[發(fā)明專利]一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011067382.1
• 申請日: 2020-10-06
• 公開（公告）號: CN112257194B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫希明;段楠;吳玉虎;仲崇權(quán)
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發(fā)明公開了一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計方法，屬于控制系統(tǒng)設(shè)計中的控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于絲杠?飛輪慣容器，通過改變飛輪上質(zhì)量塊沿飛輪徑向的位置，從而實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)動慣量的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)慣容器慣性比的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。具體地，絲杠所受外力載荷的變化引起飛輪角速度的變化，角速度改變了彈簧?質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊所受的離心力，由離心力與彈簧恢復(fù)力的平衡關(guān)系確定質(zhì)量塊在飛輪徑向的位置，從而達(dá)到了設(shè)計目的；并通過數(shù)值方法驗(yàn)證了本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)慣性比隨外力載荷變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明首次設(shè)計了慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的結(jié)構(gòu)，并首次建立了慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)的理論原理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于控制系統(tǒng)中的控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計，并對該慣容器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

背景技術(shù)

慣容器是一種能夠提供遠(yuǎn)超其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的慣性比的機(jī)械結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在車輛懸掛系統(tǒng)、橋梁、建筑物及機(jī)械等領(lǐng)域的振動控制中得到了廣泛地研究。慣容器以其慣性比大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量小的特點(diǎn)，在減小振動控制器結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面有著無可比擬的優(yōu)勢。目前，慣容器主要是通過利用結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量大于其質(zhì)量帶來的慣性這一效應(yīng)，再通過使用齒輪或者滾珠絲杠等結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增大其慣性比。但是這類慣容器的慣性比都是定值，難以跟隨主結(jié)構(gòu)振動情況的變化而做出必要的調(diào)整，存在慣性比不可調(diào)等不足，難以達(dá)到最佳的振動控制效果。本發(fā)明基于振動控制對系統(tǒng)慣性的需求，設(shè)計了一款轉(zhuǎn)動慣量可依據(jù)主結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣性比的慣容器。本發(fā)明是在滾珠絲杠-飛輪慣容器的基礎(chǔ)上，通過降低飛輪的基本轉(zhuǎn)動慣量，并在飛輪盤面上增加了密度大、飛輪徑向移動的彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，利用飛輪轉(zhuǎn)動時質(zhì)量塊受到的離心力與彈簧恢復(fù)力之間的力平衡改變質(zhì)量塊質(zhì)心與轉(zhuǎn)動中心的徑向距離，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)主結(jié)構(gòu)的振動情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)而達(dá)到自動調(diào)節(jié)慣容器慣性比的目的。最后利用仿真方法驗(yàn)證了本發(fā)明的可行性與有效性。目前為止，沒有專利公開關(guān)于慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容

為了更好地解決在振動控制過程中，控制器對可變慣性的需求，本發(fā)明設(shè)計了一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)的慣容器。

本發(fā)明通過振動控制過程中對慣性的需求分析，以及對慣容器原理的理解，將原始的絲杠-飛輪慣容器的飛輪改為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動慣量和可調(diào)轉(zhuǎn)動慣量兩部分。其中，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動慣量部分為一般的飛輪，其上加工了用于安裝可調(diào)轉(zhuǎn)動慣量部分的安裝機(jī)構(gòu)，同時為了增大整體轉(zhuǎn)動慣量的變化范圍，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動慣量部分使用密度小且有足夠強(qiáng)度的鋁合金加工而成。所述可調(diào)轉(zhuǎn)動慣量部分基于彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用質(zhì)量塊在飛輪旋轉(zhuǎn)時受到的離心力與彈簧恢復(fù)力之間的力平衡自動調(diào)節(jié)質(zhì)量塊質(zhì)心與飛輪轉(zhuǎn)動中心的距離，實(shí)現(xiàn)對飛輪轉(zhuǎn)動慣量的自動調(diào)節(jié)。考慮到要增大轉(zhuǎn)動慣量的可調(diào)范圍，質(zhì)量塊材料選用密度較大且具有良好的自潤滑特性的銅或銅合金加工而成。最后，利用數(shù)值方法仿真了慣性比隨外力載荷的變化情況以驗(yàn)證本發(fā)明的可行性及有效性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟1：慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的基本理論設(shè)計

所述慣容器中可調(diào)轉(zhuǎn)動慣量結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)為，彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)在飛輪旋轉(zhuǎn)時質(zhì)量塊所受離心力與彈簧恢復(fù)力之間的力平衡，其運(yùn)動方程表示為如下形式：

其中，等號左邊為質(zhì)量塊所受慣性力；等號右邊第一項(xiàng)為質(zhì)量塊所受的離心力，等號右邊第二項(xiàng)為彈簧的恢復(fù)力；m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，ω(t)為飛輪的角速度，R(t)為質(zhì)量塊質(zhì)心到飛輪轉(zhuǎn)動中心的距離(即轉(zhuǎn)動半徑)，k為彈簧的勁度系數(shù)，R₀為質(zhì)量塊質(zhì)心與飛輪轉(zhuǎn)動中心的最小距離，t為時間變量。

基于絲杠-螺母運(yùn)動副的運(yùn)動原理，飛輪的角速度ω(t)與絲杠所受載荷之間運(yùn)動方程表示為如下微分方程形式：