时滞半主动隔振平台多频线谱振动控制研究

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随着科技的发展,航空航天、精密加工、精密测量等领域中精密仪器仪表对环境振动的要求越来越高,因此微振动控制也受到了越来越多的关注。传统的被动隔振器由于其结构参数固定难以满足复杂工况下的隔振需求,此外其对低频振动也难以起到抑制效果。基于磁流变弹性体(MRE)的半主动隔振器是一种磁控智能隔振装置,其仅需以较小的电流激发磁场就能使隔振结构的刚度和阻尼产生较大的变化,凭借参数可调、功耗低、稳定性好等优点已成为了振动控制领域的研究热点。在振动工程中,多频线谱(多频)振动是一类常见的振动形式,由于其频率成分复杂,常规控制方法难以取得理想的控制效果,是隔振控制的难点。另外,实际振动控制系统中的时滞对控制性能的影响不容忽视,其不仅会恶化控制性能,甚至可能导致系统失稳,是振动控制中另一大难点。基于以上分析,本文针对MRE半主动隔振平台中的多频线谱振动和时滞问题开展了研究,具体内容如下:①建立了精密平台磁流变弹性体隔振系统单自由度的动力学模型,通过扫频实验辨识出不同电流下隔振系统的等效刚度和阻尼等参数。在此基础上,对MRE隔振系统的半主动控制条件以及半主动模糊控制器的设计进行了研究,并基于遗传算法对半主动模糊控制器进行优化。然后搭建了仿真与实验系统,验证了优化后的模糊控制器作用下衰减效果更好。②分析了MRE隔振系统的时滞产生的环节,并对系统时滞进行了预估。搭建了MRE隔振器响应时间测试系统,测试了隔振器在不同静态位移与阶跃电压下的响应时间。基于控制系统响应时间分析,针对影响系统响应时间的主要单元-磁流变弹性体隔振器的响应时间进行了重点研究。其中MRE隔振器的涡流效应是影响磁场响应时间的关键因素,因此提出了结构开槽的方法降低涡流效应,通过仿真与实验证明所提方案能有效缩减隔振器磁场的响应时间。③针对单频激励下的MRE隔振系统中的时滞问题,提出了具有常数时滞补偿的模糊控制策略。基于实验分析和推导出的时滞补偿理论确定了34Hz-51Hz范围内的有效时滞补偿值。单频激励及三频激励下的实验结果表明,具有常数时滞补偿器的模糊控制器不依赖于激励特性,对34Hz-51Hz的单频激励以及多频激励均能起到控制效果,且控制能耗低,其中单频激励下振动衰减率最高达54%,功率相比常规模糊控制最多减少了35%。④由于多频线谱激励下常规模糊控制器难以起到满意的控制效果,设计了分频模糊控制器,通过滤波器分离出多频线谱振动的各频率成分并单独进行控制,最后基于遗传算法优化出的权重将各控制信号合成。仿真结果表明所提分频模糊控制算法能有效抑制各频率成分的振动。最后搭建了MRE隔振平台多频振动控制实验系统,考虑到实验系统中的时滞问题,在分频模糊控制器的基础上加入了时滞补偿,实验结果表明,隔振平台加速度最高衰减了31%,所提算法能以更小的能耗达到更好的衰减效果。
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