基于气压驱动的微振动主动控制系统及方法技术方案

本申请涉及土木工程的振动控制领域，提供一种基于气压驱动的微振动主动控制系统及方法，包括吸振器、监测子系统、反馈子系统以及控制子系统；吸振器包括气缸、气源和质量块；气缸内设置有活塞；气源用于充气或抽气；质量块与活塞同步运动；监测子系统用于实时监测结构的速度；反馈子系统计算质量块所需的目标控制力和气缸的两个腔体所需的目标压差；控制子系统使气缸的两个腔体的实际压差达到目标压差，以获得所需的目标控制力施加于质量块。本发明专利技术基于气压驱动的微振动主动控制系统的耗能更小，反应速度更快，控制精度更高，气源不会对环境造成污染，成本低，经济性较高。经济性较高。经济性较高。

【技术实现步骤摘要】
基于气压驱动的微振动主动控制系统及方法


[0001]本专利技术属于土木工程的振动控制
，具体涉及一种基于气压驱动的微振动主动控制系统及方法。

技术介绍

[0002]电子厂房内的生产设备精密，常用于制造和检测亚微米级的工艺产品，经常要求设备结构有高标准的防微振，对于微振动则需要十分精细的控制，结构振动主动控制技术是一类能控制结构微振动响应的有效手段。所谓的结构振动控制是指通过某种方法使结构的动力响应控制在工程所容许的范围内。现有的结构振动主动控制的类型比较多，目前最典型的有主动调谐质量阻尼器AMD和主动拉索系统ATS。主动调谐质量阻尼器一般安装在建筑物的顶层，当安装有主动调谐质量阻尼器的结构受到地震荷载或强风荷载时，结构产生相应的动力响应，AMD的传感器实时监测到结构的反应(包括位移、速度或加速度)，并根据卡提闭环控制理论，计算机将接受传感器的信息并通过计算得到实时的控制力，接着AMD系统的驱动器驱动质量块，使质量块产生运动，质量块的惯性力大小等于控制系统对结构施加的控制力，质量块的惯性力的方向与结构运动的方向相反，质量块通过弹簧、阻尼器以及驱动器作用在结构上，从而衰减和控制结构在地震荷载作用下的动力响应，与无控制结构相比，AMD可以减少地震反应的50％～80％，效果相当显著。主动拉索系统ATS的工作原理与主动调谐质量阻尼器AMD的工作原理类似，都是通过计算机将实时监测到的结构反应，计算得到实际的控制力，然后驱动器将控制力通过主动拉索作用到结构上，从而降低结构的动力响应。主动控制技术在使用的过程中，需要外部能源的输入，并且要保证在受到动力荷载时，外部能源不能断掉。
[0003]目前常见的结构振动主动控制技术为液压驱动和电磁驱动控制技术，其控制指令通过控制油压或电流大小，达到所需控制力的效果；其控制效果较显著，稳定性比被动控制技术高。因此，受到广大土木工程研究人员的重视。
[0004]然而，目前常见的液压驱动或电磁驱动主动控制技术仍存在许多不足：首先，由于充填油状液体的黏性较大，电磁感应具有相位差，使得液压驱动与电磁驱动主动控制技术具有明显的时滞现象，在实际工作中可能失效；其次，液压驱动与电磁驱动控制技术耗能大，运营消耗大；最后，液压驱动技术所充填的液体可能对环境造成污染，电磁驱动设备成本消耗大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于气压驱动的微振动主动控制系统及方法，用于解决现有微振动主动控制装置采用液压驱动或电磁驱动存在控制精度低，耗能大的问题。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种基于气压驱动的微振动主动控制系统，包括：吸振器、监测子系统、反馈子系统以及控制子系统；所述吸振器包括气缸、气源和质量块；所述气缸
内设置有活塞，所述活塞将气缸的内部空腔分隔为两个腔体；所述气源与所述气缸的两个腔体分别连通，用于两个腔体的充气或抽气；所述质量块与所述活塞同步运动；所述监测子系统用于实时监测结构的速度，并将其转化为电信号；所述反馈子系统基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力和所述气缸的两个腔体所需的目标压差；所述控制子系统用于根据所述目标压差，控制所述气源对两个腔体充气或抽气，使所述气缸的两个腔体的实际压差达到所述目标压差，以获得所需的目标控制力施加于所述质量块。
[0007]进一步地，所述监测子系统包括速度传感器和数据转化器，所述速度传感器用于获取结构振动的速度，所述数据转化器用于将所述速度转变为电信号。
[0008]进一步地，所述反馈子系统包括单片机，所述单片机基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力：
[0009]F
k
＝
‑
n
·
cv
[0010]式中，F
k
为目标控制力，n为控制系数，c为结构阻尼，v为速度传感器所监测某一时刻的结构振动的速度；
[0011]所述单片机计算同一时刻下，吸振器的质量块的附加加速度：
[0012]Δa＝F
k
/m＝
‑
n
·
2ξωv/μ
[0013]式中，Δa为质量块的附加加速度，m为质量块的质量，ξ为结构阻尼比，ω为结构自振频率，μ为质量比；
[0014]所述单片机基于所述质量块的附加加速度，计算出气缸的两个腔体所需的目标压差：
[0015]ΔP＝mΔa/S＝
‑
n
·
2mξωv/μS
[0016]式中，ΔP为气缸的两个腔体所需的目标压差，Δa为质量块的附加加速度，m为质量块的质量，S为活塞的截面面积。
[0017]进一步地，所述吸振器还包括连通于气源与气缸之间的电子比例阀；所述控制子系统控制所述电子比例阀的阀门开度以实现所述气源对两个腔体充气或抽气。
[0018]进一步地，所述气缸设置有气压计；所述气压计用于实时监测气缸的两个腔体的实时压差；所述控制子系统调节所述电子比例阀的阀门开度以调节所述实时压差为所述目标压差。
[0019]进一步地，所述活塞的内部设置有磁吸装置，所述磁吸装置用于吸附所述质量块。
[0020]进一步地，所述气缸的外部设置有滑轨，所述质量块设置于所述滑轨；所述滑轨的长度方向与所述活塞的运动方向平行。
[0021]进一步地，所述气缸的两侧设置有连接件，所述连接件连接所述气缸和所述结构，用于传递结构的振动能量。
[0022]第二方面，本专利技术还提出一种基于气压驱动的微振动主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0023]利用监测子系统实时监测结构的速度，并将其转化为电信号；
[0024]利用反馈子系统基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力和所述气缸的两个腔体所需的目标压差；
[0025]利用所述控制子系统根据所述目标压差，控制所述气源对两个腔体充气或抽气，使所述气缸的两个腔体的实际压差达到所述目标压差，以获得所需的目标控制力施加于所
述质量块。
[0026]进一步地，所述利用反馈子系统基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力和所述气缸的两个腔体所需的目标压差的步骤包括：
[0027]利用所述反馈子系统的单片机基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力：
[0028]F
k
＝
‑
n
·
cv
[0029]式中，F
k
为目标控制力，n为控制系数，c为结构阻尼，v为速度传感器所监测某一时刻的结构振动的速度；
[0030]利用所述单片机计算同一时刻下，吸振器的质量块的附加加速度：
[0031]Δa＝F
k
/m＝
‑
n
·
2ξωv/μ
[0032]式中，Δa为质量块的附加加速度，m为质量块的质量，ξ为结构阻尼比，ω为结构自振频率，μ为质量比；
[0033]利用所述单片机基于所述质量块的附加加速度，计算出气缸的两个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于气压驱动的微振动主动控制系统，其特征在于，包括：吸振器、监测子系统、反馈子系统以及控制子系统；所述吸振器包括气缸、气源和质量块；所述气缸内设置有活塞，所述活塞将气缸的内部空腔分隔为两个腔体；所述气源与所述气缸的两个腔体分别连通，用于两个腔体的充气或抽气；所述质量块与所述活塞同步运动；所述监测子系统用于实时监测结构的速度，并将其转化为电信号；所述反馈子系统基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力和所述气缸的两个腔体所需的目标压差；所述控制子系统用于根据所述目标压差，控制所述气源对两个腔体充气或抽气，使所述气缸的两个腔体的实际压差达到所述目标压差，以获得所需的目标控制力施加于所述质量块。2.根据权利要求1所述的基于气压驱动的微振动主动控制系统，其特征在于，所述监测子系统包括速度传感器和数据转化器，所述速度传感器用于获取结构振动的速度，所述数据转化器用于将所述速度转变为电信号。3.根据权利要求2所述的基于气压驱动的微振动主动控制系统，其特征在于，所述反馈子系统包括单片机，所述单片机基于所述电信号，计算质量块所需的目标控制力：F
k
＝
‑
n
·
cv式中，F
k
为目标控制力，n为控制系数，c为结构阻尼，v为速度传感器所监测某一时刻的结构振动的速度；所述单片机计算同一时刻下，吸振器的质量块的附加加速度：Δa＝F
k
/m＝
‑
n
·
2ξωv/μ式中，Δa为质量块的附加加速度，m为质量块的质量，ξ为结构阻尼比，ω为结构自振频率，μ为质量比；所述单片机基于所述质量块的附加加速度，计算出气缸的两个腔体所需的目标压差：ΔP＝mΔa/S＝
‑
n
·
2mξωv/μS式中，ΔP为气缸的两个腔体所需的目标压差，Δa为质量块的附加加速度，m为质量块的质量，S为活塞的截面面积。4.根据权利要求1所述的基于气压驱动的微振动主动控制系统，其特征在于，所述吸振器还包括连通于气源与气缸之间的电子比例阀；所述控制子系统控制所述电子比例阀的阀门开度以实现所述气源对两个腔体充气或抽气。5.根据权利要求4所述的基于气压驱动的微振动主动控制系统，其特征在于，所述气缸设置有气压计；所述气压计用于实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：周仲煜，尚乐乐，李星华，鲁正，杨万军，陈瑜，袁思遥，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：