准零刚度隔振系统及其非线性反馈控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隔振技术领域，设及一种准零刚度隔振系统及其非线性反馈控制方 法。
【背景技术】
[0002] 由线性隔振理论可知，只有当外界激励频率大于系统固有频率的VI倍时，线性隔 振系统才有隔振效果，为了提高线性隔振系统的隔振频带，可减小线性隔振系统的刚度，但 会使线性隔振系统的承载能力降低，而准零刚度隔振系统能够克服线性隔振系统中存在的 降低固有频率与提高承载力之间的矛盾。但由此带来的问题是，由于准零刚度隔振系统为 非线性隔振方式，随着激励幅值的增加，准零刚度隔振系统在共振峰处的幅值增大，在共振 频率处会发生跳跃现象。虽然增大线性阻尼会抑制运些不良现象的发生，但会使隔振系统 的高频传递特性变差；线性及非线性隔振系统的主动控制策略主要是采用线性速度及线性 位移反馈控制方法，运些控制策略虽然能使力传递率及位移传递率共振峰处的幅值降低且 会抑制跳跃现象的产生，但也会使隔振系统的高频传递特性变差，线性反馈控制策略也难 W解决运个问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种准零刚度隔振系统及其非线性 反馈控制方法，能够在克服线性隔振器中存在的降低固有频率与提高承载力之间矛盾的基 础上，使隔振系统的高频传递特性得到有效改善。
[0004] 为解决上述现有技术的技术问题，本发明采用W下技术方案。
[0005] 本发明的一种准零刚度隔振系统，包括被隔振物体，准零刚度隔振器，设置于被隔 振物体下方的阻尼器，所述的准零刚度隔振器包括有弹黃减振机构，其特征在于：还包括：
[0006] 一个设置在所述的被隔振物体上的速度传感器，用于采集被隔振物体的速度反馈 信号；
[0007] -个控制器，其输入端与所述的速度传感器的输出端相联接，用于控制输入的速 度信号，并将输入的速度信号转化为力信号，力信号与速度信号的=次方成正比；
[0008] -个执行器，其输入端与所述的控制器的输出端相联接，用于将输入的力信号作 用于被隔振物体上，从而实现对准零刚度隔振系统的非线性反馈控制。由于作用于被隔振 物体上的力与被隔振物体的速度=次方成正比，所W该非线性反馈控制方法又可称为立方 速度非线性反馈控制方法。
[0009] 进一步地，所述的准零刚度隔振器的弹黃减振机构包括两个水平弹黃、垂直弹黃 和基座；所述的垂直弹黃安装在被隔振物体与底面基座之间，水平弹黃安装在被隔振物体 与垂直基座之间，底面基座与垂直基座构成一整体基座。
[0010] 进一步地，所述的执行器为伺服电机，设置于被隔振物体与垂直基座之间。
[0011] 进一步地，在所述的被隔振物体与垂直基座之间，所述的阻尼器位于被隔振物体 的正中下方，所述的垂直弹黃和所述的执行器分别位于所述的阻尼器的一侧。
[0012] 进一步地，被隔振物体与垂直基座之间的两个水平弹黃的参数相同。
[0013] 本发明的一种准零刚度隔振系统的非线性反馈控制方法，其特征在于：通过一个 设置在所述的被隔振物体上的速度传感器采集被隔振物体的速度反馈信号；通过一个控制 器，其输入端与所述的速度传感器的输出端相联接，控制输入的速度信号，并将输入的速度 信号转化为力信号；通过一个执行器，其输入端与所述的控制器的输出端相联接，将输入的 力信号作用于被隔振物体上，从而实现对准零刚度隔振系统的非线性反馈控制。
[0014] 所述的准零刚度隔振系统的非线性反馈控制方法，包括W下步骤：
[0015] 步骤1、确定所述的执行器作用于被隔振物体上的控制输出力厂C3为反 馈增益，为被隔振物体的速度。
[0016] 步骤2、结合所述的执行器作用于被隔振物体上的控制输出力Fm，确定准零刚度隔 振系统的动力学运动方程；利用非线性近似解析法确定准零刚度隔振系统的主共振响应、 1/3亚谐共振响应；分析控制输出力Fm对其主共振幅频特性、1/3亚谐共振幅频特性及1/3 亚谐共振存在区域的影响；定义力传递率评价准零刚度隔振系统的隔振性能，分析控制输 出力Fm对其隔振性能的影响，从而实现对准零刚度隔振系统的非线性反馈控制，同时完成 对准零刚度隔振系统隔振性能的评价。
[0017] 与现有技术相比，本发明的优点和有益效果包括：
[0018] 本发明所述的准零刚度隔振系统及其非线性反馈控制方法，能解决现有技术的被 动隔振系统及线性反馈控制即线性速度及线性位移反馈控制方法中存在的抑制共振峰值 及改善高频传递特性运对矛盾；采用本发明所述的结构及方法，准零刚度隔振系统主共振 峰处的幅值及亚谐共振存在区域逐渐减小，力传递率共振峰处的幅值降低且高频传递特性 得到有效改善。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的准零刚度隔振系统一个实施例的结构图。
[0020] 图2为图1所示的准零刚度隔振系统的无量纲力-位移曲线。
[0021] 图3为图1所示的准零刚度隔振系统的无量纲刚度-位移曲线。
[0022] 图4为图1所示的准零刚度隔振系统的主共振幅频特性曲线。
[0023] 图5为图1所示的准零刚度隔振系统的1/3亚谐共振存在区域。
[0024] 图6为图1所示的准零刚度隔振系统的1/3亚谐共振幅频特性曲线。
[00巧]图7为无非线性反馈控制下的准零刚度隔振系统的力传递率曲线。
[0026]图8为采用本发明所述的非线性反馈控制下的准零刚度隔振系统力传递率曲线。
[0027] 其中，1被隔振物体，2水平弹黃，3垂直弹黃，4阻尼器，5速度传感器，6非线性控 制器，7执行器，80基座，81底面基座，82垂直基座。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0029] 现结合图1说明本发明的准零刚度隔振系统的工作原理。该准零刚度隔振系统的 具体结构包括：被隔振物体（1)，准零刚度隔振器，阻尼器（4)，速度传感器巧），非线性控制 器（6)和执行器（7)，执行器（7)安装在被隔振物体（1)与底面基座（81)之间。准零刚度 隔振器为=弹黃结构式，包括：水平弹黃（2)和垂直弹黃（3)，垂直弹黃（3)安装在被隔振 物体（1)与底面基座（81)之间，水平弹黃（2)安装在被隔振物体（1)与垂直基座（82)之 间，底面基座（81)与垂直基座（82)构成一整体基座（80)。垂直弹黃作为正刚度弹性元件 用于承受主要载荷并提供正刚度，水平弹黃为负刚度调节机构用于抵消垂直弹黃的刚度， 使准零刚度隔振系统在静平衡位置处的刚度趋于零，准零刚度隔振系统具有高的静刚度和 低的动刚度，高的静刚度使隔振系统的承载能力提高，静态位移减小；低的动刚度使系统的 固有频率降低，获得比线性隔振系统更宽的隔振频带。本发明所述的准零刚度隔振系统的 非线性反馈控制的实现方式为：速度传感器（5)用于采集被隔振物体（1)的速度信号；非 线性控制器（6)用于控制输入的速度信号，并将输入的速度信号转化为力信号，力信号与 速度信号的=次方成正比；执行器（7)为伺服电机，用于将输入的力信号作用于被隔振物 体（1)上，从而实现对准零刚度隔振系统的一种主动控制也即非线性反馈控制。
[0030] 图1所示位置为准零刚度隔振系统受载后，系统达到静平衡状态。垂直弹黃与水 平弹黃刚度分别为Ky，Kh;水平弹黃初始长度为1。;水平弹黃在准零刚度隔振系统达到静平 衡状态时的长度为1;x为被隔振物体m从静态平衡位置开始时的位移；线性阻尼器的阻尼 系数为C;系统受到垂向简谐力激励Fccos(wt)。反馈信号为速度信号i:，通过非线性 控制器和执行器，实现对准零刚度隔振系统的非线性反馈控制。
[0031] 准零刚度隔振系统的非线性反馈控制方法，具体包括W下几个步骤：
[0032] 步骤1、确定所述的执行器作用于被隔振物体上的控制输出力/"", =Ci-SC3为反 馈增益，为被隔振物体的速度。由于作用于被隔振物体（1)上的力与被隔振物体（1)的 速度=次方成正比，所W本发明所述的准零刚度隔振系统的非线性反馈控制方法又可称为 立方速度反馈控制方法。
[0033] 步骤2、结合所述的执行器作用于被隔振物体上的控制输出力Fm，确定准零刚度隔 振系统的动力学运动方程；利用非线性近似解析法确定准零刚度隔振系统的主共振响应、 1/3亚谐共振响应；分析控制输出力Fm对其主共振幅频特性、1/3亚谐共振幅频特性及1/3 亚谐共振存在区域的影响；定义力传递率评价准零刚度隔振系统的隔振性能，分析控制输 出力Fm对其隔振性能的影响，从而实现对准零刚度隔振系统的非线性反馈控制，同时完成 对准零刚度隔振系统隔振性能的评价。
[0034] 准零刚度隔振系统的力-位移与刚度-位移特性可表示为
[003引
化)
[0036] 将准零刚度隔系统的力与刚度表示为无量纲形式
[0037]
(2；
[003引其中i= .\'/.\-、，厂=厂/'(A：,..y, ) ,' / = //7(,.，：二欠/ 欠.V、二(/(: -/^)-为被隔振 物体的静态位移量。
[0039] 若准零刚度隔振系统在静态平衡位置