移动支点的螺纹孔配合,通过旋转调整螺栓控制移动支点在弹簧片直径方向的位置以调整刚度,
谐波振荡器,其产生可控的周期性信号以驱动功率放大器,设在下端盖的所述谐波振荡器通过外输入以定输出的驱动信号的频率在振子的固有频率附近,
功率放大器,其导线连接所述线圈包,设在下端盖的功率放大器基于所述驱动信号进行信号放大进而驱动线圈包。
2.根据权利要求1所述的共振式线谱惯性作动器,其中,所述振子还包括用于削减共振峰的阻尼器,所述阻尼器连接所述导柱,线圈骨架为固定在壳体内侧的圆柱薄壳体,线圈包固定在线圈骨架圆筒外壁的凹槽内。
3.根据权利要求1所述的共振式线谱惯性作动器,其中,壳体为圆柱壳体,上端盖、下端盖为圆盘端盖,下端盖包括容纳谐波振荡器和功率放大器的下部镂空位置以及用于连接被控对象的基脚。
4.根据权利要求1所述的共振式线谱惯性作动器,其中,导磁板包括圆盘状的上导磁板、圆柱筒状的中导磁板和圆盘状的下导磁板,永磁体包括圆柱状的上永磁体和下永磁体。
5.根据权利要求1所述的共振式线谱惯性作动器,其中,上弹簧片和下弹簧片为对称的圆片状弹簧,每个移动支点分为A、B两块,分别开有螺纹孔,其中移动支点A块支撑在上下两个端盖上,移动支点B块支撑在上下两个线圈骨架上。
6.根据权利要求1所述的共振式线谱惯性作动器,其中,谐波振荡器包括频率接口、正弦分量接口、余弦分量接口、调试接口及内置电路,功率放大器为紧凑型的D类功放。
7.根据权利要求1所述的共振式线谱惯性作动器,其中,所述的共振式线谱惯性作动器输入电磁到输出的激励力的传递函数为:
其中,FT(s)为输出的激励力的拉氏变换,FM(s)输入的电磁力的拉氏变换,m、c、k分别为振子的等效质量、等效阻尼、刚度可调弹簧系统的等效刚度。
8.一种振动的主动控制系统,其包括,
如权利要求1-7中任一项所述的共振式线谱惯性作动器,其固定在被控对象上,控制器,连接共振式线谱惯性作动器的控制器包括,
传感器信号接口,其接收来自被控对象的转速信号和振动信号,
控制信号接口,其连接所述谐波振荡器以向其输出频率、正弦增益和余弦增益,控制器调试接口,其配置成调试参数,
控制单元,其基于所述转速信号和振动信号生成控制信号以向谐波振荡器输出频率、正弦增益和余弦增益。
9.一种利用权利要求8所述的振动的主动控制系统的控制方法,其步骤包括:
第一步骤中:直接安装共振式线谱惯性作动器于被控对象,将被控对象的振动信号和频率信号经由传感器信号接口接入控制器,控制器通过振动信号和频率信号解算出频率、正弦增益、余弦增益并通过控制信号接口接入谐波发生器,
第二步骤中:谐波发生器的信号通过功率放大器变成线圈的电流,通电线圈在振子的固定磁场内将电流功率变成激振力输出,激振力通过弹簧和阻尼器传递到作动器外壳,第三步骤中:激振力通过外壳传递到被控对象,与被控对象原有振动进行叠加相干相消,传感器采集叠加后的振动信号,反馈进入控制器,进入下一个循环。
10.根据权利要求9所述的控制方法,其中,第一步骤中:控制器通过振动信号和频率信号解算出频率、正弦增益、余弦增益包括以下步骤,振动从被控对象传递到振动传感器的路径称为初级通道,振动从作动器传递到振动传感器的路径称为次级通道,两股振动在振动传感器位置进行叠加形成误差信号e;振动传感器测量误差信号e和转速传感器测量被控对象频率信号f同时输入控制器,控制器通过频率信号f产生余弦和正弦两个分量并基于作动器和次级通道的相频特性对两个正弦分量的相位进行调节,将相位调节后的正弦分量、余弦分量混同误差信号e输入自适应算法模块,自适应算法模块计算出实时的增益系数,即其中wc(n+1)、ws(n+1)为下一时刻的余弦与正弦增益,wc(n)、ws(n)为当前的余弦与正弦增益,e(n)为当前的误差信号,xcf(n)、xsf(n)为当前的调相后的余弦与正弦分量,μ为参数。

说明书全文

共振式线谱惯性作动器、主动控制系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种振动与噪声控制领域,特别是一种共振式线谱惯性作动器、主动控制系统及控制方法,可用于航空、航天、船舶、车辆等领域的周期性激励的线谱振动主动控制系统中。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断发展,航空、航天、车辆、船舶等领域的机械设备设计精度大幅提高,使用的振动环境需求越来越严格,因此对设备振动控制效果要求也更高。传统的被动控制,由于其附加质量大,如今已经无法满足现有精密设备对振动控制效果的要求,而具有低频控制效果好、适应性强、附加质量小等优势的振动主动控制技术被广泛采用。然而从实际应用的度考虑,振动主动控制也有功率驱动设备庞大、耗能高、推质比(推与质量之比)小等缺点,制约了其发展与应用。
[0003] 振动主动控制的效果直接取决于执行器与算法。作动器是一种按照确定的控制律对控制对象施加控制力的执行器,是实施主动控制的关键部件。目前,应用于主动控制领域的作动器主要有压电陶瓷作动器、电致伸缩陶瓷作动器、磁致伸缩合金作动器、形状记忆合金作动器、液体作动器和气体作动器等,但这些作动器或是输出位移、力较小,或是响应慢,或是需要强磁场、强电场,且适用场合单一。而电磁作动器具有输出力大、响应快、灵敏度高、适用场合多样等优点,在主动控制领域得到较快的发展。惯性式电磁作动器是电磁作动器的一类,他利用振子惯性力实现力输出,不仅具有传统电磁作动器的优点,而且无需独立支撑,直接附加在受控对象上通过底壳激励提供作动力。惯性式电磁作动器这一特点,可以减少占用空间,使其在诸如汽车发动机减振、浮筏隔振等结构紧凑、安装空间有限的环境下具有比普通电磁作动器更广阔的应用前景。
[0004] 现有的惯性作动器主要是全频/宽频带设计的需求,例如专利文献201610793397.3公开一种低频补偿的惯性式作动器及其检测方法,主要目的是通过增加运动质量和设计频响函数反向低频补偿器来扩宽作动器的工作频带,实现宽频的设计。专利文献CN103791013公开一种集成式惯性电磁作动器,主要目的是接通电源就能即装即用,减少控制时安装调试时间。专利文献CN203124239U公开一种动磁式惯性式电动作动器,主要目的是在有限的尺寸下,既保证作动器的出力,又使作动器具有良好的疲劳特性,能够承受主动隔振长时间的运行要求。201711084681.4公开了一种串联扩展是惯性式作动器,该方案尽管可以实现大范围内调整作动力,但仍然属于宽频设计,针对具体线谱控制的能量依然较弱。
[0005] 在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解,因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的问题,特别是现有惯性式作动器推质比低,无法满足对能量集中的周期性振动(线谱振动)实现有效控制的缺陷,本发明提供一种共振式线谱惯性作动器、主动控制系统及控制方法。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
[0008] 本发明的一个方面,一种共振式线谱惯性作动器包括,
[0009] 外壳,其配置成可直接固定于作动对象上,所述外壳包括壳体、上端盖和下端盖,[0010] 线圈,其包括线圈骨架和线圈包,其中,所述线圈骨架固定在壳体内侧,线圈包固定于线圈骨架,
[0011] 振子,其包括构成磁路的导磁板、提供磁动势的永磁体、导柱和调整振子的整体质量的配重,导磁板包括上导磁板、中导磁板和下导磁板,永磁体包括上永磁体和下永磁体,带有配重块的导柱过盈配合将上导磁板、上永磁体、中导磁板、下永磁体和下导磁板依次连接以构成磁路和间隙,导磁板在气隙内形成稳定磁场,
[0012] 刚度可调弹簧系统,其包括上弹簧片和下弹簧片,上弹簧片和下弹簧片分别包括若干支点调节机构、移动支点和调整螺栓,其中移动支点支撑在线圈骨架与上端盖之间或线圈骨架与下端盖之间,调整螺栓穿过壳体并和移动支点的螺纹孔配合,通过旋转调整螺栓控制移动支点在弹簧片直径方向的位置以调整刚度,
[0013] 谐波振荡器,其产生可控的周期性信号以驱动功率放大器,设在下端盖的所述谐波振荡器通过外输入以定输出的驱动信号的频率在振子的固有频率附近,[0014] 功率放大器,其导线连接所述线圈包,设在下端盖的功率放大器基于所述驱动信号进行信号放大进而驱动线圈包。
[0015] 所述的共振式线谱惯性作动器中,所述振子还包括用于削减共振峰的阻尼器,所述阻尼器连接所述导柱,线圈骨架为固定在壳体内侧的圆柱薄壳体,线圈包固定在线圈骨架圆筒外壁的凹槽内。
[0016] 所述的共振式线谱惯性作动器中,壳体为圆柱壳体,上端盖、下端盖为圆盘端盖,下端盖包括容纳谐波振荡器和功率放大器的下部镂空位置以及用于连接被控对象的基脚。
[0017] 所述的共振式线谱惯性作动器中,导磁板包括圆盘状的上导磁板、圆柱筒状的中导磁板和圆盘状的下导磁板,永磁体包括圆柱状的上永磁体和下永磁体。
[0018] 所述的共振式线谱惯性作动器中,上弹簧片和下弹簧片为对称的圆片状弹簧,每个移动支点分为A、B两块,分别开有螺纹孔,其中移动支点A块支撑在上下两个端盖上,移动支点B块支撑在上下两个线圈骨架上。
[0019] 所述的共振式线谱惯性作动器中,谐波振荡器包括频率接口、正弦分量接口、余弦分量接口、调试接口及内置电路,功率放大器为紧凑型的D类功放。
[0020] 所述的共振式线谱惯性作动器中,所述的共振式线谱惯性作动器输入电磁力到输出的激励力的传递函数为:
[0021]
[0022] 其中,FT(s)为输出的激励力的拉氏变换,FM(s)输入的电磁力的拉氏变换,m、c、k分别为振子的等效质量、等效阻尼、刚度可调弹簧系统的等效刚度。
[0023] 本发明的另一方面,一种振动的主动控制系统包括,
[0024] 所述的共振式线谱惯性作动器,其固定在被控对象上,
[0025] 控制器,连接共振式线谱惯性作动器的控制器包括,
[0026] 传感器信号接口,其接收来自被控对象的转速信号和振动信号,
[0027] 控制信号接口,其连接所述谐波振荡器以向其输出频率、正弦增益和余弦增益,[0028] 调试接口,其配置成调试参数,
[0029] 控制单元,其基于所述转速信号和振动信号生成控制信号以向谐波振荡器输出频率、正弦增益和余弦增益。
[0030] 本发明的又一方面,一种利用所述的振动的主动控制系统的控制方法步骤包括:
[0031] 第一步骤中:直接安装共振式线谱惯性作动器于被控对象,将被控对象的振动信号和频率信号经由传感器信号接口接入控制器,控制器通过振动信号和频率信号解算出频率、正弦增益、余弦增益并通过控制信号接口接入谐波发生器,
[0032] 第二步骤中:谐波发生器的信号通过功率放大器变成线圈的电流,通电线圈在振子的固定磁场内将电流功率变成激振力输出,激振力通过弹簧和阻尼器传递到作动器外壳,
[0033] 第三步骤中:激振力通过外壳传递到被控对象,与被控对象原有振动进行叠加相干相消,传感器采集叠加后的振动信号,反馈进入控制器,进入下一个循环。
[0034] 所述的控制方法中,第一步骤中:控制器通过振动信号和频率信号解算出频率、正弦增益、余弦增益包括以下步骤,振动从被控对象传递到振动传感器的路径称为初级通道,振动从作动器传递到振动传感器的路径称为次级通道,两股振动在振动传感器位置进行叠加形成误差信号e;振动传感器测量误差信号e和转速传感器测量被控对象频率信号f同时输入控制器,控制器通过频率信号f产生余弦和正弦两个分量并基于作动器和次级通道的相频特性对两个正弦分量的相位进行调节,将相位调节后的正弦分量、余弦分量混同误差信号e输入自适应算法模块,自适应算法模块计算出实时的增益系数,即
[0035] wc(n+1)=wc(n)+μxcf(n)e(n)
[0036] ws(n+1)=ws(n)+μxsf(n)e(n),
[0037] 其中wc(n+1)、ws(n+1)为下一时刻的余弦与正弦增益,wc(n)、ws(n)为当前的余弦与正弦增益,e(n)为当前的误差信号,xcf(n)、xsf(n)为当前的调相后的余弦与正弦分量,μ为参数。
[0038] 本发明的惯性共振式线谱作动器利用谐波振荡器将输出的振动锁定在惯性振子的共振区域,以较小的周期性驱动力获得较大的周期性力输出,实现线谱振动的控制。
[0039] 上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白,达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度,并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。附图说明
[0040] 通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述,本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。显而易见地,下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中,用相同的附图标记表示相同的部件。
[0041] 在附图中:
[0042] 图1是根据本发明一个实施例的共振式线谱惯性作动器的结构示意图;
[0043] 图2是根据本发明一个实施例的共振式线谱惯性作动器的工作频响曲线示意图;
[0044] 图3是根据本发明一个实施例的振动的主动控制系统的结构示意图;
[0045] 图4是根据本发明一个实施例的控制方法的步骤示意图;
[0046] 图5是根据本发明一个实施例的惯性共振式线谱作动器控制方法的示意图。
[0047] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

[0048] 下面将参照附图1至图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0049] 需要说明的是,在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解,技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式,然所述描述乃以说明书的一般原则为目的,并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0050] 为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明,且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0051] 为了更好地理解,图1是根据本发明一个实施例的共振式线谱惯性作动器的结构示意图,如图1所示,针对现有技术中存在的问题,特别是现有惯性式作动器推质比低,无法满足对能量集中的周期性振动(线谱振动)实现有效控制的缺陷,本发明提供一种惯共振式线谱惯性作动器包括,
[0052] 外壳,其配置成可直接固定于作动对象上,所述外壳包括壳体9、上端盖1和下端盖14,
[0053] 线圈,其包括线圈骨架7和线圈包8,其中,所述线圈骨架7固定在壳体9内侧,线圈包8固定于线圈骨架7,
[0054] 振子,其包括构成磁路的导磁板10、提供磁动势的永磁体、导柱4和调整振子的整体质量的配重块3,导磁板10包括上导磁板、中导磁板和下导磁板,永磁体11包括上永磁体和下永磁体,带有配重块3的导柱4过盈配合将上导磁板、上永磁体、中导磁板、下永磁体和下导磁板依次连接以构成磁路和间隙,导磁板在气隙内形成稳定磁场,
[0055] 刚度可调弹簧系统,其包括上弹簧片2和下弹簧片12,上弹簧片2和下弹簧片12分别包括若干支点调节机构、移动支点5和调整螺栓6,其中移动支点5支撑在线圈骨架7与上端盖1之间或线圈骨架7与下端盖14之间,调整螺栓6穿过壳体9并和移动支点5的螺纹孔配合,通过旋转调整螺栓6控制移动支点5在弹簧片直径方向的位置以调整刚度,[0056] 谐波振荡器15,其产生可控的周期性信号以驱动功率放大器20,设在下端盖14的所述谐波振荡器15通过外输入以锁定输出的驱动信号的频率在振子的固有频率附近,[0057] 功率放大器20,其导线连接所述线圈包8,设在下端盖14的功率放大器20基于所述驱动信号进行信号放大进而驱动线圈包8。
[0058] 本发明的惯性共振式线谱作动器利用谐波振荡器将输出的振动锁定在惯性振子的共振区域,以较小的周期性驱动力获得较大的周期性力输出,实现线谱振动的控制。
[0059] 本发明包含外壳、线圈、振子、刚度可调弹簧系统、阻尼器、谐波振荡器、功率放大器,其中,谐波振荡器通过外部的频率、正弦增益、余弦增益的输入,可以锁定输出信号的频率在惯性振子的固有频率附近,功率放大器可以通过线圈驱动振子实现振动输出,刚度可调弹簧系统可以小幅调系统的固有频率,以匹配被控对象的特征频率,阻尼器可以削减共振峰,改善系统的可控性。本发明通过外部控制器输入的正弦增益和余弦增益两个参量进行系统的幅值和相位的调整,实现线谱振源振动的对消。本发明属于集成式系统,一次安装,无需额外支撑,仅需要接入电源与控制信号,即可实现控制。
[0060] 本发明的线圈包含线圈骨架与线圈包,振子包含永磁体、导磁体、导杆、配重块。振子通过刚度可调弹簧、阻尼器与外壳即定子连接,当接入电源后,线圈内会通入交变电流,在磁场中受到电磁力的作用,作用力使部分结构作往复运动。同时,运动部件产生反作用力,通过底壳激励受控对象,提供作动力。
[0061] 所述的共振式线谱惯性作动器的一个实施例中,所述振子还包括用于削减共振峰的阻尼器13,所述阻尼器13连接所述导柱4,线圈骨架7为固定在壳体9内侧的圆柱薄壳体9,线圈包8固定在线圈骨架7圆筒外壁的凹槽内。
[0062] 所述的共振式线谱惯性作动器的一个实施例中,壳体9为圆柱壳体9,上端盖1、下端盖14为圆盘端盖,下端盖14包括容纳谐波振荡器15和功率放大器20的下部镂空位置以及用于连接被控对象的基脚。
[0063] 所述的共振式线谱惯性作动器的一个实施例中,导磁板10包括圆盘状的上导磁板、圆柱筒状的中导磁板和圆盘状的下导磁板,永磁体11包括圆柱状的上永磁体和下永磁体。
[0064] 所述的共振式线谱惯性作动器的一个实施例中,上弹簧片2和下弹簧片12为对称的圆片状弹簧,每个移动支点5分为A、B两块,分别开有螺纹孔,其中移动支点5A块支撑在上下两个端盖上,移动支点5B块支撑在上下两个线圈骨架7上。
[0065] 所述的共振式线谱惯性作动器的一个实施例中,谐波振荡器15包括频率接口16、正弦分量接口17、余弦分量接口18、调试接口19及内置电路,功率放大器20为紧凑型的D类功放,包含一个外部电源接口21。
[0066] 所述的共振式线谱惯性作动器的一个实施例中,所述的共振式线谱惯性作动器输入电磁力到输出的激励力的传递函数为:
[0067]
[0068] 其中,FT(s)为输出的激励力的拉氏变换,FM(s)输入的电磁力的拉氏变换,m、c、k分别为振子的等效质量、等效阻尼、刚度可调弹簧系统的等效刚度。
[0069] 为了进一步理解本发明,在一个实施例中,一种惯性共振式线谱作动器的结构示意图包括外壳、线圈、振子、刚度可调弹簧系统、阻尼器13、谐波振荡器15、功率放大器20等部件组成,其中:
[0070] 外壳包括壳体9、上端盖1和下端盖14。壳体9为圆柱壳体,上端盖1、下端盖14为圆盘端盖,它们组成的外壳用于容纳作动器的内部部件,并作为结构支撑。其中下端盖14下部镂空位置用于安放谐波振荡器15和功率放大器20、下端盖14基脚部分用于和被控对象连接。
[0071] 线圈包括线圈骨架7和线圈包8。线圈骨架7为圆柱薄壳体,固定在壳体9内侧,线圈包8固定在线圈骨架7圆筒外壁的凹槽内,线圈包8的导线和功率放大器20连接。
[0072] 振子包括导磁板10、永磁体11、导柱4和配重块3。导磁板10包括上、中、下三部分,上、下导磁板为圆盘状,中导磁板为圆柱筒状,导磁板由于构成磁路,并在气隙内形成稳定磁场。永磁体11分为上、下两部分,均为圆柱状,永磁体为磁路提供磁动势。导柱4为长柱状,分别通过过盈配合将导磁板10各部分和永磁体11各部分连成一体,配置块3置于导柱4上部,用于调整振子的整体质量配置,以适应被控对象的特征频率。
[0073] 刚度可调弹簧系统的包括对称两个圆片状弹簧,上弹簧片2、下弹簧片12,每个片状弹簧包含若干支点调节机构,移动支点5、调整螺栓6。每个移动支点5分为A、B两块,分别开有螺纹孔,其中移动支点A块支撑在上下两个端盖上,移动支点B块支撑在上下两个线圈骨架上。调整螺栓6穿过壳体9并和移动支点5的螺纹孔配合,通过旋转调整螺栓6,可以控制移动支点5在弹簧片直径方向的位置。刚度可调弹簧系统用于调整作动器的刚度,以适应被控对象的特征频率。
[0074] 功率放大器20为紧凑型的D类功放,接受谐波振荡器15的驱动信号,并通过外部电源接口21输入的功率进行信号放大,进而驱动线圈包8。
[0075] 谐波振荡器16是谐波产生装置,他通过内置电路产生可控的周期性信号,用于驱动功率放大器20。它包含有频率接口16、正弦分量接口17、余弦分量接口18、调试接口19及内置电路。
[0076] 在一个实施例中,如图2所示,是本发明的惯性共振式线谱作动器的工作频响特性曲线。惯性式作动器通过惯性力施加激励,输入电磁力到输出的激励力的传递函数可以表示为:
[0077]
[0078] 其中,FT(s)为输出的激励力的拉氏变换,FM(s)输入的电磁力的拉氏变换,m、c、k分别为振子的等效质量、等效阻尼、弹簧片的等效刚度。由图2上图可以看出,惯性式作动器在高于固有频率处,力传递率约等于1,即输出激励力等于电磁力;在固有频率附近的频带,力传递率大于1,通过调整阻尼,输出激励力甚至可以达到数倍电磁力。则同等激励力输出,在固有频率附近的工作可以减小数倍的功率输入。由图2下图可以看出,尽管固有频率附近的工作频带可以提高力传递率,但由于相位变化剧烈,且有一次反相,系统不容易稳定,给控制带来了困难。本装置通过谐波振荡器,将作动器锁定为线谱激励,即每一个特定的工作时刻,只有一个特定的相位和幅值,因此只要精确识别这个特定的相位,就可以保证系统的稳定性,并通过自适应算法调整输出的幅值。
[0079] 本发明的另一方面,一种振动的主动控制系统包括,
[0080] 所述的共振式线谱惯性作动器,其固定在被控对象上,
[0081] 控制器22,连接共振式线谱惯性作动器的控制器22包括,
[0082] 传感器信号接口24,其接收来自被控对象的转速信号和振动信号,[0083] 控制信号接口23,其连接所述谐波振荡器15以向其输出频率、正弦增益和余弦增益,
[0084] 控制器调试接口25,用于配置控制器参数,
[0085] 控制单元,其基于所述转速信号和振动信号生成控制信号以向谐波振荡器15输出频率、正弦增益和余弦增益。
[0086] 在一个实施例中,如图3所示,图3是本发明的惯性共振式线谱作动器及其控制方法的一种应用场景。针对具有旋转类机械的振动主动控制应用场景,将一个或多个本发明装置固定在旋转机械的共同基础上,并将振动信号传感器布置在需要控制或监测的位置。将旋转机械的转速信号域振动传感器信号同时接入控制器的传感器接口,将控制器的控制信号接口,分别接入作动器谐波振荡器的余弦增益、正弦增益和频率接口,将电源接入功率放大器电源接口,将调试电脑接入控制器的调试接口,通过调试电脑下载相位识别与自适应调幅控制算法进入控制器,断开调试电脑,系统开始运行。
[0087] 图4是根据本发明一个实施例的控制方法的步骤示意图,一种利用所述的振动的主动控制系统的控制方法步骤包括:
[0088] 第一步骤S1中:直接安装共振式线谱惯性作动器于被控对象,将被控对象的振动信号和频率信号经由传感器信号接口24接入控制器22,控制器22通过振动信号和频率信号解算出频率、正弦增益、余弦增益并通过控制信号接口23接入谐波发生器,[0089] 第二步骤S2中:谐波发生器的信号通过功率放大器20变成线圈的电流,通电线圈在振子的固定磁场内将电流功率变成激振力输出,激振力通过弹簧和阻尼器13传递到作动器外壳,
[0090] 第三步骤S3中:激振力通过外壳传递到被控对象,与被控对象原有振动进行叠加相干相消,传感器采集叠加后的振动信号,反馈进入控制器22,进入下一个循环。
[0091] 所述的控制方法的一个实施方式中,通过螺栓将本装置直接安装与被控对象结构上,将被控对象的振动反馈信号和频率信号接入控制器,控制器通过输入信号解算出频率、正弦增益、余弦增益输出,通过响应接口接入谐波发生器,谐波发生器的信号通过功率放大器变成线圈的电流,通电线圈在振子的固定磁场内将电流功率变成激振力输出,激振力通过弹簧和阻尼器传递到作动器外壳,进而通过外壳螺栓传递到被控对象,与被控对象原有振动进行叠加相干相消,传感器采集叠加后的振动信号,反馈进入控制器,进入下一个循环。
[0092] 所述的控制方法的一个实施方式中,图5为本发明的一个实施例的惯性共振式线谱作动器控制方法示意图,惯性共振式线谱作动器尽管可以实现较大的作动力输出,由于工作在共振区域,工作频带相位特性极差,幅值受阻尼影响大,系统的相位具有非常陡峭的变化,并在共振点有一次反相,为了防止频率漂移导致的控制不稳定性,本装置采用作动器相频特性精确提取的自适应控制算法进行频率锁定、幅值和相位的调节。第一步骤中:控制器22通过振动信号和频率信号解算出频率、正弦增益、余弦增益包括以下步骤,振动从被控对象传递到振动传感器的路径称为初级通道,振动从作动器传递到振动传感器的路径称为次级通道,两股振动在振动传感器位置进行叠加形成误差信号e;振动传感器测量误差信号e和转速传感器测量被控对象频率信号f同时输入控制器22,控制器22通过频率信号f产生余弦和正弦两个分量并基于作动器和次级通道的相频特性对两个正弦分量的相位进行调节,将相位调节后的正弦分量、余弦分量混同误差信号e输入自适应算法模块,自适应算法模块计算出实时的增益系数,即
[0093] wc(n+1)=wc(n)+μxcf(n)e(n)
[0094] ws(n+1)=ws(n)+μxsf(n)e(n),
[0095] 其中wc(n+1)、ws(n+1)为下一时刻的余弦与正弦增益,wc(n)、ws(n)为当前的余弦与正弦增益,e(n)为当前的误差信号,xcf(n)、xsf(n)为当前的调相后的余弦与正弦分量,μ为参数。
[0096] 控制器将频率、正弦增益系数、余弦增益系数输入本发明作动器,本发明作动器通过增益系数,实时构建谐波激励信号,并通过功率放大器发达,驱动线圈包,实现激励力的输出。当误差信号e趋近于最小值,增益系数的值趋于稳定。
[0097] 在一个实施方式中,通过螺栓将本装置直接安装与被控对象结构上,将被控对象的振动反馈信号和频率信号接入控制器,控制器通过输入信号解算出频率、正弦增益、余弦增益输出,通过响应接口接入谐波发生器,谐波发生器的信号通过功率放大器变成线圈的电流,通电线圈在振子的固定磁场内将电流功率变成激振力输出,激振力通过弹簧和阻尼器传递到作动器外壳,进而通过外壳螺栓传递到被控对象,与被控对象原有振动进行叠加相干相消,传感器采集叠加后的振动信号,反馈进入控制器,进入下一个循环。
[0098] 尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述,但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域,上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的,而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下,还可以做出很多种的形式,这些均属于本发明保护之列。
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