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主动悬置模型
主动悬置结构如图 5 所示 , 所采用的压电作动器 输出最大位移为 30 m 、 最大输出力为 11 kN, 为满足
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机
械
强
度
2007 年
[ ( 0. 14 m g + m e ) s + 0. 14c b s + 0. 14 k b ] [ m a s + ( c a + cb ) s + k a + k b ] + 0. 14( c b s + k b ) C(S) = FT( S ) = Fu ( S)
图3 空载时压电作动器电压与输出位移关系曲线 ( 虚线 ) 和 极间电荷与输出位移关系曲线 ( 实线 ) Fig. 3 The dashed l ine is displacement as a function of volt age and t he solid line is displacement as a funct ion of charge f or a f ree act uator
Journal of Mechanical Strength 研究简报
2007, 29( 3) : 496~ 500
周期性机械振动主动控制算法
ALGORITHM OF ACTIVE CONTROL FOR PERIODIC MECHANICAL VIBRATIONS
孙国春
1, 2
田彦涛
2
何丽蒙
3
( 1. 空军航空大学 计算机教研室 , 长春 130022) ( 2. 吉林大学 通信工程学院, 长春 130025) ( 3. 秦皇岛市高级技工学校, 秦皇岛 066000) SUN GuoChun
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引言
有普遍意义。 目前 , 机械设备隔振的方法很多, 如采用双层隔振 的方法降低机械设备振动向基础或环境的传递 , 是 一种应用广泛且较实用的方法, 但这种方法对于低频 振动 , 特别是对双层隔振装置自身固有频率附近的振 动, 难以进行有效隔离。加装被动悬置是一种传统的 隔振方法 , 此方法由于悬置刚度和阻尼参数固定, 因此 仅对机械设备某一频率附近振动隔离效果较明显。
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主动悬置是在原被动悬置基础上加主动力装置, 设计者可根据预期目的 , 通过这个主动力装置和预定 的控制策略改变悬置特性 , 以获取较好的隔振效果。 K. Aoki 等 在液阻悬置上加装电磁作动器 , 设计 了针对柴油发动机隔振主动悬置, 采用自适应控制策 [ 3] 略, 明显改善了车箱内的轰鸣声。T akao Ushijima 等 采用压电作动器 , 利用位移放大机构, 针对怠速工况设 计的主动悬置, 对怠速工况下大幅振动的隔振取得明 显效果。 本文讨论在橡胶悬置基础上加装压电作动器, 利 用位移放大机构 , 使主动悬置满足对大幅振动的隔振 要求。文中采用同步滤波 X LMS( 最小均方算法, least mean square) 自适应控制方法对系统进行仿真试验。
[1]
近代机器结构正向大功率、 高速度和轻型化方向 发展 , 振动问题越来越突出。振动会引起噪声污染 , 影 响机器设备的功能, 降低机械加工的精度, 加剧构件的 疲劳和损坏, 缩短机器的使用寿命 , 机器振动还消耗能 量, 降低机器效率等。周期性机械振动是工程中较普 遍的振动现象, 研究此类振动特性与振动控制问题 , 具
1, 2
Tian YanTao
2
He LiMeng
3
( 1. Department of Computer , A ir Force Aviation University , Changchun 130022, China ) ( 2. College of Communication Engineering , Jilin University , Changchun 130025, China ) ( 3. The Senior Technical School of Qinhuangdao City , Qinhuangdao 066000, China )
1. 空载 图1 厚型压电作动器结构 图2 压电堆简化力学模型 Simple mechani cal model of mult ilayer piezo actuator 图4 1. Free di splacement
2. 与位移成比例负载
3. 恒定负载
2. Displacement w it h proportional counter force
[ 2]
一般大幅振动隔离的需要, 通过位移放大机构对作动 器位移输出进行放大 , 位移放大机构由不可压缩液体 和大、 小活塞组成, 压电作动器通过大活塞对液体施 压, 液体推动小活塞 , 与振动机械连接的小活塞的位移 按大小活塞 面积比例 增加。 这里大小 活塞面积 比是 7. 2 1, 因此小活塞最大输出位 移是 0. 216 mm 。 压电 作动器和位移放大机构由橡胶主簧支撑。
2
压电作动器特性分析
压电作动器以其体积小、 应力大、 精度和分辨率高 以及频响快和容易控制等优点, 越来越多地被应用到 振动控制领域。本文采用的压电堆作动器是由堆叠在 一起的多片薄型压电陶瓷片基于力学上串联、 电学上 并联的形式而组成( 见图 1) 。压电堆作动器简化的力 学模型如图 2 所示。 其中 m eff 是压电堆等效质量, 大约 为压电堆实际质量的三分之一 , k b 和 c b 分别是压电堆 的等效刚度和阻尼系数, F u 是压电堆产生的内力。
பைடு நூலகம்
Fig. 4 The curves of displacement in two restraint cases and t he free case
主动悬置系统力学模型如图 6 所示 , 其中 m e 为机 器设备质量, m g 为大活塞及压电作动器等效质量 , m a 为橡胶主簧与压电堆作动器间中间质量 , a 为小活塞 面积 , b 为大活塞面积 , k a 为橡胶主簧刚度系数, c a 为 橡胶主簧阻尼系数, k b 为作动器等效刚度系数, c b 为 作动器等效阻尼系数 ; x e 、 x g、 x a 分别为各质量的位移。 在采取电荷反馈控制方法消除和补偿输出迟滞环后, 忽略其非线性特性, 输入电压和输出力之间可看成线 性关系, 列出系统运动方程 m e! x e = F - Fa
Fig. 1 The st ruct ure of multil ayer Fig. 2 piezo actuat or
3. Displacement wit h const ant load 不同负载下的电压与输出位移的关系曲线
在空载情况下 , 施以压电堆的电压与输出位移的 关系曲线如图 3 所示 , 迟滞现象给实际控制带来麻烦。 但因压电堆极间电荷与位移的关系曲线几乎不存在迟 滞环 , 因此可以采取电荷反馈控制方法来消除和补偿 [ 4] 迟滞环 。 压电堆在施以恒定负载时的输出特性曲线与空载 时几乎一样, 但负载力与位移成比例改变时, 特性曲线 [ 5] 有所改变 , 如图 4 所示。
20050528 收到初稿 , 20051020 收到修改稿。 孙国春 , 男, 1963 年 1 月生 , 河北省昌黎县人 , 汉族。空军航空大学飞行基础训练基地基础部计算机教研室教授 , 吉林大学在职博士研究生 , 主 要研究方向为振动主动控制。
第 29 卷第 3 期
孙国春等 : 周期性机械振动主动控制算法
摘要 为提高周期性机械装置的隔振性能 , 减少其对 底座( 或地面 ) 及周围环境的影响 , 采用由弹性橡 胶和压电堆 作
动器 组成的主动悬置 ( active control mount, ACM ) 。针对压电堆作动器输出位 移较小的 情况 , 设计液压位 移放大机构 。通 过对 压电作动器和橡胶主簧性能的分析 , 建立由主动悬置 构成的隔振系统的力学模型。周期性机械振动系统 , 其周期 振 动信号可用作控制同步信号 , 因此控制系统 采用基于同步滤波 X LMS( least mean square) 算法的自适应控制 策略 , 传 递到 机座 的残余力作为误差信号 , 实现对周期性机械振动系统 的主动控制。计算机仿真实验结果表明 , 采用这 种主动悬置 和 同步 滤波 X LMS 算法的主动控制系统 , 相对于采用普通橡胶悬置 的被动系统 , 明显减少 了对底座的 力传递 , 减振效果 明 显。 关键词 Abstract 压电堆作动器 隔振 主动悬置 同步滤波 X LMS( least mean square) 算法 中图分类号 TP273 In order to improve the property of periodic mechanical vibration isolation, reduce its influence to the fundament( floor) and environment from periodic mechanical vibrations, adopt an active control mount( ACM) which consists of elastic rubber and piezo electr ic stack actuator in the system. A hydraulic mechanism is used in the ACM to achieve higher displacements. Through the analysis of the property of the rubber and piezoelectric stack actuator, a mechanical model of the active vibration isolation system with the active mount is established. For a periodic mechanical vibration system, the vibration pulse of machinery can be availed to control synchroniza tion signal for active system, thus choose an adaptive control strategy based on the synchronized filtered X LMS ( least mean square) al gorithm to control the system. The residual force transmitted to the fundament through the mount detected as an error signal, then achie ved active control to periodic mechanical vibration system through the ACM . Simulation shows the active system has a better consequence in reducing the transmitted force significantly with respect to the ACM and the adaptive control than that in the passive system. Key words Piezoelectric stack actuator; Vibration isolation; Active control mount; Synchronized filter X LMS ( least mean square) algorithm Corresponding author : SU N GuoChun , E mail : smz @ public . cc . j l . cn , Tel : + 86 431 6956247, Fax : + 86 431 8921791 Manuscript received 20050528, in revised form 20051020.