结构主动控制中的超磁致系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种结构主动控制中的超磁致系统，包括超磁致驱动系统和在其驱动下动作的被控结构，驱动系统包括的控制器和驱动器，超磁致系统还包括检测驱动器的输出力并转换为力传感信号的力传感器、检测被控结构产生的位移并转换为位移传感信号的位移传感器，力传感器的输出反馈连接至驱动器，位移传感器的输出分别反馈至控制器和反馈连接至驱动器，超磁致驱动系统还包括对控制器所输出的控制信号在加载时出现的偏差进行补偿的补偿器，补偿器的输入与控制器相连接，补偿器的输出与驱动器相连接。本超磁致系统实现了考虑多个环节复杂交互作用并进行一体整合衔接，可以进一步提高整个超磁致驱动控制系统的精度，进一步提高控制效果。
【专利说明】结构主动控制中的超磁致系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种应用于结构主动控制中的由超磁致驱动系统和被控结构共同构 成的超磁致系统。
【背景技术】
[0002] 伴随着结构振动控制技术的快速发展，结构控制的精度成为结构振动控制发展的 瓶颈，尤其对于微振动，对结构控制的精度有更高的要求。通常提高控制的精度往往是通过 提高驱动震动的驱动器本身的精度，整个系统复杂的交互作用往往被忽略，而这些动力因 素往往制约着控制精度，使得理论控制精度与实际控制精度有偏差。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种应用于结构主动控制中，考虑了整个系统内的复杂交互 作用、而将由驱动系统和被控结构构成的超磁致系统进行一体整合衔接的超磁致系统。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是： 一种结构主动控制中的超磁致系统，包括超磁致驱动系统和与所述的超磁致驱动系统 相连接并在其驱动下动作的被控结构，所述的驱动系统包括发出控制信号的控制器和在所 述的控制信号的控制下驱动所述的被控结构动作的驱动器，所述的超磁致系统还包括检测 所述的驱动器的输出力并转换为力传感信号的力传感器、检测所述的被控结构在所述的超 磁致驱动系统的驱动下产生的位移并转换为位移传感信号的位移传感器，所述的力传感器 的输出经过力信号微分转化回路反馈连接至所述的驱动器，所述的位移传感器的输出分别 反馈至所述的控制器和经过位移信号微分转化回路反馈连接至所述的驱动器，所述的超磁 致驱动系统还包括对所述的控制器所输出的控制信号在加载时出现的偏差进行补偿的补 偿器，所述的补偿器的输入与所述的控制器相连接，所述的补偿器的输出与所述的驱动器 相连接。
[0005] 所述的位移传感信号反馈连接至所述的补偿器。
[0006] 所述的力信号微分转化回路包括与所述的力传感器相连接的第一微分器、与所述 的第一微分器相连接的第一增益电路，所述的第一增益电路的输出与所述的驱动器相连 接；所述的位移信号微分转化回路包括与所述的位于传感器相连接的第二微分器、与所述 的第二微分器相连接的第二增益电路，所述的第二增益电路的输出与所述的驱动器相连 接。
[0007] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的超磁致 系统实现了考虑多个环节复杂交互作用，对整个系统的各部件动力耦合模型进行一体整合 衔接，使得理论模型的建立，与控制系统实际模型更为接近，可以进一步提高整个超磁致驱 动控制系统的精度，而控制精度的提高将会进一步提高控制效果。在微驱动控制系统中具 有显著的经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 附图1为超磁致伸缩作动器的结构示意图。
[0009] 附图2为超磁致系统的驱动器的力电磁模型流程图。
[0010] 附图3为考虑被控结构与驱动器之间的相互影响的超磁致系统的模型流程图。
[0011] 附图4为本发明的超磁致系统的模型图。
[0012] 以上附图中：1、外壳；2、超磁致伸缩棒；3、导杆；4、预紧螺栓；5、碟簧；6、垫片；7、 冷却通道；8、外壳侧壁；9、上端盖；10、下端盖；11、线圈。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
[0014] 实施例一：结构主动控制中采用的超磁致系统通常包括超磁致驱动系统和被控结 构两部分。超磁致驱动系统包括控制器和驱动器，其用于根据控制器发出的指令对震动的 结构（也就是被控结构）进行驱动控制。驱动器为超磁致伸缩作动器，其结构示意如附图1 所示。该超磁致伸缩作动器包括外壳1、设置于外壳1中的线圈11、设置于线圈11间的超 磁致伸缩棒2、与超磁致伸缩棒2相连接并伸出外壳1的导杆3。外壳1又由外壳侧壁8和 其两端的上端盖9、下端盖10构成。导杆3通过预紧螺栓4与外壳1相连接，且在预紧螺栓 4的底部的导杆3处安装有碟簧5。超磁致伸缩棒2与外壳1间设置有垫片6。外壳1以及 其中形成有冷却通道7。控制器发出控制电压信号作为指令并输出给驱动器，驱动器则在控 制电压信号的控制下驱动被控结构，使其震动减轻或减少。驱动器的力电磁模型基于附图1 所示的超磁致伸缩作动器建立，如附图2所示，其中，?/为控制电压信号，7?为线圈电阻，i为 输入线圈的电流(单位为A)，#为线圈的总匝数，为磁动势(单位为A)，兄为线圈的磁路 磁阻(单位为Γ 1)，心为磁与力转换增益，Φ为线圈的磁通量(单位为Vs)，该磁通量忽略涡 流效应对磁动势的影响，为驱动器输出的作用力。驱动器输入由控制器输出的控制电压信 号并通过线圈电阻将其转变得到电流信号，在线圈的作用下产生磁场，在该磁场的作用下， 超磁致伸缩棒2通过伸长或者缩短而产生作用力。通过线圈对超磁致伸缩棒2施加磁场， 无论磁场正负，超磁致伸缩棒2都将从原始位置伸长，如果不对超磁致伸缩棒2施加一个初 始的偏置磁场，该超磁致伸缩棒2将出现倍频现象。常用的施加偏置磁场的方法有三种：结 构设计中设置永磁铁、偏置线圈，或施加偏置电流。设置永磁铁和偏置线圈不便于调节且使 得结构复杂。通入偏置电流可以达到同样的施加初始的偏置磁场的效果，并且构造简单，便 于调节。因此驱动器的结构设计中不再设置永磁铁和偏置线圈。
[0015] 超磁致伸缩作动器与结构之间的动力耦合设计，需考虑超磁致伸缩作动器内部的 力电磁模型与结构动力之间的相互影响及其耦合模型而建立，驱动器内部的力电磁模型应 与驱动器型号匹配，驱动器的磁滞已由该型号驱动器内部补偿环节补偿，在这里不再考虑， 仅考虑该驱动器的输出信号对被控结构的作用影响以及被控结构反过来对驱动器输出端 的作用，进而影响其内部的力电磁来建立整体闭环耦合模型。所建立的系统模型如附图3 所示。
[0016] 附图3中所示的超磁致系统，其包括超磁致驱动系统和被控结构，超磁致驱动系 统又包括控制器和驱动器。在此基础上，增加两个传感器，分别为：检测驱动器的输出力并 转换为力传感信号并输出的力传感器、检测检测被控结构在超磁致驱动系统的驱动下产生 的位移并转换为位移传感信号输出的位移传感器。力传感器所所输出的力传感信号和位移 传感器所输出的位移传感信号均反馈给驱动器，以此来使得驱动器所输出的作用力综合考 虑了被控结构与其之间的相互影响，以达到提高控制精度的目的。具体的，力传感器的输出 经过第一增益电路的增益后转化为对应的电压信号而反馈作用于驱动器。位移传感器的输 出经过第二增益电路的增以后转化为对应的电压信号而反馈作用于驱动器。
[0017] 附图3中，U为控制器输出的控制电压信号，z为被控结构在作用力F的作用下产 生的位移，《为第一微分器，为第二微分器，A为第一增益电路的增益系数，（为第二增 益电路的增益系数，以上第一增益电路的增益系数心、第二增益电路的增益系数A可以根 据所需设计相应的算法获得。
[0018] 然而，控制器所输出的控制信号作用于驱动器上时会产生偏差，且外部的干扰会 通过外部结构而作用于被控结构。为了克服该偏差，进一步对上述超磁致系统做出改进。改 进后的超磁致系统如附图4所示，其不仅包括由控制器和驱动器构成的超磁致驱动系统、 被控结构、力传感器和位移传感器，其还包括对控制器所输出的控制信号在加载时出现的 偏差进行补偿的补偿器，补偿器的输入与控制器的输出相连接，补偿器的输出与驱动器相 连接，且位移传感信号反馈也连接至补偿器。控制器发出控制电压信号后，通过该补偿器来 实时地修正控制电压信号值，对控制电压信号由于驱动器的动力影响所导致的在其加载是 出现的偏差进行补偿。另外，力传感器的输出经过力信号微分转化回路反馈连接至驱动器。 力信号微分转化回路上设置有与力传感器相连接的第一微分器、与第一微分器相连接的第 一增益电路，第一增益电路的输出连接至驱动器。在该力信号微分转化回路中，作用于被控 结构上的作用力经过微分以及增益转化为对应的电压信号而反馈作用于驱动器。位移传感 器的输出分别反馈至控制器和经过位移信号微分转化回路反馈连接至驱动器。位移信号微 分转化回路上设置有与位移传感器相连接的第二微分器、与第二微分器相连接的第二增益 电路，第二增益电路的输出连接至驱动器。在该位移信号微分转化回路中，被控结构产生的 位移经过微分以及增益转化为对应的电压信号而反馈作用于驱动器。
[0019] 附图4中，《为力信号微分转化回路上设置的第一微分器，&为位移信号微分转化 回路上设置的第二微分器。
[0020] 附图4中所示的超磁致系统，被控结构的状态信号(包括力传感信号和位移传感 信号）反馈给驱动系统的控制器，控制器根据反馈信号计算控制信号，控制信号经过考虑 驱动器动力的补偿器进行补偿，经过补偿的控制信号再输出给驱动器作为驱动器的控制信 号，同时被控结构的状态信号也经过传感器返回驱动器进行整体控制。整体控制环节考虑 了各部件之间的复杂交互作用，实现了一体化整合衔接，从而提高整个超磁致驱动控制系 统的精度。
[0021] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种结构主动控制中的超磁致系统，包括超磁致驱动系统和与所述的超磁致驱动系 统相连接并在其驱动下动作的被控结构，所述的驱动系统包括发出控制信号的控制器和在 所述的控制信号的控制下驱动所述的被控结构动作的驱动器，其特征在于：所述的超磁致 系统还包括检测所述的驱动器的输出力并转换为力传感信号的力传感器、检测所述的被控 结构在所述的超磁致驱动系统的驱动下产生的位移并转换为位移传感信号的位移传感器， 所述的力传感器的输出经过力信号微分转化回路反馈连接至所述的驱动器，所述的位移传 感器的输出分别反馈至所述的控制器和经过位移信号微分转化回路反馈连接至所述的驱 动器，所述的超磁致驱动系统还包括对所述的控制器所输出的控制信号在加载时出现的偏 差进行补偿的补偿器，所述的补偿器的输入与所述的控制器相连接，所述的补偿器的输出 与所述的驱动器相连接。
2. 根据权利要求1所述的结构主动控制中的超磁致系统，其特征在于：所述的位移传 感信号反馈连接至所述的补偿器。
3. 根据权利要求1或2所述的结构主动控制中的超磁致系统，其特征在于：所述的力 信号微分转化回路包括与所述的力传感器相连接的第一微分器、与所述的第一微分器相连 接的第一增益电路，所述的第一增益电路的输出与所述的驱动器相连接；所述的位移信号 微分转化回路包括与所述的位于传感器相连接的第二微分器、与所述的第二微分器相连接 的第二增益电路，所述的第二增益电路的输出与所述的驱动器相连接。
【文档编号】H02N2/06GK104092404SQ201410334679
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】刘洁, 刘红军, 董晓马, 刘洪波, 贾燕, 潘春风 申请人:郑州航空工业管理学院, 哈尔滨工业大学深圳研究生院