基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置及方法

本发明涉及振动控制，具体涉及一种基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置及方法。

背景技术：

1、振动控制对高端装备的正常平稳运行具有非常重要的意义，在众多重要的工业领域都有着非常广泛的应用，比如汽车、航空航天、船舶舰艇以及精密制造等。在这些高端装备运行过程中，往往承受大量来自于外部环境或者内部动力装置的有害振动激励，这对高端装备的整体性能起到了非常不利的影响。在汽车领域，有害振动会严重影响了人体乘坐的舒适性；在航空航天领域，发动机的有害振动会影响关键部件的正常运行；在船舶舰艇领域，发动机的有害振动会导致位置信息容易被暴露；在精密制造领域，有害振动会影响产品制造的精度。因此，有必要开发高性能振动控制方法来抑制有害振动。

2、传统的隔振方法是采用线性弹簧-阻尼结构，然而，根据振动力学理论，这种线性方法只有当激励频率大于倍固有频率时才能起到隔振效果。若要获得更宽的隔振频带，降低起始隔振频率，则需要通过增大负载质量或者降低系统刚度来降低固有频率。但是，系统负载质量一般不可改变，而降低系统刚度则会导致静支撑能力不足，容易使隔振结构失效。为了克服此问题，非线性隔振技术受到了非常广泛的研究，准零刚度隔振技术就是其中一种，通过将正刚度元件与负刚度元件并联，进而实现在靠近平衡位置具有低动刚度，而在远离平衡位置具有高静刚度，保证了系统具有低固有频率和高支撑能力。

3、由于电磁力具有无接触、可调节以及响应快等优点，被广泛用于提供负刚度。基于电磁力具有电流可调节的特点，其可以适用于不同负载质量的隔振环境。将电磁负刚度与弹性正刚度元件并联能够实现电磁准零刚度系统；此外，电磁力可以通过电磁铁-电磁铁或者电磁铁-永磁铁之间的相互作用产生。

4、随着装备服役条件越来越苛刻，性能需求增长也越来越高，隔振器需要承受的振动激励也越来越大；然而，在大激励幅值振动条件下，这种电磁非线性隔振器容易失效，这是由于非线性特征的存在，导致在大激励条件下隔振器容易产生分岔和跳变等失稳现象，因而导致隔振器的性能恶化。为了避免这种非线性现象导致的隔振性能恶化，中国专利(申请号：cn202011589226.1)公开了一种具有主动负刚度的磁悬浮式准零刚度电磁隔振器，实时测量负刚度机构的位移状态，在控制器和驱动器的配合下，实现实时线性负刚度，避免了多稳态现象，防止隔振器在工作过程中出现跳跃等复杂的动力学现象。然而，针对大幅值激励条件下的非线性隔振控制方法还没有解决。对于非线性隔振器，当振动激励幅值增大到一定程度时，隔振器就会产生多解现象，这些多解都属于稳定平衡解，会根据初始条件以及外部干扰的情况出现。这些稳定平衡解通常包括高能轨道和低能轨道；在高能轨道上，隔振器的响应幅值通常会比较大，对隔振性能会起到非常不利的影响；而在低能轨道上，隔振器的响应幅值会比较小，能起到隔振效果。为了保证隔振器的性能，在大幅值激励振动条件下也需要保证非线性隔振器始终保持在低能轨道。因此，如何将电磁非线性隔振器从高能轨道控制到低能轨道成为了一个非常关键的问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置及方法，实现电磁非线性隔振器从高能轨道变化到低能轨道，实现在低能轨道上的隔振。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置，包括电磁非线性隔振器，电磁非线性隔振器通过传感器1和信号采集单元的输入端连接，信号采集单元的输出端和控制单元的输入端连接，控制单元的输出端通过执行单元和电磁非线性隔振器连接。

4、所述的电磁非线性隔振器包括和传感器1连接的负载2，负载2连接在轴3上；轴3通过滑动轴承4连接在支撑架5上，支撑架5内部的轴3中部连接有内部电磁铁6，内部电磁铁6和支撑架5内部固定的外部电磁铁7配合，内部电磁铁6两端的轴3上套设有弹簧8，弹簧8两端连接在内部电磁铁6、支撑架5上，内部电磁铁6、外部电磁铁7和执行单元的输出端连接。

5、所述弹簧8产生弹力用于提供正刚度，内部电磁铁6和外部电磁铁7产生电磁力用于提供负刚度，通过将正刚度弹力和负刚度电磁力组合，就能得到准零刚度隔振系统；电磁非线性隔振器能够通过外界电流调节电磁力，进而调节准零刚度隔振系统的非线性刚度。

6、所述传感器1用于实时监测电磁非线性隔振器的运动轨迹，包括是加速度、速度或者位移。

7、所述控制单元进行控制操作，用于对比电磁非线性隔振器的实时轨迹与低能轨道轨迹，进而通过滑模控制算法计算出实时控制信号。

8、所述执行单元受控制单元控制，接受控制单元的控制信号，进而实时控制电磁非线性隔振器的电流大小。

9、利用所述一种基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置的控制方法，包括：

10、首先，在给定环境激励幅值和频率的条件下，测量负载2处于低能轨道的轨迹，将其存入控制单元作为期望轨迹；

11、其次，通过传感器1实时监测电磁非线性隔振器的轨迹信号，如果电磁非线性隔振器一直处于低能轨道，则无需对其进行控制；一旦电磁非线性隔振器受到干扰处于高能轨道时，控制单元开始进行滑模控制；在控制过程中，电磁非线性隔振器的轨迹信号会与期望轨迹进行对比，并通过滑模控制算法实时对执行单元发送控制信号，使执行单元调节电流，进而使电磁非线性隔振器的轨迹信号不断追踪期望轨迹；

12、最终，通过滑模控制能够使电磁非线性隔振器从高能轨道变化到低能轨道，此时滑模控制结束，准零刚度隔振系统将稳定在低能轨道，实现隔振效果；此外，一旦被隔振对象再次受到干扰出现高能轨道变化，就会重新触发滑模控制过程。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、由于本发明采用滑模控制算法控制电流，进而调节电磁力，所以具有使电磁非线性隔振器从高能轨道变化到低能轨道的优点，进而将电磁非线性隔振器稳定在低能轨道，实现稳定的隔振效果。

技术特征：

1.一种基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置，包括电磁非线性隔振器，其特征在于：电磁非线性隔振器通过传感器(1)和信号采集单元的输入端连接，信号采集单元的输出端和控制单元的输入端连接，控制单元的输出端通过执行单元和电磁非线性隔振器连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁非线性隔振器包括和传感器(1)连接的负载(2)，负载(2)连接在轴(3)上；轴(3)通过滑动轴承(4)连接在支撑架(5)上，支撑架(5)内部的轴(3)中部连接有内部电磁铁(6)，内部电磁铁(6)和支撑架(5)内部固定的外部电磁铁(7)配合，内部电磁铁(6)两端的轴(3)上套设有弹簧(8)，弹簧(8)两端连接在内部电磁铁(6)、支撑架(5)上，内部电磁铁(6)、外部电磁铁(7)和执行单元的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述弹簧(8)产生弹力用于提供正刚度，内部电磁铁(6)和外部电磁铁(7)产生电磁力用于提供负刚度，通过将正刚度弹力和负刚度电磁力组合，就能得到准零刚度隔振系统；电磁非线性隔振器能够通过外界电流调节电磁力，进而调节准零刚度隔振系统的非线性刚度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述传感器(1)用于实时监测电磁非线性隔振器的运动轨迹，包括是加速度、速度或者位移。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制单元进行控制操作，用于对比电磁非线性隔振器的实时轨迹与低能轨道轨迹，进而通过滑模控制算法计算出实时控制信号。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述执行单元受控制单元控制，接受控制单元的控制信号，进而实时控制电磁非线性隔振器的电流大小。

7.利用权利要求3所述装置的控制方法，其特征在于，包括：

技术总结
一种基于电流调节的电磁非线性滑模主动振动控制装置及方法，包括电磁非线性隔振器，电磁非线性隔振器通过传感器和信号采集单元连接，信号采集单元和控制单元连接，控制单元通过执行单元和电磁非线性隔振器连接；在给定环境激励幅值和频率的条件下，测量负载处于低能轨道的轨迹，存入控制单元作为期望轨迹；然后通过传感器实时监测电磁非线性隔振器的轨迹信号，电磁非线性隔振器一直处于低能轨道，则无需对其控制；一旦电磁非线性隔振器受到干扰处于高能轨道时，控制单元开始进行滑模控制；最终通过滑模控制能够使电磁非线性隔振器从高能轨道变化到低能轨道，准零刚度隔振系统将稳定在低能轨道，实现隔振效果；本发明实现在低能轨道上的隔振。

技术研发人员：曹军义,张颖,刘清华,雷亚国,王杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15