CN103195863B - 机械结构阻尼大小智能化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械结构阻尼大小智能化控制系统，包括阻尼材料层、压电作动器层、传感器和阻尼控制系统等，所述阻尼材料层的下部与振动结构基体连接、上部与压电作动器层连接，压电式传感器与振动结构基体下表面或上表面连接，阻尼控制系统硬件主要包括计算机、NI-PCI4472板卡、DAQ板卡、电荷放大器、功率放大器等，压电式传感器通过电荷放大器与NI-PCI4472板卡连接，NI-PCI4472板卡通过DAQ板卡、功率放大器与压电作动器层连接，传感器为压电式传感器，阻尼控制系统采用NI控制系统和阻尼控制算法模块，能够自发地改变结构阻尼，使振动衰减，减少机械系统因振动引起的损坏，保持设备的精度，延长使用寿命，抑制结构对环境产生的噪声污染、保证操作人员的身心健康。
Description
技术领域
本发明涉及机械振动及噪声控制技术领域，尤其涉及一种机械结构阻尼大小智能化控制系统。
背景技术
振动广泛存在于各种工作状态下的机械系统中，比如汽车、火车、轮船等交通工具和飞机、火箭、卫星等飞行器中。强烈的振动不仅会影响仪器仪表工作的精准性和稳定性，严重时还会因疲劳破坏而缩短结构的寿命，或者因共振而损坏结构。同时，由于振动而产生的噪声不仅造成环境的污染，还会危及操作人员的身心健康。因此，必须要降低设备的振动，然而从目前的研究状况来看，大多数是采用附加阻尼材料的方法进行控制，但其存在以下不足：
1）由于设备的运行负荷、运行条件等经常发生变化，引起的振动剧烈程度也在发生变化，而普通的附加阻尼材料层一旦制作安装好，其阻尼大小就不可改变，当机械系统运行环境发生较为剧烈的振动，特别是共振时，其本身不具备增加阻尼的能力。
2）目前在消极隔振的办法中，当基础发生低频振动时，增加阻尼能大大降低结构的振幅；而在基础高频激励下，增加阻尼反而会使其振幅有所增加。
发明内容
本发明就是为了解决现有技术存在的上述不足，提供一种机械结构阻尼大小智能化控制系统，当机械结构发生振动时，通过阻尼大小的智能化控制，能够自发地改变结构阻尼，使振动较快地衰减下来，并对不同的环境做出相应的反应，减少机械系统因振动引起的损坏，保持设备的精度和工作可靠性，延长设备的使用寿命，抑制结构对环境产生的噪声污染、保证操作人员的身心健康。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种机械结构阻尼大小智能化控制系统，包括阻尼材料层、压电作动器层、传感器和阻尼控制系统，所述阻尼材料层的下部与振动结构基体连接、上部与压电作动器层连接，压电式传感器与振动结构基体下表面或上表面连接，阻尼控制系统主要包括计算机、NI-PCI4472板卡、DAQ板卡、电荷放大器、功率放大器等，其中压电式传感器通过电荷放大器与NI-PCI4472板卡连接，NI-PCI4472板卡通过DAQ板卡、功率放大器与压电作动器层连接。
所述阻尼控制系统硬件采用NI控制系统，软件则为阻尼控制算法模块。
所述NI控制系统采用NI-PCI4472板卡，高精度频域测量的8通道动态信号采集卡，适用于振动传感器的信号采集；NI-PCI4472板卡与Lab VIEW声音及振动工具包模块连接、结合使用，可进行高精度的测量，能够快速采集、分析并记录振动数据，完全满足机械结构阻尼大小智能化控制系统振动状态信息的采集要求。
所述阻尼控制算法模块采用F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块，所述F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块包括结构特征模块、滤波器参数模块、比较器模块、LMS模块、第一控制通道特征模块、第二控制通道特征模块，其中结构特征模块与比较器模块连接，滤波器模块通过第一控制通道特征模块与比较器模块连接，比较器模块与LMS模块连接，第二控制通道特征模块与LMS模块连接，LMS模块与滤波器模块连接。本发明中F-XLMS算法分为两种情况，一种是增大阻尼的F-XLMS算法，另一种是减少阻尼的反F-XLMS算法。前者是，当压电传感器贴于弯曲振动结构基体的下表面时，使阻尼控制系统发出的电压信号与传感器同相位，当压电传感器贴于弯曲振动结构基体的上表面时，使阻尼控制系统发出的电压信号与传感器反相位，同时让控制电压的幅值增加，压电作动器层变形幅值也就增加，阻尼材料层获得较大剪切变形，从而提高整个结构的阻尼；后者与前者相反，控制电压信号的幅值与相位，使压电作动器层变形接近于基体结构的变形，使得阻尼材料层获得最小剪切变形，从而降低整个结构的阻尼。
所述F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块，对于由支撑基础引起的强迫振动，当激振频率小于1.41倍的结构固有频率时，采用增大阻尼的F-XLMS算法，可以有效的控制结构振动；当激振频率大于1.41倍的结构固有频率时，采用减少阻尼的F-XLMS算法。以满足不同振动的要求：对于由支撑基础引起的强迫振动，当结构发生共振时，增加阻尼能大大降低结构的振幅；而在高频激励下，增加阻尼反而会使其振幅有所增加。
所述阻尼材料层采用氯化丁基橡胶、或氯丁橡胶、或丁腈橡胶。采用氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯化丁基橡胶等高分子阻尼材料作为减振材料，能防止或减轻机械振动对设备的破坏。氯化丁基橡胶阻尼材料，因丁基橡胶分子链上带有许多甲基，弹性滞后较大，所以具有优越的阻尼性能，而且丁基橡胶氯化后，反应性和粘合性能明显提高。阻尼材料层贴在振动结构基体表面，压电作动器层则贴在阻尼材料层上方。
所述压电作动器层采用压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）作为压电材料。这种材料具有较高的压电常数和机电耦合系数，因此具有较高的灵敏度和频率响应特性。该压电作动器层贴于阻尼材料层之上，压电作动器层的上下两侧通过导线分别连接到功率放大器上，阻尼控制系统发出控制信号，经功率放大器后，对压电作动器层施加电压，压电材料发生逆压电效应，带动阻尼材料层一起伸长或缩短，使其发生剪切变形。当压电传感器贴于弯曲振动结构基体表面板的下表面时，阻尼控制系统发出的电压信号与传感器同相位；当压电传感器贴于弯曲振动结构基体面板的上表面时，阻尼控制系统发出的电压信号与传感器反相位，这样使得高分子阻尼材料层获得较大剪切变形，从而提高整个结构的阻尼。反之，当控制信号的幅值和相位使压电作动器层变形接近于传感器的变形且方向相同时，使得高分子阻尼材料层获得最小剪切变形，从而降低整个结构的阻尼。所以通过调整测量原件与控制信号的相位以及控制信号的幅值，可以实现阻尼大小的智能化控制。
所述传感器为压电式传感器，采用压电式传感器对机械装置的振动状态信息如加速度、振幅、频率等反馈给阻尼控制系统以实现阻尼的智能控制，具有灵敏度高、体积小、重量轻、动态特性好、频响快等特点。
本发明的工作原理：对于压电材料，当沿着一定方向受到作用力时，不但产生机械变形，而且内部极化，表面有电荷出现，当去掉外力后，又可以恢复到原来不带电的状态，这种现象称为压电效应。相反，若在这些材料的极化方向上施加电场，电场使极化强度增强，也就是使压电材料内正负束缚电荷之间的距离增大，它会因受电场力而产生机械变形，即在该方向上伸长或缩短，当去掉外加电场后，变形会随之消失，这种现象称为逆压电效应。由于压电材料的逆压电效应，其应变与通电电压成正比。当对压电作动器层通电时，会在其两端产生电场，通过控制通电电压，改变电场强度，使压电作动器层相应的伸长或缩短，并带动阻尼材料层一起伸长或缩短，因为阻尼材料层应变改变，会导致其阻尼大小也随之改变，即通过控制压电作动器层的伸缩来控制阻尼材料层的剪切应变大小，从而实现阻尼大小的可控性，达到控制阻尼大小的目的。
本发明的有益效果：
1.本发明将现代控制理论、计算机技术和压电材料技术相结合，在机械结构振动时，自发地改变结构阻尼，使其振动较快地衰减下来，实现对机械结构振动的智能化主动控制，减少机械系统因振动引起的损坏，保持设备的精度，延长设备的使用寿命，并抑制结构对环境产生的噪声污染、保证操作人员的身心健康，而且实用性强、可靠性高，经济性好；
2.采用压电式传感器对机械装置的振动状态信息实时监测，实现阻尼的智能控制，具有灵敏度高、体积小、重量轻、动态特性好、频响快的特点；
3.采用NI-PCI4472板卡及Lab VIEW声音及振动工具包模块进行高精度的测量，能够快速采集、分析并记录振动数据，完全满足机械结构阻尼大小智能化控制系统对振动状态信息的采集要求；
4.采用压电聚合物聚偏氟乙烯作为压电作动器层材料，具有较高的灵敏度和频率响应特性，通过调整测量元件与控制信号的相位以及控制信号的幅值，实现阻尼大小的智能化控制；
5.采用氯化丁基橡胶等高分子阻尼材料作为减振材料，能防止或减轻机械振动对设备的破坏。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的原理图；
图3为本发明的控制系统图；
图4当结构表面压缩变形时，阻尼减小的原理图；
图5当结构表面压缩变形时，阻尼增大的原理图；
图6当结构表面伸长变形时，阻尼减小的原理图；
图7当结构表面伸长变形时，阻尼增大的原理图；
图8为F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法结构图。
图中：1.压电作动器层，2.阻尼材料层，3.振动结构基体，4.振动传感器，5.安装有LabVIEW的计算机，6.NI-PCI4472板卡。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
一种机械结构阻尼大小智能化控制系统，结合图1至图8，包括压电作动器层1、阻尼材料层2、振动传感器4和阻尼控制系统，所述阻尼材料层2的下部与振动结构基体3连接、上部与压电作动器层1连接，振动传感器4与振动结构基体3下表面或上表面连接，阻尼控制系统主要包括计算机、NI-PCI4472板卡6、DAQ板卡、电荷放大器、功率放大器等，其中振动传感器4通过电荷放大器与NI-PCI4472板卡6连接，NI-PCI4472板卡6通过DAQ板卡、功率放大器与压电作动器层1连接。计算机采用安装有Lab VIEW的计算机。
所述振动传感器4为压电式传感器。
所述阻尼控制系统硬件采用NI控制系统，软件为阻尼控制算法模块；所述阻尼控制算法模块采用F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块。所述F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块包括结构特征模块C、滤波器参数模块W、比较器模块、LMS模块、第一控制通道特征模块H1、第二控制通道特征模块H2，其中结构特征模块C与比较器模块连接，滤波器参数模块W通过第一控制通道特征模块H1与比较器模块连接，比较器模块与LMS模块连接，第二控制通道特征模块H2与LMS模块连接，LMS模块与滤波器参数模块W连接，具体见图8，其中结构特征模块C是振动结构基体矩阵，滤波器参数模块W为自适应滤波器。F-XLMS自适应滤波算法利用振动传感器提取振动源的信号作为参考信号X，X分为两路，前者经结构特征模块C后得到信号d(n),d(n)与第一控制通道特征模块H1的信号经比较器处理后得到e(n)；后者经第二控制通道特征模块H2后与e(n)共同作为LMS算法的输入信号，经过滤波器参数模块W后得到二次控制信号y(n),y(n)再通过第一控制通道特征模块H1处理后，得到控制系统输出信号。本发明中F-XLMS算法分为两种情况，一种是增大阻尼的F-XLMS算法，另一种是减少阻尼的反F-XLMS算法。前者是，当压电传感器贴于振动结构基体的下表面时，使阻尼控制系统发出的电压信号与传感器同相位，当压电传感器贴于振动结构基体的上表面时，使阻尼控制系统发出的电压信号与传感器反相位，同时让控制电压的幅值增加，压电作动器层变形幅值也就增加，阻尼材料层获得较大剪切变形，从而提高整个结构的阻尼；后者与前者相反，控制电压信号的幅值与相位，使压电作动器层变形接近于基体结构的变形，使得阻尼材料层获得最小剪切变形，从而降低整个结构的阻尼。
NI控制系统采用NI-PCI4472板卡，高精度频域测量的8通道动态信号采集卡，适用于振动传感器的信号采集。压电式传感器通过电荷放大器与NI-PCI4472板卡连接，NI-PCI4472板卡通过DAQ板卡、功率放大器与压电作动器层连接。
F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块，对于由支撑基础引起的强迫振动，当激振频率小于1.41倍的结构固有频率时，采用增大阻尼的F-XLMS算法，可以有效地控制结构振动；当激振频率大于1.41倍的结构固有频率时，采用减少阻尼的F-XLMS算法。以满足不同振动的要求：对于由支撑基础引起的强迫振动，当结构发生共振时，增加阻尼能大大降低结构的振幅；而在高频激励下，增加阻尼反而会使其振幅有所增加。当进行阻尼增大控制时，控制器控制作动器使阻尼材料层发生较大应变，而且应变越大越好；当进行阻尼减小控制时，控制器控制作动器使阻尼材料层发生较小应变，而且应变越小越好。
所述阻尼材料层采用氯化丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶。采用氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯化丁基橡胶等高分子阻尼材料作为减振材料，能防止或减轻机械振动对设备的破坏。氯化丁基橡胶阻尼材料，因丁基橡胶分子链上带有许多甲基，弹性滞后较大，所以具有优越的阻尼性能，而且丁基橡胶氯化后，反应性和粘合性能明显提高。阻尼材料层贴在振动结构基体表面，压电作动器层则贴在阻尼材料层上方。
所述压电作动器层采用压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）作为压电材料。这种材料具有较高的压电常数和机电耦合系数，因此具有较高的灵敏度和频率响应特性。该压电作动器层贴于阻尼材料层之上，压电作动器层的上下两侧通过导线分别连接到功率放大器上，阻尼控制系统发出控制信号，经功率放大器，对压电作动器层施加电场，压电材料发生逆压电效应，带动阻尼材料层一起伸长或缩短，使其发生剪切变形。当压电传感器贴于弯曲振动结构基体面板的下表面时，阻尼控制系统发出的电压信号与传感器同相位；当压电传感器贴于弯曲振动结构基体面板的上表面时，阻尼控制系统发出的电压信号与传感器反相位，这样使得高分子阻尼材料层获得较大剪切变形，从而提高整个结构的阻尼。反之，当控制信号的幅值使电压层变形接近于传感器的变形且方向相同时，使得高分子阻尼材料层获得最小剪切变形，从而降低整个结构的阻尼。所以通过调整测量原件与控制信号的相位以及控制信号的幅值，可以实现阻尼大小的智能化控制。
本发明的工作原理：对于压电材料，当沿着一定方向受到作用力时，不但产生机械变形，而且内部极化，表面有电荷出现，当去掉外力后，又可以恢复到原来不带电的状态，这种现象称为压电效应。相反，若在这些材料的极化方向上施加电场，电场使极化强度增强，也就是使压电材料内正负束缚电荷之间的距离增大，它会因受电场力而产生机械变形，即在该方向上伸长或缩短，当去掉外加电场后，变形会随之消失，这种现象称为逆压电效应。由于压电材料的逆压电效应，其应变与通电电压成正比。当对压电作动器层通电时，会在其两端产生电场，通过控制通电电压，改变电场强度，使压电作动器层相应的伸长或缩短，并带动阻尼材料层一起伸长或缩短，因为阻尼材料层应变改变，会导致其阻尼大小也随之改变，即通过控制压电作动器层的伸缩来控制阻尼材料层的剪切应变大小，从而实现阻尼大小的可控性，达到控制阻尼大小的目的。
当压电式传感器贴于弯曲振动结构基体下表面时，阻尼控制系统发出的电压信号与传感器同相位，并且控制信号的幅值越大效果越好；当压电式传感器贴于弯曲振动结构基体上表面时，阻尼控制系统发出的电压信号与传感器反相位，同样控制信号的幅值越大效果越好，这样使得高分子阻尼材料层获得较大剪切变形，从而提高整个结构的阻尼。反之，当控制信号的幅值使电压层变形接近于传感器的变形且方向一致时，使得高分子阻尼材料层获得最小剪切变形，从而降低整个结构的阻尼。所以，通过调整测量原件与控制信号的相位以及控制信号的幅值，可以实现阻尼大小的智能化控制。
本装置压电作动器层极化方向为厚度方向，变形方向为长度方向，当压电作动器层上侧接电源正极，下侧接负极，即通正向电压，压电作动器层伸长；反之，当压电作动器层上侧接电源负极，下侧接正极，即通反向电压，压电作动器层收缩。
当振动基体发生收缩变形时，若压电作动器层通反向电压，阻尼材料层在压电作动器层带动下，与振动结构基体同方向收缩，则阻尼材料层获得较小剪切变形，此时为减小阻尼情况，见图4；若压电作动器层通正向电压，阻尼材料层在压电作动器层带动下，与振动结构基体反方向伸长，则阻尼材料层获得较大剪切变形，此时为增大阻尼情况，见图5。
当振动结构基体发生伸长变形时，若压电作动器层通正向电压，阻尼材料层在压电作动器层带动下，与振动结构基体同方向伸长，则阻尼材料层获得较小剪切变形，此时为减小阻尼情况，见图6；若压电作动器层通反向电压，阻尼材料层在压电作动器层带动下，与振动结构基体反方向收缩，则阻尼材料层获得较大剪切变形，此时为增大阻尼情况，见图7。
本发明利用上述原理，当基体结构振动时，阻尼控制系统利用F-XLMS自适应滤波算法对作动器层进行控制，实现本装置阻尼大小的可控性，机械结构阻尼大小智能化控制系统的结构见图1，机械结构阻尼大小智能化控制系统的原理如图2所示，机械结构阻尼大小智能化控制系统如图3所示，机械结构阻尼大小智能化控制系统的阻尼变化原理见图4、5、6、7，采用F-XLMS自适应滤波算法框图见图8。
当机械系统运转状态发生改变或环境变化时，引起系统结构振动状况发生变化，当振动传感器检测到的振动状态超出系统的振动设定值时，传感器将振动状态信息转化为电信号，经过电荷放大器，分为两路，一路作为反馈信号，经NI-PCI4472板卡送至DAQ板卡，另一路传送到阻尼控制系统的计算机，该计算机将测量值与控制目标值进行比较，并根据控制算法做出相应的处理信息，然后向功率放大器发出控制信号，通过功率放大器放大输出电压，从而使加载在压电作动器层上的电压大小改变，由于压电材料的逆压电效应，压电作动器层长度发生改变，并带动阻尼材料层一起伸缩，达到控制阻尼大小的目的。振动传感器将振动状态信息反馈给阻尼控制系统的这一过程，实现了阻尼的闭环控制。这样，便实现了整个机械结构阻尼大小的智能化控制。
本系统采用F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法，就是系统根据输出信号与期望值之差，求出相应的控制修正量并对随后的输入信号进行修正，使系统的输出逐步趋于期望值。自适应滤波前馈主动控制算法可以不断调节自身参数使系统的输出自动跟踪振动信号，使复杂多变的外界环境干扰能够得到及时抑制，并且其运算量小，实现过程主要是迭代运算，这有利于编程实现其功能，减轻阻尼控制系统计算机的负担。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述系统包括阻尼材料层、压电作动器层、振动传感器和阻尼控制系统，所述阻尼材料层的下部与振动结构基体连接、上部与压电作动器层连接，振动传感器与振动结构基体下表面或上表面连接，阻尼控制系统主要包括计算机、NI-PCI 4472板卡、DAQ板卡、电荷放大器、功率放大器，其中振动传感器通过电荷放大器与NI-PCI 4472板卡连接，NI-PCI 4472板卡通过DAQ板卡、功率放大器与压电作动器层连接；
当机械系统运转状态发生改变或环境变化时，引起系统结构振动状况发生变化，当振动传感器检测到的振动状态超出系统的振动设定值时，传感器将振动状态信息转化为电信号，经过电荷放大器，分为两路，一路作为反馈信号，经NI-PCI4472板卡送至DAQ板卡，另一路传送到阻尼控制系统的计算机，该计算机将测量值与控制目标值进行比较，并根据控制算法做出相应的处理信息，然后向功率放大器发出控制信号，通过功率放大器放大输出电压，从而使加载在压电作动器层上的电压大小改变，由于压电材料的逆压电效应，压电作动器层长度发生改变，并带动阻尼材料层一起伸缩，达到控制阻尼大小的目的。
2.如权利要求1所述的机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述阻尼材料层采用氯化丁基橡胶、或氯丁橡胶、或丁腈橡胶。
3.如权利要求1所述的机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述压电作动器层采用压电聚合物聚偏氟乙烯作为压电材料。
4.如权利要求1所述的机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述振动传感器为压电式传感器。
5.如权利要求1所述的机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述阻尼控制系统采用阻尼控制算法模块，所述阻尼控制算法模块采用F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块，所述F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块包括结构特征模块、滤波器模块、比较器模块、LMS模块即最小均方算法模块、第一控制通道特征模块、第二控制通道特征模块，其中结构特征模块与比较器模块连接，滤波器模块通过第一控制通道特征模块与比较器模块连接，比较器模块与LMS模块连接，第二控制通道特征模块与LMS模块连接，LMS模块与滤波器模块连接。
6.如权利要求5所述的机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述NI-PCI 4472板卡与Lab VIEW声音及振动工具包模块连接。
7.如权利要求6所述的机械结构阻尼大小智能化控制系统，其特征是，所述F-XLMS自适应滤波前馈主动控制算法模块，对于由支撑基础引起的强迫振动，当激振频率小于1.41倍的结构固有频率时，采用增大阻尼的F-XLMS算法即滤波最小均方算法；当激振频率大于1.41倍的结构固有频率时，采用减少阻尼的F-XLMS算法。
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