基于能量分析的吸振与隔振综合最优控制研究

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该文结合所承担的山东省科技厅科技计划项目"柔性复杂系统动力吸振器研究"和山东省教育厅计划项目"柔性机械系统振动功率流的综合最优控制",将功率流控制原理应用于动力吸振器的优化设计问题中,建立多个吸振器多模态控制的动力学模型.在子结构导纳分析基础上,引入系统的修正结构导纳矩阵和等价结构导纳矩阵,给出了振源输入的总功率流,注入主振系的净功率流和吸振器吸收的功率流的计算方法,揭示了系统功率流的分布和传递特性.深入系统地研究了多个并联或分散布置的小质量吸振器的单模态控制和多个吸振器的多模态控制的优化设计方法与振动控制效果,给出了吸振器优化参数的匹配关系,探讨了振源特性和主结构参数对系统功率流特性的影响,对于大型实际工程结构的吸振设计具有指导意义.该课题综合应用隔振和吸振技术,建立了柔性复杂系统的振动和噪声综合控制模型,分析了复杂激励下综合控制系统各环节的功率流传递特性和系统内部振能的分布规律,揭示了基础柔性、隔振和吸振对系统功率流的影响.提出了复杂激励下综合控制系统分级优化设计方法,即:首先优化设计主隔振系统的结构参数,使机器隔振系统的固有频率向低频率域积聚,避免在中高频域域柔性基础的某阶模态发生动力耦合,以改善主振系的功率流传递特性;然后,在某一频段内,优化设计吸振器的结构和位置参数,使其有效地吸收或转移的振动能量,降低主振系的净功率流危险峰值.最后该文研究设计了一种固有频率可在线调整的主动电磁式动力吸振器.利用动力学和电磁学理论,导出了电磁弹簧的形成原理并推导出了其核心控制律的数学表达式.应用控制论知识,对该电磁弹簧的实现进行了系统的理论分析,并结合计算机软件仿真,讨论了系统控制参数和吸振器结构参数对电磁弹簧性能的影响以及改进方法.给出了时域内电磁弹簧刚度值对激励力频率的动态响应特性,设计了实现该电磁弹簧的结构框图.该电磁弹簧的刚度是可控的,以其为核心,设计了电磁式动力吸振器,该动力吸振器能够调节其固有频率与作用在主质量上的激励力频率保持一致,从而达到接近理想的动力调谐状态,获得满意的吸振效果.论文研究为电磁式动力吸振器的进一步开发和应用,作了前期的技术准备.
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