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一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统

阅读：814发布：2021-06-09

专利汇可以提供一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，由双伸杆磁流变减振器、振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统组成；振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统与磁流变减振器集成为一体；通过能量采集装置将系统的机械能量转化为电能，电能由能量存储及管理模块进行存储与管理，对传感器、控制器及磁流变减振器供电；通过状态自感知模块实现磁流变减振器自身工作状态的感知，为自适应控制提供决策依据；自适应控制器根据磁流变减振器自身工作状态自适应调节磁流变阻尼器的工作阻尼力；从而实现磁流变减振器的状态自感知、能量自供给的自适应控制，极大地拓展磁流变减振器的应用领域。，下面是一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，由双伸杆磁流变减振器、振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统组成；其特征在于：所述双伸杆磁流变减振器的活塞缸（4）延伸一部分，在该延伸出的这部分缸体内集成安装振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统；
所述振动能量采集装置由丝杠（12）、滚珠丝杠固定座A（13）、定子线圈（14）、定子铁心（15）、永久磁钢（16）、转子铁心（17）、滚珠丝杠固定座B （18）、滚珠丝杠机构（19）、电压调节装置（21）及蓄电池（22）组成；所述丝杠（12）与双伸杆磁流变减振器的活塞杆B（8）固定连接，或与活塞杆B（8）直接加工为整体；滚珠丝杠机构（19）装在丝杠（12）前端并位于滚珠丝杠固定座A（13）和滚珠丝杠固定座B（18）围成的空间内，滚珠丝杠固定座A（13）和滚珠丝杠固定座B（18）与活塞缸（4）连接固定；所述转子铁心（17）及永久磁钢（16）固定在滚珠丝杠机构（19）的滚珠部分上，定子铁心（15）及定子线圈（14）围绕在转子铁心（17）及永久磁钢（16）外设置并固定；当磁流变减振器处于振动状态时，磁流变减振器活塞杆B带动丝杠（12）作直线运动，通过滚珠丝杠机构（19），转化为转子铁心（17）及永久磁钢（16）绕定子铁心（15）及定子线圈（14）的旋转切割磁力线运动，从而实现机械能量向电能转换；
所述振动能量存储及管理模块由电压调节装置（21）及蓄电装置（22）组成，电压调节装置（21）及蓄电装置（22）安装在减振器活塞缸（4）延伸部分的底部；振动能量存储及管理模块对振动能量采集装置产生的电能进行存储及管理，实现电能存储，对自适应控制器（23）、力传感器（20）以及励磁线圈（6）供电；电压调节装置（21）根据振动能量采集装置的电压高低改变晶闸管导通角，保持振动能量采集装置输出电压的稳定，同时对电能的整流、滤波、储存及释放进行管理；
所述状态自感知模块由定子线圈（14）、力传感器（20）及信号调理模块（24）组成，所述力传感器（20）固定在滚珠丝杠固定座A(13)、滚珠丝杠固定座B(18)与滚珠丝杠机构（19）之间，信号调理模块（24）安装在活塞缸（4）延伸部分的底部；所述状态自感知模块的定子线圈（14）及信号调理模块（24）根据振动能量采集装置产生信号的波形及滚珠丝杠机构（19）的结构参数，计算磁流变减振器活塞杆B（8）的振动位移和速度，根据力传感器（20）采集减振器活塞杆B上的拉力或压力，实现对磁流变减振器工作状态的感知；
所述自适应控制系统由力传感器（20）、信号调理模块（24）及自适应控制器（23）组成，自适应控制器安装在活塞缸（4）延伸部分的底部，自适应控制器接收力传感器（20）和信号调理模块（24）的信号，当磁流变减振器处于振动状态时，自适应控制系统根据磁流变减振器工作状态调整输入励磁线圈（6）的电流大小，实现阻尼力的调节。
2.根据权利要求1所述的自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，其特征在于：所述双伸杆磁流变减振器包括活塞缸（4）、活塞杆A（1）、活塞杆B（8）、活塞（5）、励磁线圈（6）和磁流变液（7）；所述磁流变液（7）装在活塞缸（4）前半部两端由盖板围出的腔体内，活塞杆A（1）、活塞杆B（8）从前半部两端伸进腔体内，两者都与中间的活塞（5）连接，励磁线圈（6）嵌装在活塞（5）外周。
3.根据权利要求1或2所述的自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，其特征在于：
蓄电装置（22）可以是电容或可充电电池，可实现多于能量的存储，当振动能量采集装置采集的能量不足时，对自适应控制器（23）及励磁线圈（6）供电。
4.根据权利要求3所述的自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，其特征在于：所述自适应控制系统采用自适应控制策略实现对磁流变减振器阻尼力大小的调节，所述的自适应控制策略是将输出的磁流变减振器的阻尼力分为小、中、大三级，对应输入励磁线圈的电流为小、中、大，最大电流由励磁线圈的饱和电流确定；根据自感知模块感知的磁流变减振器状态，将位移速度相位空间划分为I、II、III部分，对应控制电流分别为大、中、小。

说明书全文

一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统

技术领域

[0001] 本发明属于一种新的能量采集及应用系统，具体涉及一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统。

背景技术

[0002] 磁流变减振器作为一种智能减振装置，具有结构简单、体积小、能耗低、阻尼连续可调等优点，已逐渐成为结构振动控制领域里的研究和应用热点。目前的磁流变减振器系统需要专门的传感系统实现对工作状态的感知，这无疑会导致系统的成本增加。此外，磁流变减振器需要可调的磁场激励，这需要外部电能的输入，而在一些偏远的地区，电力常常不能够送达；而有时即便电力能够送达，但常常也会由于自然灾害的原因导致供电难以持续保证。这些因素，限制了磁流变减振器的应用领域。为此，近年来，国内外的研究人员提出了对磁流变减振器进行自供电的新方法。美国专利（US20080053763）提出了一种永磁动铁式的原理性结构，利用弹簧振子上的永磁体上下切割磁力线产生感应电动势为磁流变阻尼器供电，由于该方案体积庞大、能量转换效率低，难以集成到磁流变阻尼器内部难以提供足够的电能供磁流变阻尼器工作，并且该专利还未涉及能量的储存和管理。中国专利（CN200710034309.2），提出了一种自供电磁流变智能减振系统，采用布置在减振器外侧的齿条齿轮传动的方式，驱动直流发电机发电，给磁流变减振器供电，其局限性非常明显，由于发电装置布置在减振器外侧，并且暴露在外，结果导致系统体积庞大，对工作环境要求较高。中国专利（CN200710034309.2），提出一种一多叶片碟型电磁式机械能量采集器，结构布置在减振器的内侧，也有一定的局限性，由于磁流变液比较稠，导致叶片转速比较慢，产生的电能仅能够对传感器供电，而且不能实现对减振器自身状态感知。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，将磁流变减振器的振动能量转化为电能，实现磁流变减振器状态感知并进行电能供给，并根据状态自适应地调节阻尼力大小，从而拓展并增强磁流变减振器在结构振动中的应用领域。

[0004] 本发明的目的是采用下述方案来实现的：一种自感知自供电自适应控制磁流变减振系统，由双伸杆磁流变减振器、振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统组成。所述双伸杆磁流变减振器的活塞缸延伸一部分，在该延伸出的这部分缸体内集成安装振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统。

[0005] 所述振动能量采集装置由丝杠、滚珠丝杠固定座A、定子线圈、定子铁心、永久磁钢、转子铁心、滚珠丝杠固定座B 、滚珠丝杠机构、电压调节装置及蓄电池组成。所述丝杠与双伸杆磁流变减振器的活塞杆B固定连接，或与活塞杆B直接加工为整体。滚珠丝杠机构装在丝杠前端并位于滚珠丝杠固定座A和滚珠丝杠固定座B围成的空间中，滚珠丝杠固定座A和滚珠丝杠固定座B与活塞缸连接固定，转子铁心及永久磁钢固定在滚珠丝杠机构的滚珠部分上，定子铁心及定子线圈与活塞缸固定。当磁流变减振器处于振动状态时，磁流变减振器活塞杆B带动丝杠作直线运动，通过滚珠丝杠机构，转化为转子铁心及永久磁钢绕定子铁心及定子线圈的旋转切割磁力线运动，从而实现机械能量向电能转换。 [0006] 所述振动能量存储及管理模块可对振动能量采集装置产生的电能进行存储及管理，实现电能存储，并对自适应控制器、力传感器以及励磁线圈供电，电压调节装置根据振动能量采集装置的电压高低改变晶闸管导通角，保持振动能量采集装置输出电压的稳定，同时对电能的整流、滤波、储存及释放进行管理。

[0007] 所述状态自感知模块由定子线圈、力传感器及信号调理模块组成，力传感器固定在滚珠丝杠固定座A、滚珠丝杠固定座B与滚珠丝杠机构之间，信号调理模块与活塞缸连接，定子线圈及信号调理模块根据振动能量采集装置产生信号的波形及滚珠丝杠机构的结构参数，计算磁流变减振器活塞杆B的振动位移和速度，根据力传感器采集减振器活塞杆B上的拉力或压力，实现对磁流变减振器工作状态的感知。

[0008] 所述自适应控制系统由力传感器、信号调理模块及自适应控制器组成，自适应控制器固定在活塞缸底部，当磁流变减振器处于振动状态时，自适应控制系统根据磁流变减振器工作状态调整输入励磁线圈的电流大小，实现阻尼力的调节。

[0009] 本发明通过能量采集装置将系统的机械能量转化为电能，电能由能量存储及管理模块进行存储与管理，对传感器、控制器及磁流变减振器供电；通过状态自感知模块实现磁流变减振器自身工作状态的感知，为自适应控制提供决策依据；自适应控制器根据磁流变减振器自身工作状态自适应调节磁流变阻尼器的工作阻尼力；从而实现磁流变减振器的状态自感知、能量自供给的自适应控制，可极大地拓展磁流变减振器的应用领域。

[0010] 本发明的优点如下：1、通过对振动能量的采集及利用，有效地避免了磁流变减振器对电能的依赖，使磁流变减振器在电能难以保证的环境中也能应用。

[0011] 2、通过将状态自感知模块集成到磁流变减振器中，在采集能量的同时能对磁流变减振器工作状态参数的提取，极大地提高了系统的可靠性，大幅降低了传感系统的成本，为推广磁流变技术具有重要的意义。

[0012] 3、通过集成到磁流变减振器中的控制模块，根据磁流变减振器所处的状态，自适应地调节输出的阻尼力，从而提高了磁流变减振系统的自适应能力。

[0013] 4、本发明结构比较紧凑，使传感、控制、供电以及驱动为一体，可极大地提高系统的可靠性、降低系统的成本，与现有的磁流变减振系统比较，因此具有比较高的性价比。附图说明

[0014] 图1是自感知自供电自适应控制磁流变减振系统结构示意图；图2是系统自适应控制的控制相平面。

[0015] 图中：1活塞杆A 2前密封件 3前盖板 4活塞缸 5活塞 6励磁线圈 7磁流变液8活塞杆B 9后盖板 10后密封件 11导线 12丝杠 13滚珠丝杠固定座A 14定子线圈 15定子铁心 16永久磁钢 17转子铁心 18滚珠丝杠固定座B 19滚珠丝杠机构 20 力传感器
21电压调节装置 22蓄电装置 23自适应控制器 24信号调理模块。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明作进一步阐述：本发明提出的自感知自供电自适应控制磁流变减振系统由双伸杆磁流变减振器、振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统组成。

[0017] 如图1所示，双伸杆磁流变减振器包括活塞缸4、活塞杆A1、活塞杆B8、活塞5、励磁线圈6和磁流变液7。磁流变液7装在活塞缸4前半部两端由前盖板3和后盖板9围出的腔体内，活塞杆A1、活塞杆B8从前半部两端伸进腔体内，两者都与中间的活塞5连接，励磁线圈6嵌装在活塞5外周。活塞杆A1、活塞杆B8和前盖板3、后盖板9之间设置前密封件2和后密封件10。

[0018] 该双伸杆磁流变减振器的活塞缸4延伸一部分，本发明的振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统就集成安装该延伸出的这部分缸体内。

[0019] 其中，振动能量采集装置由丝杠12、滚珠丝杠固定座A13、定子线圈14、定子铁心15、永久磁钢16、转子铁心17、滚珠丝杠固定座B 18、滚珠丝杠机构19、电压调节装置21及蓄电池22组成。丝杠12与双伸杆磁流变减振器的活塞杆B8通过螺纹或焊接进行连接，或与活塞杆B8直接加工为整体。滚珠丝杠机构19装在丝杠12前端并位于滚珠丝杠固定座A13和滚珠丝杠固定座B18围成的空间内，滚珠丝杠固定座A13和滚珠丝杠固定座B18与活塞缸4连接固定。转子铁心17及永久磁钢16固定在滚珠丝杠机构19上，定子铁心15及定子线圈14围绕在转子铁心17及永久磁钢16外，与活塞缸4固定。当磁流变减振器处于振动状态时，磁流变减振器活塞杆B带动丝杠12作直线运动，通过滚珠丝杠机构19，转化为转子铁心17及永久磁钢16绕定子铁心15及定子线圈14的旋转切割磁力线运动，从而实现机械能量向电能转换。

[0020] 振动能量存储及管理模块由电压调节装置21及蓄电装置22组成，安装在减振器活塞缸4底部。振动能量存储及管理模块对振动能量采集装置产生的电能进行存储及管理，实现电能存储，对自适应控制器23、力传感器20以及励磁线圈6供电。电压调节装置21根据振动能量采集装置的电压高低改变晶闸管导通角，保持振动能量采集装置输出电压的稳定，同时对电能的整流、滤波、储存及释放进行管理。蓄电装置22可以是电容或可充电电池，可实现多于能量的存储，当振动能量采集装置采集的能量不足时，对自适应控制器23及励磁线圈6供电。

[0021] 状态自感知模块由定子线圈14、力传感器20及信号调理模块24组成，所述力传感器20固定在滚珠丝杠固定座A13、滚珠丝杠固定座B18与滚珠丝杠机构19之间，信号调理模块24安装在活塞缸4底部。该状态自感知模块的定子线圈14及信号调理模块24根据振动能量采集装置产生信号的波形及滚珠丝杠机构19的结构参数，计算磁流变减振器活塞杆B8的振动位移和速度，根据力传感器20采集减振器活塞杆B上的拉力或压力，实现对磁流变减振器工作状态的感知。

[0022] 自适应控制系统由力传感器20、信号调理模块24及自适应控制器23组成，自适应控制器安装在活塞缸4底部，当磁流变减振器处于振动状态时，自适应控制系统根据磁流变减振器工作状态调整输入励磁线圈6的电流大小，实现阻尼力的调节。自适应控制系统采用自适应控制策略实现对磁流变减振器阻尼力大小的调节，所述的自适应控制策略是将输出的磁流变减振器的阻尼力分为小、中、大三级，对应输入励磁线圈的电流为小、中、大，最大电流由励磁线圈的饱和电流确定；根据自感知模块感知的磁流变减振器状态，将位移速度相位空间划分为I、II、III部分，对应控制电流分别为大、中、小。

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