基于狀態(tài)觀測的半主動吸振器控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于狀態(tài)觀測的半主動吸振器控制系統(tǒng)，更具體地說是一種適用于汽 車發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)、新能源汽車動力總成懸置系統(tǒng)、艦艇動力系統(tǒng)、醫(yī)療器械系統(tǒng)、特種裝 備運(yùn)載器、機(jī)床加工設(shè)備等使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為動力的磁流變彈性體吸振器減振控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械在為工程應(yīng)用提供動力的同時，也給系統(tǒng)帶來了振動擾動，且振動擾動 的頻率與其轉(zhuǎn)速成一定的比例。以汽車內(nèi)燃機(jī)動力總成為例，在內(nèi)燃機(jī)工作時，氣缸壓力和 往復(fù)慣性力產(chǎn)生的俯仰力矩是內(nèi)燃機(jī)的主要振動激勵，該擾動轉(zhuǎn)矩頻率是內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速角頻 率的兩倍。在工程應(yīng)用中，為減小旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動對系統(tǒng)造成的不良影響，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械和基 體之間設(shè)置有懸置元件。匹配合理的懸置元件既能有效隔離旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動向基體的傳 遞，又能隔離來自基體的擾動對旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的不良影響。因此，設(shè)計合理的懸置元件不但 能有效衰減旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的振動，而且可以延長系統(tǒng)相關(guān)零部件的使用壽命。
[0003] 按照懸置元件可控特性，懸置元件可以分為被動懸置元件、半主動懸置元件和主 動懸置元件。其中，被動懸置元件以橡膠懸置元件和液壓懸置元件最為常見;半主動懸置元 件是基于諸如電磁流變材料等智能材料設(shè)計的執(zhí)行器件。通過改變智能材料的可控參數(shù)來 控制懸置元件的動力學(xué)特性，即可有效衰減懸置系統(tǒng)的振動。由于采用智能材料種類的不 同及工作原理的差異，半主動懸置元件形式多種多樣。其中，基于動力吸振器原理而設(shè)計的 懸置結(jié)構(gòu)是半主動懸置元件的一種，該懸置元件通過控制動力吸振器的固有頻率跟蹤旋轉(zhuǎn) 機(jī)械的激勵頻率，就可有效衰減旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動。動力吸振器的彈性元件由剛度可控的智 能材料制成為佳，其中磁流變彈性體是廣泛采用的材料之一。磁流變彈性體是磁流變材料 的一種，它由高分子聚合物和微米尺度的鐵磁性顆粒組成，其磁滯模量可由外加磁場的大 小控制。磁流變彈性體具有剛度連續(xù)可控、響應(yīng)速度快、可逆性好、無需封裝等優(yōu)點(diǎn)，適合作 為動力吸振器的彈性元件，因此磁流變彈性體動力吸振器在振動控制領(lǐng)域受到了一定的關(guān) 注。
[0004] 對磁流變彈性體動力吸振器進(jìn)行有效的控制是其有效工作的必要條件。已有Kim 等人通過實(shí)驗(yàn)擬合了磁流變彈性體動力吸振器固有頻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式， 通過測得系統(tǒng)的激勵頻率計算得到所需的外加磁場，仿真結(jié)果表明該算法具有良好的振動 控制效果。Zhang等人設(shè)計了bang-bang控制算法對磁流變彈性體動力吸振器進(jìn)行控制，結(jié) 果表明該算法可以有效地衰減系統(tǒng)的振動。考慮到磁流變彈性體動力吸振器中由磁流變彈 性體的非線性因素引起的磁場強(qiáng)度和磁流變彈性體磁滯模量的不確定關(guān)系，Liao等人提出 了一種基于相位的控制算法，該算法具有調(diào)整速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 申請?zhí)枮?005100948823的中國發(fā)明專利申請中公開了一種磁流變彈性體移頻式 吸振器的控制方法，首先測得吸振器的固有頻率與其線圈輸入電壓之間的對應(yīng)關(guān)系，利用 傳感器測得減振對象的振動信號并檢測其振動頻率，根據(jù)振動頻率與線圈電壓之間的關(guān)系 確定所需的控制電壓。申請?zhí)枮?00510094987.9的中國發(fā)明專利申請中公開了一種磁流變 彈性體主動吸振系統(tǒng)的控制方法，通過加速度傳感器獲得減振對象的振動頻率、幅值和相 位信息，分別對變剛度元件和主動力元件進(jìn)行自尋優(yōu)算法的粗調(diào)和精調(diào)。申請?zhí)枮?201410299504.8的中國發(fā)明專利申請公開了一種變剛度變質(zhì)量的吸振器控制方法，以快速 傅里葉算法獲得外界激勵頻率，并在當(dāng)前吸振器質(zhì)量的條件下實(shí)現(xiàn)對吸振器剛度的控制。 申請?zhí)枮?01410131768.2的中國發(fā)明專利申請中公開了一種主動吸振器控制方法，其根據(jù) 監(jiān)測得到未知振動源的振動信號，通過控制單元控制主動振動源實(shí)現(xiàn)對未知振動源振動的 有效控制。
[0006] 然而，由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械復(fù)雜的工作條件，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的激勵，包括其激勵頻率和激勵幅 值總是不斷的變化，要對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動信號進(jìn)行準(zhǔn)確的頻率識別非常困難。另一方面，由 于磁流變彈性體的磁滯模量不僅與外加磁場大小相關(guān)，還和磁流變彈性體的應(yīng)變量和激勵 頻率相關(guān)，磁流變彈性體磁滯模量與外加磁場之間的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。所以在旋轉(zhuǎn) 機(jī)械半主動懸置系統(tǒng)的振動控制中，已有的基于激勵頻率識別的磁流變彈性體動力吸振器 控制算法很難有效地工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種基于狀態(tài)觀測的半主動 吸振器控制系統(tǒng)，以期能夠?qū)崿F(xiàn)對半主動吸振器的快速、有效、穩(wěn)定的控制，降低旋轉(zhuǎn)機(jī)械 傳遞到基體的振動能量，減小旋轉(zhuǎn)機(jī)械相關(guān)零部件的振動，延長其使用壽命。
[0008] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明基于狀態(tài)觀測的半主動吸振器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:所述控制系統(tǒng)的構(gòu)成包 括半主動懸置系統(tǒng)、狀態(tài)觀測模塊、相位差余弦值計算模塊以及電流輸出模塊；
[0010] 所述半主動懸置系統(tǒng)包括減振對象、半主動吸振器、被動隔振器以及安裝在所述 減振對象或半主動吸振器上的傳感器;利用所述半主動吸振器對所述減振對象的振動進(jìn)行 半主動吸振控制;利用所述傳感器實(shí)時檢測獲得與所述半主動懸置系統(tǒng)的輸出向量相對應(yīng) 的實(shí)時振動信號的模擬量;所述被動隔振器用于支撐所述減振對象；
[0011] 所述狀態(tài)觀測模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、自適應(yīng)狀態(tài)觀測器和狀態(tài)處理單元;所述模 數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述實(shí)時振動信號的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量;根據(jù)所述實(shí)時振動信號的數(shù)字 量，利用所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測器預(yù)測獲得所述半主動懸置系統(tǒng)的狀態(tài)向量，并由所述狀態(tài) 向量獲得與相關(guān)狀態(tài)向量對應(yīng)的半主動懸置系統(tǒng)的相關(guān)振動信息;所述狀態(tài)處理單元根據(jù) 所述的相關(guān)振動信息計算獲得半主動吸振器相對于減振對象的相對運(yùn)動信息，以及減振對 象的自身運(yùn)動信息；
[0012] 所述相位差余弦值計算模塊用來實(shí)時計算獲得所述相對運(yùn)動信息和自身運(yùn)動信 息之間的相位差余弦值；
[0013] 所述電流輸出模塊由模糊邏輯控制單元、積分器和可控電流源構(gòu)成；由所述模糊 邏輯控制單元根據(jù)所述相位差余弦值確定電流輸出模塊中輸出的控制電流的積分增益因 子，由積分器通過對所述相位差余弦值進(jìn)行積分獲得相位差余弦值積分信息，以所述相位 差余弦值積分信息乘以所述積分增益因子獲得電流控制信號，利用所述電流控制信號控制 所述可控電流源輸出控制電流，所述控制電流輸出至所述半主動吸振器，實(shí)現(xiàn)對半主動懸 置系統(tǒng)的振動的控制。
[0014] 本發(fā)明基于狀態(tài)觀測的半主動吸振器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于:所述半主動吸振器 為磁流變彈性體吸振器;所述減振對象為旋轉(zhuǎn)機(jī)械;所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測器采用Kalman濾 波狀態(tài)觀測器。
[0015] 本發(fā)明基于狀態(tài)觀測的半主動吸振器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于:按如下方式獲得所 述相對運(yùn)動信息和自身運(yùn)動信息：
[0016] 設(shè)置所述傳感器是安裝在減振對象上的位移傳感器，令:所述半主動懸置系統(tǒng)的 輸出向量為減振對象的實(shí)測振動位移;取所述半主動懸置系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)向量為半主動吸 振器的振動位移;根據(jù)所述實(shí)測振動位移，并利用所述Kalman濾波狀態(tài)觀測器獲得半主動 懸置系統(tǒng)的狀態(tài)向量，利用所述狀態(tài)向量確定所述減振對象的估計振動位移 X2和半主動吸 振器的估計振動位移XI;并有:半主動吸振器相對于減振對象的估計相對位移Xr為:Xr = Xl_ X2；
[0017] 以所述估計相對位移Xr作為所述相對運(yùn)動信息，以所述減振對象的估計振動位移 X2作為所述自身運(yùn)動信息。
[0018] 本發(fā)明基于狀態(tài)觀測的半主動吸振器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于:所述相位差余弦值 計算模塊包括均方根計算單元、點(diǎn)乘計算單元和相位差余弦值計算單元;所述相對運(yùn)動信 息和所述自身運(yùn)動信息之間的相位差余弦值按如下方法獲得：
[0019] 利用所述均方根計算單元分別計算獲得所述相對運(yùn)動信息的均方根值以及 所述自身運(yùn)動信息的均方根值;利用所述點(diǎn)乘計算單元計算獲得相對運(yùn)動信息和自身 運(yùn)動信息的點(diǎn)乘運(yùn)算值Χι· · X2;
[0020] 利用所述相位差余弦值計算單元按式(1)計算獲得相位差余弦值δ:
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