一种刚度阻尼及惯性力可控的隔振系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械力的控制及其控制方法领域，尤其是应用动力吸振的力控制设备 领域。本发明涉及一种隔振系统及其控制方法，尤其涉及一种刚度阻尼及惯性力可控的隔 振系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 机械设备在工作过程中会不可避免的产生振动，机器高速运作的振动问题是一个 比较突出且难以解决的问题，对于结构复杂的设备而言，仅依靠优化设计是不能解决振动 问题的，因此，隔振装置是一个不可缺少的机械设备，隔振装置可用于诸多领域，例如被用 于车辆、建筑物、桥梁等领域的隔振。基于传统隔振理论的隔振装置不能解决隔振效果的优 异性与设备工作空间、动载荷之间的矛盾，隔振效果不理想，阻碍了隔振技术研究的进展， 而依据机电相似理论，将机械系统之中的力流与电学系统中的电流、机械系统中的速度与 电学系统中的电压分别对应起来;弹簧两端点的力相位滞后于两端点的速度相位，阻尼设 备两端点的力相位与两端点的速度相位始终相同，力控制设备两端点的力相位超前于两端 点的速度相位。据此，在现有弹簧阻尼二元件结构的基础上增加了惯性设备，即可实现既能 够缓冲并衰减高频振动与冲击，也能够缓冲并衰减低频振动与冲击的动力吸振式隔振结 构。
[0003] 空气弹簧是一种在柔性密闭容器中加入压缩空气、利用空气的体积压力进行工作 的非线性弹性元件，并且兼有隔振、缓冲及作动等多种功能，空气弹簧主要由橡胶气囊，上 盖板和下盖板组成，上下盖板与橡胶气囊之间保持气密，可以实现弹簧刚度的主动改变，其 减振性能相比于传统弹性元件具有极大的优越性。
[0004] 磁流变阻尼器利用电磁效应，以来自监测设备运动传感器的输入信息为基础，对 路况和驾驶环境做出实时响应。磁流变液体(MR液体)是一种磁性软粒悬浮液，当液体被注 入阻尼器活塞内的电磁线圈后，线圈的磁场将改变其流变特性(或产生流体阻力），从而在 没有机电控制阀、且机械装置简单的情形下，产生反应迅速、可控性强的阻尼力。磁流变阻 尼器有着阻尼力可调倍数高、易于实现计算机变阻尼实时控制、结构紧凑以及外部输入能 量小等特点，日益受到工程界的高度重视。
[0005] 目前的隔振设备控制方法大多仅涉及多种参数中的一个变量，这限制了隔振设备 发挥其最大的减振效果，设备无法在任一瞬时均为参数最佳匹配状态，特别是设备在振动 输入频率是变化的情况之下，减振效果将更加的不理想。而现实生活之中，大多数的振动都 是非单一频率的振动，往往涉及多种频率的复杂振动。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提出了一种刚度阻尼及惯性力都可 控的隔振装置及其控制方法，实现了刚度、阻尼以及惯性力的主动可控，可以极大的优化现 有隔振设备的性能。
[0007] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0008] -种刚度阻尼及惯性力可控的隔振系统，包括隔振装置与控制模块；
[0009] 所述隔振装置中，包括空气弹簧、惯性力发生器、磁流变式阻尼器;所述惯性力发 生器置于空气弹簧中；
[0010] 所述空气弹簧与磁流变式阻尼器并联;所述空气弹簧一端与振动机械设备相连 接，空气弹簧另一端与固定物相连接;所述磁流变式阻尼器一端与振动机械设备相连接，磁 流变式阻尼器另一端与固定物相连接；
[0011] 所述空气弹簧包括空气弹簧本体与空气弹簧底座;所述空气弹簧底座置于空气弹 簧本体下端中心且空气弹簧本体与空气弹簧底座为可拆卸密封连接；
[0012] 所述惯性力发生器包括惯性力发生器缸筒与质量式齿条活塞杆;所述惯性力发生 器缸筒具有弹性;所述惯性力发生器缸筒置于空气弹簧本体内部，且沿空气弹簧本体轴线 左右对称;惯性力发生器缸筒底部固定于空气弹簧底座上；质量式齿条活塞杆轴向一端置 于惯性力发生器缸筒内部;质量式齿条活塞杆轴向另一端置于空气弹簧底座内并与对称固 定在空气弹簧底座竖直圆柱面上的电机/发电机输出轴上齿轮相啮合；
[0013] 所述控制模块中，包括信息采集模块、计算机模块及隔振设备控制模块;所述信息 采集模块包括各类传感器;所述采集模块输出端与AD转换相连接;AD转换与计算机模块输 入相连接;计算机模块输出与隔振设备控制模块相连接；
[0014] 所述信息采集模块用于收集将传感器采集到的数据信号;并将采集到的数据信号 经AD转换传输给计算机模块；
[0015] 所述计算机模块将经AD转换后的信息采集模块采集到的数据进行分析处理，从而 输出控制指令给隔振设备控制模块；
[0016] 所述隔振设备控制模块将接收到的控制指令用于控制空气弹簧、惯性力发生器与 磁流变式阻尼器的参数，从而实现对隔振设备工作参数的实时控制。
[0017] 进一步的，所述惯性力发生器缸筒材质为橡胶。
[0018] 进一步的，所述信息采集模块为路况探测模块、计算机模块为电子控制单元 (ECU)、隔振设备控制模块为悬架控制模块；
[0019] 所述路况探测模块包括车速传感器、加速度传感器、方向盘转角传感器;悬架控制 模块包括弹簧调节器、阻尼力调节器和惯性力调节器；
[0020] 所述路况探测模块将车速传感器、加速度传感器、方向盘转角传感器检测到车辆 行驶信息的信号经AD转换传输给电子控制单元(ECU)，电子控制单元(ECU)发出控制指令， 从而控制空气弹簧、惯性力发生器与磁流变式阻尼器的工作，然后空气弹簧、惯性力发生器 与磁流变式阻尼器的工作状况反馈给电子控制单元(ECU)，从而实现对工况的控制。
[0021] -种刚度阻尼及惯性力可控的隔振系统的控制方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤1)信号采集模块对力学信号、位移、速度、加速度等信号参数进行采集记录， 并经AD转换器转换为数字信号输入到计算机模块；
[0023] 步骤2)计算机模块对所采集的数据进行一系列处理之后，根据用户的隔振需求给 出最佳的控制策略；
[0024] 步骤3)若对于隔振要求很高，则计算机模块通过计算给出最佳参数后发送至隔振 设备控制模块，实现实时调节空气弹簧、惯性力发生器、磁流变式阻尼器的参数，使其一直 保持在最佳的隔振状态，此时信号采集模块继续工作，将采取控制策略后的隔振表现效果 反馈至计算机模块，计算机模块根据反馈情况对控制策略进行修正，使得系统能够稳定、精 确;若用户对于设备隔振要求不高，计算机模块将会将隔振装置调节至能量回收状态，隔振 装置将振动所产生的能量转化为电能存储于超级电容中，当需要使用超级电容中的能量 时，可通过可控硅调节电路通断将超级电容中的能量用于给各类传感器和电气设备供电。
[0025] 磁流变阻尼器为一内部充有磁流变液体(MR液体)的液压阻尼器，阻尼器内设有电 学线圈，当线圈内的电流增大，阻尼器内磁场就会增强，，磁流变液的粘性变大，磁流变液流 过节流孔的阻力随之增大，使得阻尼器输出的阻尼力增大，反之，电流减小，阻尼力也减小。 因此通过对输入电流的调节，即可控制阻尼器阻尼力的大小。
[0026] 信号采集模块主要包含各类传感器，采集振动源的特性，并且将数据传输到计算 机中，计算机对数据进行处理，进而发送指令到隔振设备控制模块，调节隔振设备各参数， 使其达到最佳的隔振效果。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的隔振装置示意图；
[0028]图2为本发明弹性力及惯性力发生器的工程示意图；
[0029] 图3为本发明电机/发电机作动以及能量回收控制电路；
[0030] 图4为本发明的控制系统原理图；
[0031 ]图5为本发明应用于车辆悬架领域的控制系统框图；
[0032] 附图标记如下：
[0033] 1-空气弹簧;2-惯性力发生器;3-磁流变式阻尼器;4-振动机械设备;5-固定物;6、 空气弹簧本体;7-惯性力发生器缸筒;8-质量式齿条活塞杆;9-电机/发电机；10-空气弹簧 底座;11-信号采集模块;12-计算机模块;13-隔振设备控制模块。
[0034] 有益效果：
[0035] 1.本发明所述空气弹簧提供可控弹性力，所述惯性力发生器提供可控惯性力，所 述磁流变阻尼器提供可控阻尼力，本发明实现实时调整三个隔振参数，使振动的负面效果 降到最低，机械设备能够保持在最佳状态运行，显著提高振动设备的精度以及使用寿命。
[0036] 2.实现了刚度、阻尼以及惯性力的主动可控，可以极大的优化现有隔振设备的性 能。
[0037] 3.基于该装置的控制方法，通过信号采集和计算机模块处理从而实现对机械设备 隔振的实时监控，从而发出