一种低频隔振系统及减振方法技术方案

本发明专利技术属于振动与噪声控制技术领域，具体涉及一种适用性较强的高性能低频振动隔离技术。为了实现机械设备低频振动隔离的难题，本发明专利技术提供了一种低频隔振系统，它包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，本发明专利技术首先利用准零刚度隔振模块实现低频振动的被动隔离，然后根据其运动状态，判断是否通过控制模块输出控制信号至执行模块，从而实现系统始终工作在整体隔振效果最佳的吸引子上的效果。该系统可操作性强、识别简洁、所需的输入能量较小、所施加的控制次数较少，适于在工程实际中应用，为低频振动控制提供一种高效、可靠的新思路。

A low frequency vibration isolation system and vibration damping method

The invention belongs to the technical field of vibration and noise control, and specifically relates to a high performance low frequency vibration isolation technology with strong applicability. In order to realize the problem of low frequency vibration isolation of mechanical equipment, the invention provides a low frequency vibration isolation system, it includes the quasi zero stiffness module, vibration signal monitoring module, control module and execution module, the invention firstly uses the quasi zero stiffness isolator module is low frequency vibration isolation, then according to its state of motion whether through the control module, the output control signals to the execution module, so as to realize the attractor system work in the best isolation effect on the overall effect. The system has strong operability, simple identification, less input energy and less control times. It is suitable for engineering practice, providing an effective and reliable new idea for low frequency vibration control.

【技术实现步骤摘要】
一种低频隔振系统及减振方法
本专利技术属于振动与噪声控制
，涉及一种适用性较强的高性能低频振动隔离技术，具体涉及一种低频隔振系统及减振方法。
技术介绍
在人类的生活环境和工程实践中，振动无处不在，有害振动会使物体变形或破坏，可能影响到重大工程的安全性和可靠性、机器的寿命和正常运转，以及危害人体健康等。例如，光学平台、地震波探测仪以及引力波探测装置等，这些设备一般对振动隔离要求较高，甚至需要避免地面脉动等微弱振动。此时，传统的隔振器往往由于自身的固有频率无法降低到足够低而难以实现的期望的隔振目标，主要体现在对低频振动隔离能力较差。对于一个质量为m，刚度为k的单自由度线性隔振系统，系统的固有频率为只有激励频率大于时，系统才有隔振效果。对于一个被隔振对象固定的隔振系统，为了提高系统的隔振效果，需降低系统刚度k，但刚度k的降低会引起系统的静变形变大，难以满足系统的稳定性要求，即存在大承载力和超低频隔振、超低刚度和位置稳定性两大矛盾。主动隔振系统的作动器难以满足实际工程的要求，目前仅能应用到体积和重量较小的设备上，主动隔振系统结构比较复杂，制造成本高，需要性能优异的传感器，且在实际过程中不可避免地存在时滞等不利因素，使得理论上效果优异的控制方法，在实际应用中难以取得满意的效果，因此，低频振动的控制问题需要另辟蹊径。高静低动刚度隔振器是一种组合式强非线性隔振器，能同时满足高承载能力和低动刚度的要求，有效隔离低频振动，但准零刚度隔振系统的隔振效果依赖于初始条件和系统参数，受环境因素的影响，准零刚度隔振系统容易运行在大振幅运动状态，削弱其低频隔振效果。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种低频隔振系统及减振方法，可有效解决低频振动隔离以及高性能减振的技术难题，适合于汽车、舰艇、精密仪器和航空航天器等隔振领域。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种低频隔振系统，包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，其中准零刚度模块依次与振动信号监测模块、控制模块和执行模块相连；所述准零刚度模块用于承载被隔振设备，并在一定程度上隔离被隔振设备的振动；振动信号监测模块用于监测准零刚度模块基座的振动位移信号并计算得其不同振幅的吸引子，为控制模块提供输入；控制模块根据振动信号监测模块输入的信号，判断准零刚度模块所处的振动状态，并决定是否向执行模块提供输入信号；执行模块根据控制模块的输出信号，向准零刚度模块施加控制力，使准零刚度模块处于小振幅吸引子。按上述方案，所述准零刚度隔振模块是典型的非线性隔振系统，非线性隔振系统的多值性本质使得初始条件具有不确定性，导致准零刚度隔振系统存在多个吸引子；其中振幅最小的吸引子即为小振幅吸引子，振幅相对较大的吸引子为大振幅吸引子。按上述方案，所述控制力采用开环加线性闭环控制方法得到，具体计算方法如下：考虑如下单自由度准零刚度隔振模块系统设目标轨道函数为gx(t)，gy(t)；目标轨道函数需在相图上连接共存吸引子的吸引域；开关函数为S(t)，即当满足某一条件时，S(t)＝1，否则S(t)＝0。当引入开环加线性闭环控制律时得：其中C(g,t)＝DgF-B，DgF是F(gx,gy,t)关于gx，gy的雅克比矩阵，B＝bij为任意具有负特征值的2阶对角矩阵；当准零刚度隔振系统运行于大振幅吸引子的吸引域内时，启动控制，即S(t)＝1，通过K1和K2作用力作用于准零刚度模块，使其调控至小振幅吸引子上；当准零刚度隔振系统运行于小振幅吸引子的吸引域内时，关闭控制，即S(t)＝0。按上述方案，所述准零刚度模块为磁性准零刚度隔振系统，包括自上而下依次连接的负载平台、磁性负刚度机构和正刚度机械弹簧；所述磁性负刚度机构为径向磁化的斥力型双环永磁铁结构，内、外磁环均为辐射充磁且磁化方向相反，材料为钕铁硼。按上述方案，振动信号监测模块由位移传感器、低通滤波器和LMS多功能数据采集系统组成，利用位移传感器采集的振动位移信号，经过求导变换得到速度信号，采用点映射法求出准零刚度模块的运动相图及不同振幅的吸引子，从而判断准零刚度模块是否运行在大振幅吸引子上。按上述方案，控制模块主要由调理电路和DSP控制器组成，如果准零刚度模块尚未运行于大振幅吸引子上，则控制模块不向执行模块传输信号；如果准零刚度模块运行于大振幅吸引子，则控制模块通过开环加线性闭环控制算法生成控制信号，并将其传输至执行模块。按上述方案，执行模块主要由功率放大器和电磁作动器组成，电磁作动器安装在准零刚度模块上，如果准零刚度模块运行于大振幅吸引子，执行模块依据控制模块的输出信号向准零刚度模块施加一定的扰动力，使系统沿着所设定的目标轨道运行，如果这条目标轨道连接两个不同吸引子的吸引域，则在恰当的时间关闭控制后可实现系统的吸引子调控，将其运动状态转变到小振幅吸引子上。本专利技术的原理为：当准零刚度隔振系统初始条件不同时，系统会稳定运行在不同振幅的吸引子上，如果没有受到扰动，因为共存吸引子都是稳定的，所以系统不会自动转变到另一个吸引子上；当受到扰动时，系统则可能通过跃迁从振幅较大的运动状态变为振幅较小的振动状态，但也有可能从振幅较小的振动状态变为振幅较大的振动状态，这个过程取决于控制方法；系统运行在不同振幅的吸引子时具有不同的隔振效果，如果系统运行在振幅较大的吸引子上时，系统隔振效果较差，此时有必要对其施加吸引子调控，使准零刚度隔振系统调控至小振幅吸引子上，而当系统运行于小振幅吸引子上时，则应尽可能将该运动状态保持，使得系统始终工作在振幅最小、隔振效果最佳的运动状态，从而实现高性能的低频隔振。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：与普通隔振系统相比，本专利技术将准零刚度隔振系统和吸引子迁移控制相结合，准零刚度隔振系统具有隔振起始频率低、稳定性高的特点，具有良好的低频隔振效果，但在实际运行过程中，受环境因素的影响，准零刚度隔振系统容易运行在大振幅吸引子上，削弱了低频隔振效果；而本专利技术首次提出将准零刚度隔振系统与吸引子调控技术结合起来，通过监测准零刚度隔振系统的振动位移信号，根据吸引子的全局形态分析，可迅速判断准零刚度隔振系统的运行状态，如果处于振幅较大、隔振效果不佳的吸引子时给予一定的扰动，使其稳定运行在小振幅吸引子上，从而真正实现高性能低频隔振效果。该系统操作简单，识别简洁，所需的输入能量较小，控制次数较小，为低频隔振控制提供了一条全新思路，适于在工程实际中应用。附图说明图1为本专利技术一个实施例所述低频隔振系统的结构框图；图2为准零刚度隔振模块的刚度-位移曲线；图3为准零刚度隔振模块与线性隔振系统隔振效果对比图；图4为控制模块数据处理流程图；图5为准零刚度隔振模块吸引子及吸引域空间位置计算流程图；图6为准零刚度隔振模块第一个周期1吸引子及相轨迹；图7为准零刚度隔振模块第二个周期1吸引子及相轨迹；图8为准零刚度隔振模块吸引域图；图9为开环加线性闭环控制下准零刚度隔振模块的相轨迹图；图10为采用本专利技术所述高性能低频隔振模块控制前准零刚度模块的位移功率谱图；图11为采用本专利技术所述高性能低频隔振模块控制前准零刚度模块的位移功率谱图。具体实施方式下面结合附图和具体实施对本专利技术作进一步详细描述，目的是帮助本领域的技术人员对本专利技术的构思、技术方案有更完整、准本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低频隔振系统，其特征在于，包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，其中准零刚度模块依次与振动信号监测模块、控制模块和执行模块相连；所述准零刚度模块用于支撑被隔振物体，并实施低频振动隔离，振动信号监测模块用于监测准零刚度模块的振动信号得到其不同振幅的吸引子，然后输入给控制模块，控制模块用于判断是否通过控制模块输出控制信号至执行模块，执行模块用于根据控制模块输出的控制信号，向准零刚度模块输出控制力，使准零刚度模块处于小振幅吸引子上。

【技术特征摘要】
1.一种低频隔振系统，其特征在于，包括准零刚度模块、振动信号监测模块、控制模块和执行模块，其中准零刚度模块依次与振动信号监测模块、控制模块和执行模块相连；所述准零刚度模块用于支撑被隔振物体，并实施低频振动隔离，振动信号监测模块用于监测准零刚度模块的振动信号得到其不同振幅的吸引子，然后输入给控制模块，控制模块用于判断是否通过控制模块输出控制信号至执行模块，执行模块用于根据控制模块输出的控制信号，向准零刚度模块输出控制力，使准零刚度模块处于小振幅吸引子上。2.根据权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述控制力采用开环加线性闭环控制算法得到。3.根据权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述准零刚度模块为刚度可调的磁性准零刚度隔振系统，它包括自上而下依次连接的负载平台、磁性负刚度机构和正刚度机械弹簧。4.根据权利要求3所述的低频隔振系统，其特征在于，所述磁性负刚度机构为径向磁化的斥力型双环永磁铁结构，包括内磁环和外磁环，内、外磁环均为辐射充磁且磁化方向相反。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨庆超，俞翔，柴凯，楼京俊，刘树勇，李爽，赵建学，宁荣辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42