一种自适应颗粒阻尼吸振器及其控制方法与流程

本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及一种自适应颗粒阻尼吸振器及其控制方法。

背景技术：

振动广泛存在于机械设备、土木结构、航天器等系统中，振动不但影响系统的使用性能，而且会导致零部件的永久性损坏，从而对人类的安全、环境等造成威胁。因此，振动控制技术一直是工程领域的研究热点。非阻塞性颗粒阻尼(Non-Obstructive Particle Damping简称NOPD)技术是一种相对较新的振动控制技术，其是将颗粒阻尼填充到振动结构的空腔或者附加容器内，当结构产生振动时，通过阻尼颗粒之间或者颗粒与容器壁之间的碰撞、摩擦将振动能量转化为热能，从而控制结构振动。例如，中国专利号2013102045784中所发明的密封型颗粒阻尼器，该阻尼器利用阻尼性颗粒的碰撞、剪切变形、摩擦来消耗振动能量，从而达到抑制结构振动的目的。为了改善颗粒阻尼的减振性能，中国发明专利(专利号：ZL201010018341.3)受动力吸振器原理的启发，提供了一种颗粒阻尼吸振器装置，该装置能够克服颗粒阻尼在被控对象振动加速度幅值小于重力加速度情况下减振性能失效的缺点，但是这种颗粒阻尼吸振器属于被动控制装置，其不能根据外界激励的变化调整自身参数，这无疑限制了其减振能力，如图1所示。为了进一步提高颗粒阻尼与动力吸振器技术联合对结构体抑振的能力，有必要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种自适应颗粒阻尼吸振器及其控制方法，不但能够在单频激励下，实现自适应动力吸振器的减振性能，而且在多频激励下，实现颗粒阻尼吸振器的自适应控制能力，从而提高其对结构振动的抑制能力。

本发明通过以下技术方案实现：

一种自适应颗粒阻尼吸振器，其特征在于：所述吸振器包括信号采集单元、执行单元以及控制单元；

所述信号采集单元包括安装于激励源上用于测量激励信号的振动传感器A(6)、安装于铁磁性端盖(8)上用于测量铁磁性腔体(7)振动加速度的加速度传感器(3)、安装于结构体上用于测量结构体振动量的振动传感器B(12)，数据采集仪(5)的输入端分别与振动传感器A(6)、振动传感器B(12)以及加速度传感器(3)的信号输出端相连接，数据采集仪(5)的信号输出端与控制单元(4)相连接；

所述执行单元包括设置于结构体上的刚度可变单元(1)和设置于刚度可变单元(1)上的颗粒阻尼可变单元(2)；颗粒阻尼可变单元(2)上包括铁磁性腔体(7)、用于密封铁磁性腔体(7)的铁磁性端盖(8)、绕在铁磁性腔体(7)上带有漆包线的电磁线圈(9)、以及装在铁磁性腔体(7)内的铁磁性阻尼颗粒(10)；

所述控制单元(4)为PC终端，加速度传感器(3)、振动传感器A(6)、振动传感器B(12)的数据信号经数据采集仪(5)与控制单元(4)的输入端连接，控制单元(4)的输出端分别与刚度可变单元(1)和颗粒阻尼可变单元(2)相连接。

本发明进一步技术改进方案是：

所述振动传感器A(6)、振动传感器B(12)为位移传感器、或为速度传感器、或为加速度传感器。

本发明进一步技术改进方案是：

所述刚度可变单元(1)为机械式刚度可变单元、或为磁流变弹性体刚度可变单元、或为空气弹簧刚度可变单元。

本发明进一步技术改进方案是：

所述铁磁性腔体(7)一端设置有铁磁性端盖(8)，铁磁性腔体(7)横截面形状为圆形、或为矩形。

本发明进一步技术改进方案是：

所述铁磁性腔体(7)、铁磁性端盖(8)以及铁磁性阻尼颗粒(10)均由钢、或为铁、或为镍、或为钴的高导磁性材料制成。

本发明通过以下技术方案实现：

一种自适应颗粒阻尼吸振器控制方法，其特征在于：所述控制方法首先利用快速傅里叶变换技术计算激励振动信号的频率响应函数，判断结构体所受外界激振频率的类型为单频、或为多频，然后根据激振频率类型将控制方法分两种情况进行控制，分别叙述如下：

第一种情况激励频率为单频激励，控制方法包括以下步骤：

步骤一、记录激励频率ω，根据激励频率的大小调整吸振器刚度可变单元(1)的可变刚度k₂，使可变刚度k₂等于吸振器调谐时的刚度k_v，k_v按公式(1)变化，k_v＝ω²·(m_c+m_p)，(1)

式中ω为激励频率，m_c为铁磁性腔体(7)、铁磁性端盖(8)和电磁线圈(9)的质量，m_p为铁磁性阻尼颗粒(10)的质量；

步骤二、利用快速傅里叶变换技术分析吸振器可变刚度改变后的铁磁性腔体(7)加速度传感器(3)的加速度信号；

步骤三、判断铁磁性腔体(7)的加速度幅值是否大于一个重力加速度；

步骤四、如果铁磁性腔体(7)加速度幅值大于一个重力加速度，则控制单元(4)向电磁线圈导线(11)通电，电磁线圈(9)产生电磁场，铁磁性阻尼颗粒(10)在电磁场的作用下吸附在铁磁性腔体(7)上，否则控制单元(4)控制电磁线圈导线(11)断电；

步骤五、重新利用快速傅里叶变换计算激励频率响应函数，重复步骤一到步骤四；

可变刚度k₂在其可变范围内可以实时追随外界激振频率ω的变化而变化，从而使吸振器始终处于调谐状态，实现其最优减振性能；

第二种情况激励频率为多频激励，控制方法包括以下步骤：

步骤六、控制单元(4)切断电磁线圈(9)的电流；

步骤七、分析激励信号的频率响应函数，找出多频激励中的最大振幅A_max及其对应的频率ω_m；

步骤八、利用激励信号与最佳刚度k_g的关系，计算步骤七A_max和ω_m所对应的吸振器最佳刚度k_g，激励信号与最佳刚度k_g的关系是通过实验拟合所得，具体为：首先在电磁线圈(9)不通电情况下，求出不同激振信号，即激励信号的幅值和频率，所对应最佳刚度k_g值，刚度k_g值为该激励信号下使结构体振动量最小的刚度值，结构体振动量通过安装在其上的振动传感器B(12)测量，然后利用数据拟合方法拟合出激励信号与最佳刚度k_g的关系；

步骤九、根据步骤八计算的最佳刚度k_g值，控制单元(4)调整吸振器刚度k₂等于最佳刚度k_g，使吸振器处于较理想的减振状态；

步骤十、重新利用快速傅里叶变换计算激励频率响应函数，重复步骤六到步骤九。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

1、本发明吸振器的自适应包括两个方面，一方面是指颗粒阻尼可以根据外界激励的类型和铁磁性腔体的振动加速度自适应改变，另一方面是指吸振器刚度可以根据外界激励频率和幅值自适应改变；由于该装置的自适应包含两个方面，因此本发明专利可以根据外界激振的类型实时调节颗粒阻尼吸振器参数，使其处于较理想的减振状态。

2、本发明由刚度可变单元、阻尼可变单元、信号采集仪、两个振动传感器、以及控制单元组成，控制单元根据两个传感器的振动信号实时对吸振器刚度和颗粒阻尼进行调节，本发明结构简单，容易实现。

3、本发明减振效果明显，通过对吸振器刚度和颗粒阻尼的两个参数调节，可以使得颗粒阻尼吸振器在各种激励频率下均能达到较好减振状态。

4、本发明通过对吸振器刚度和颗粒阻尼的两个参数调节，颗粒阻尼能够有效控制吸振器刚度调节不当时造成的结构共振。

5、本发明颗粒阻尼的控制响应速度快，颗粒阻尼可变单元采用电磁线圈控制颗粒阻尼是否产生，控制响应速度快。

6、本发明耗能少，在控制过程中，只需提供改变电磁线圈的电流以及刚度可变单元的驱动电流，大幅降低了主动控制所需的能量。

7、本发明吸振器的控制方法，该方法根据激励频率的类型、大小、振动幅值，以及铁磁性腔体的振动加速度，调节可变刚度的大小和颗粒阻尼周围的磁场，可以对各种激励情况实施有效减振，控制方法容易实现，并且鲁棒性能好。

附图说明

图1为传统被动式颗粒阻尼吸振器装置原理图；

图2为本发明自适应颗粒阻尼吸振器装置原理图；

图3为本发明自适应颗粒阻尼吸振器装置原理图；

图4为本发明颗粒阻尼可变单元结构示意图；

图5为激励频率为单频时自适应颗粒阻尼动力吸振器的控制方法流程图；

图6为激励频率为多频时自适应颗粒阻尼动力吸振器的控制方法流程图；

图7为自适应颗粒阻尼动力吸振器的控制方法总流程图。

具体实施方式

如图2至7所示，本发明吸振器包括信号采集单元、执行单元以及控制单元4；所述信号采集单元包括安装于激励源上用于测量激励信号的振动传感器A6、安装于结构体上用于测量结构体振动量的振动传感器B12、安装于铁磁性端盖8上用于测量铁磁性腔体7振动加速度的加速度传感器3以及数据采集仪5，数据采集仪5的输入端分别与振动传感器A6、振动传感器B12和加速度传感器3的信号输出端相连接，数据采集仪5的信号输出端与控制单元4相连接；所述执行单元包括设置于结构体上的刚度可变单元1和设置于刚度可变单元1上的颗粒阻尼可变单元2；颗粒阻尼可变单元2上包括铁磁性腔体7、用于密封铁磁性腔体7的铁磁性端盖8、绕在铁磁性腔体7上带有漆包线的电磁线圈9、以及装在铁磁性腔体7内的铁磁性阻尼颗粒10；所述控制单元4为PC终端，加速度传感器3、振动传感器A6、振动传感器B12的数据信号经数据采集仪5与控制单元4的输入端连接，控制单元4的输出端分别与刚度可变单元1和颗粒阻尼可变单元2相连接。

所述振动传感器A6、振动传感器B12为位移传感器、或为速度传感器、或为加速度传感器；所述刚度可变单元1为机械式刚度可变单元、或为磁流变弹性体刚度可变单元、或为空气弹簧刚度可变单元；所述密封铁磁性腔体7一端设置有铁磁性端盖8，铁磁性腔体7横截面形状为圆形、或为矩形；所述铁磁性腔体7、铁磁性端盖8以及铁磁性阻尼颗粒10均由钢、或为铁、或为镍、或为钴的高导磁性材料制成。

本发明利用振动传感器6、振动传感器B12和加速度传感器3采集激励源和铁磁性腔体7的振动信号，并将振动信号传输给数据采集仪5，振动信号经数据采集仪5处理后传输给控制单元4，控制单元4对传输来的振动信号进行快速傅里叶变换进行计算，得出振动信号的频率响应函数曲线，分析振动信号的频率类型(单频还是多频)、大小、最大振动幅值和其对应的频率值，并依据以上数据控制刚度可变单元1的刚度，以及电磁线圈9的电流(用于控制颗粒阻尼)。经过上述对吸振器刚度和颗粒阻尼的调节，以实现对激励信号的追踪，从而在各种激励环境下均能达到较理想的减振效果。

根据激振频率类型将控制方法分两种情况进行控制，分别叙述如下：

第一种情况激励频率为单频激励，控制方法包括以下步骤：

步骤一、记录激励频率ω，根据激励频率的大小调整吸振器刚度可变单元1的可变刚度k₂，使可变刚度k₂等于吸振器调谐时的刚度k_v，k_v按公式(1)变化，k_v＝ω²·(m_c+m_p)，(1)

式中ω为激励频率，m_c为铁磁性腔体(7)、铁磁性端盖(8)和电磁线圈(9)的质量，m_p为铁磁性阻尼颗粒(10)的质量；

步骤二、利用快速傅里叶变换技术分析吸振器可变刚度改变后的铁磁性腔体7加速度传感器3的加速度信号；

步骤三、判断铁磁性腔体7的加速度幅值是否大于一个重力加速度；

步骤四、如果铁磁性腔体7加速度幅值大于一个重力加速度，则控制单元4向电磁线圈导线11通电，电磁线圈9产生电磁场，铁磁性阻尼颗粒10在电磁场的作用下吸附在铁磁性腔体7上，否则控制单元4控制电磁线圈导线(11)断电；

步骤五、重新利用快速傅里叶变换计算激励频率响应函数，重复步骤一到步骤四；

可变刚度k₂在其可变范围内可以实时追随外界激振频率ω的变化而变化，从而使吸振器始终处于调谐状态，实现其最优减振性能；

第二种情况激励频率为多频激励，控制方法包括以下步骤：

步骤六、控制单元4切断电磁线圈9的电流；

步骤七、分析激励信号的频率响应函数，找出多频激励中的最大振幅A_max及其对应的频率ω_m；

步骤八、利用激励信号与最佳刚度k_g的关系，计算步骤七A_max和ω_m所对应的吸振器最佳刚度k_g，激励信号与最佳刚度k_g的关系是通过实验拟合所得，具体为：首先在电磁线圈9不通电情况下，求出不同激振信号，即激励信号的幅值和频率，所对应最佳刚度k_g值，刚度k_g值为该激励信号下使结构体振动量最小的刚度值，结构体振动量通过安装在其上的振动传感器B12测量，然后利用数据拟合方法拟合出激励信号与最佳刚度k_g的关系；

步骤九、根据步骤八计算的最佳刚度k_g值，控制单元4调整吸振器刚度k₂等于最佳刚度k_g，使吸振器处于较理想的减振状态；

步骤十、重新利用快速傅里叶变换计算激励频率响应函数，重复步骤六到步骤九。

在多频激励时，本发明装置采用自适应动力吸振技术和颗粒阻尼技术联合控制结构体振动，以实现自适应颗粒阻尼吸振器的最佳控制效果；图6为激励频率为多频时自适应颗粒阻尼动力吸振器的控制方法流程图。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。