[發明專利]柔性結構主動減振裝置及其控制方法

無效

• 申請號: 200910033173.2
• 申請日: 2009-06-15
• 公開（公告）號: CN101576752A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 邵敏強;陳衛東;徐慶華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D19/02
• 分類號: G05D19/02;B06B1/04;F16F15/03
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 柏尚春

1、一種柔性結構主動控制減振裝置，其特征在于它包括信號采集單元和控制減振單元，其中：

信號采集單元是在柔性結構上表面沿縱向均勻安裝多個ICP加速度傳感器，各傳感器接收的信號傳遞給恒流源，再轉至數據采集器；數據采集器將采集的信號經模/數轉換器轉換后傳輸給計算機進行處理；

控制減振單元是計算機對數據處理后發出控制信號，經模/數轉換器轉換后傳輸至第一功率放大器，再轉接至作動器實施減振，該作動器通過頂桿直接與柔性結構下表面連接。

2、根據權利要求1所述的柔性結構的主動減振裝置，其特征在于：它還設有激振力輸出單元，該激振力輸出單元包括信號發生器、第二功率放大器和激振器，所述信號發生器與第二功率放大器輸入端連接，信號發生器產生的信號經第二功率放大器放大后輸入激振器，激振器與柔性結構通過頂桿連接提供外擾。

3、根據權利要求2所述的柔性結構的主動減振裝置，其特征在于：作動器與激振器結構相同，均為電磁式作動器/激振器，其包括外殼(1)、頂桿(2)，以及設在外殼(1)內腔中的動圈(3)、永磁體(4)和彈簧片(5)，所述永磁體(4)設在外殼(1)內腔底部，動圈(3)設在永磁體(4)上方，與永磁體(4)之間存在一定間隙，彈簧片(5)設在動圈(3)上方，頂桿(2)一端固定在動圈(3)上端面，另一端穿過彈簧片(5)并伸出外殼(1)。

4、根據權利要求1或2所述的柔性結構的主動減振裝置，其特征在于：傳感器安裝方向為柔性結構振動方向。

5、根據權利要求1或2所述的柔性結構的主動減振裝置，其特征在于：所述數據采集器與模/數轉換器集成在一起，并通過計算機PCI插槽與計算機連接。

6、一種柔性結構的主動控制方法，其特征在于：在整個控制系統中設有信號采集單元、控制減振單元和激振力輸出單元，其中：

信號采集單元是在柔性結構上表面沿縱向均勻安裝多個ICP加速度傳感器，各傳感器通過導線與恒流源連接，再轉接至數據采集器輸入端；數據采集器與計算機連接，

控制減振單元是在數據采集器輸出端連接第一功率放大器，再轉接至作動器，作動器通過頂桿直接與柔性結構下表面連接。

激振力輸出單元包括信號發生器、第二功率放大器和激振器，所述信號發生器與與第二功率放大器輸入端連接，信號發生器產生的信號經第二功率放大器放大后輸入激振器，激振器與柔性結構通過頂桿連接提供外擾；其控制過程為：

步驟1：離線識別過程，包括：

(1)確定柔性結構的固有頻率范圍：首先啟動所有硬件設備，運行控制程序并調用參數識別模塊，由計算機產生快速掃頻信號驅動作動器，使柔性結構產生振動，同時采集加速度傳感器信號并保存；對振動信號進行離線處理，經FFT變換得到模型的大致固有頻率；

(2)根據李薩茹圖形確定模型的精確固有頻率：由信號發生器產生簡諧信號驅動作動器使柔性結構產生強迫振動，激勵簡諧信號頻率在前面測得的固有頻率附近進行微調，同時觀測根據驅動信號和加速度信號得到的李薩茹圖形，當李薩茹圖呈現正橢圓時，表明此時模型產生共振，則該驅動頻率即為模型固有頻率精確值；重復該過程，確定柔性結構前n階固有頻率，其中n為傳感器數量；

(3)確定模型前n階振型：由計算機產生簡諧信號驅動作動器使柔性結構產生共振，驅動信號頻率為前面測量得到的固有頻率精確值，在模型保持共振狀態下，測量各加速度傳感器信號并保存；重復以上過程，分別測量并保存模型前n階共振狀態下傳感器信號；再進行離線處理，根據共振狀態下加速度信號確定模型前n階固有振型；

(4)模型未知參數識別：假設柔性結構質量、剛度、阻尼矩陣分別為M、K、C，則滿足X^TMX＝I，X^TKX＝Ω＝diag[ω_i²]，X＝[X₁，X₂，…，X_n]為前面測量得到的結構振型，通過求解線性方程組得到模態質量、剛度矩陣M和K，阻尼矩陣通常可以設定為比例阻尼陣C＝αM+βK；

步驟2：實時控制過程，包括：

(1)根據步驟1得到的質量、剛度、阻尼矩陣，結合隨機游走法構造隱含未知外擾的狀態方程；表達式如下：

X_a(k+1)＝Φ_aX_a(k)+I_aδ(k)+Λ_au(k)，

y(k)＝H_aX_a(k)+v(k)

式中，X_a＝[X^T?w^T]^T為隱含未知外擾的狀態量，X為系統狀態，w為未知外擾；v為r×1階無偏隨機測量干擾，.其方差矩陣E[v·v^T]＝R；y為r×1階系統輸出；Φa=ΦΓ0n×2nIn,]]>Φ＝I_2n+ΔT·A，A=0n×nIn-m-1K-M-1C,]]>Γ＝ΔT·B，B＝[0_n×n?M^-T]^T，I_n為n階單位陣，ΔT為采樣時間步長；I_a＝[0_n×2n?I_n]^T；Λ_a＝[Λ^T?0_n×n]^T，Λ＝ΔT·F，F＝[0_n×n?DTM^-T]^T；H_a＝[H_r×2n?0_r×n]，H為r×2n階觀測矩陣；

(2)運用Kalman濾波原理進行系統狀態估計，同時得到系統狀態和未知外擾；具體過程如下：

X^a(k+1|k)=ΦaX^a(k|k)+Λau(k),]]>

Pa(k+1|k)=ΦaPa(k|k)ΦaT+IaQδIaT,]]>

α(k+1)=y(k+1)-HaX^a(k+1|k),]]>

Ka(k+1)=Pa(k+1|k)HaT(HaPa(k+1|k)HaT+R)-1,]]>

P_a(k+1|k+1)＝[I-K_a(k+1)H_a]P_a(k+1|k)，

X^a(k+1|k+1)=X^a(k+1|k)+Ka(k+1)α(k+1),]]>

w^(k+1|k+1)=ΨX^a(k+1|k+1),]]>

其中為狀態估計值；為系統輸出估計值；為外擾估計值；P_a為濾波器估值誤差方差陣；α(k)為新息矢量，表示k時刻的系統新信息；K_a為濾波器增益；R為隨機測量干擾v(t)的方差；Ψ＝[0_n×2n?I_n]；

(3)構造包括系統狀態和未知外擾的目標函數，結合最優控制方法求解黎卡提方程，得到系統控制輸入

u(k)=-(Q2In+ΛaTPΛa)-1ΛaTPΦaX^a(k)]]>

其中P＝Q₁·I_2n，為黎卡提方程的解；Q₁、Q₂為加權系數；

(4)將步驟3)得到的控制輸入信號經數/模轉換成模擬信號后輸入第一功率放大器，然后信號經過若干倍放大后作用于作動器使之產生控制輸出力，通過頂桿直接作用于被控柔性結構，達到抑制振動的目的。