自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统技术方案

本发明专利技术提供了一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，包括前端信号拾取模块、带数控系统的拉伸机、软材料声子晶体样品以及后端反馈模块。前端信号拾取模块包括加速度传感器和采集卡；后端反馈模块包括工控机，工控机中设有自适应隔振控制算法。本发明专利技术的装置是在传统声子晶体结构隔振技术的基础上，利用软材料声子晶体，将信号拾取、机械加载与主动控制相结合，开发出的一套根据随机入射信号对软声子晶体结构进行实时机械加载的主动隔振系统。该系统组装方便、使用方法简单，可实现实时软材料的拉伸加载同时实现宽频隔振的效果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统


[0001]本专利技术属于隔声减噪
，涉及一种隔振系统，尤其涉及一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，是利用可机械加载软材料声子晶体，并结合前端的信号拾取及后端反馈组件获得，是一种可通过机械加载实现软材料声子晶体带隙根据入射信号自动调控的弹性波隔振系统。

技术介绍

[0002]机械振动，尤其是低频范围内的振动常常会严重危害人们的健康及生产生活，因此，如何有效地在低频减震一直都是一个亟待解决的问题。近年来，声子晶体的出现给这一问题提供了一种有效的解决方案。声子晶体是一种具有禁带特性的人工周期结构。对于弹性波声子晶体结构，在其禁带的频率范围内，弹性波会迅速衰减，无法在结构中进行传播，从而起到了隔振的效果。根据这一特性，声子晶体在减震降噪领域有着非常广泛的应用和重要的研究前景。
[0003]但大部分的声子晶体结构都是硬质材料制成，这导致了结构几何构型的不可调性。一旦几何参数确定，声子晶体的禁带范围也随之确定，从而限制了后续应用的频率范围。对于这一问题，软材料（如橡胶、水凝胶、硅胶等）制成的声子晶体可以有效地解决。近年来，软材料声子晶体的出现使得机械可调声子晶体逐渐成为了研究的热点。通常情况下，调整声子晶体的周期单元的拓扑结构、周期性的布排方式等几何参数可以改变带隙的位置及其隔振的频率范围。软材料声子晶体利用软材料本身的超弹特性可使结构发生大范围的可逆弹性变形，同时改变了结构的几何构型及瞬时切向刚度，从而进一步改变了带隙的位置及范围。已有的研究发现，可通过对软材料施加外加机械载荷的方式来实现弹性波的调控，这种调控方式简单易行，并且能够反复地实施，为弹性波的调控提供了一种新思路，更为减振降噪、新型声学器件（如声子开关）设计等方面提供了参考。
[0004]然而即使是对于可机械调控的软材料声子晶体，在使用其进行减震操作时，我们必须已知减震的目标频率，才能设计相应的声子晶体结构，这一过程是“被动”的，这也导致了在未知目标频率的情况下无法灵活的使用软材料声子晶体。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术设计了一种通过对入射信号进行拾取、分析，并将信息传导给机械加载部件，实现对软材料声子晶体的主动可调加载，进一步实现对入射信号的主动调制的弹性波隔振系统。另外，这一系统不受限于既定的声子晶体几何构型，这也可在一定程度上拓宽隔振的频率范围，实现宽频的主动隔振效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，以进行根据随机入射信号来自动地对二维软材料声子晶体施加相应的拉伸载荷，使其发生对应的变形，实现对入射信号的隔振效果，基于该系统的实验系统中将加载、波动实验以及前端信号拾取、后端反馈系统结合在一起，能够有效地实现软材料声子晶
体的自适应可调隔振，起到一种宽频隔振的效果。
[0007]本专利技术解决上述问题采用的技术方案如下：一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，包括带数控系统的拉伸机、软材料声子晶体样品、前端信号拾取模块以及后端反馈模块；前端信号拾取模块包括加速度传感器和采集卡；后端反馈模块包括工控机，工控机中设有自适应隔振控制算法；软材料声子晶体样品被固定在拉伸机的夹具间；软材料声子晶体一侧边界作为信号输入侧接收外界机械振动，为入射信号，另一侧边界作为信号输出侧与加速度传感器相连；加速度传感器、采集卡及工控机依次相连；工控机与拉伸机的数控系统相连，所述系统能够根据随机入射信号来自动地对软材料声子晶体施加相应的拉伸载荷，使其发生对应的变形，实现对入射信号的隔振效果。
[0008]上述技术方案中，进一步地，所述自适应隔振控制算法包括：
[0009]采用基于数据的动态模型以确定拉伸强度或材料形变长度与隔振频率之间的关系，预先对软材料声子晶体样品进行实验测试，软材料的受激励隔振频率为，外部形变激励位移为作为输入信号，材料形变长度与隔振频率之间存在非线性关系为：
[0010]采用修正的自适应PID控制算法来调节材料的形变长度，不断地观测和修改PID控制器中的参数，以及相应的修正参数，从而实现对材料形变长度的精确调节，使其能够满足期望的隔振频率要求。
[0011]传统的PID控制方法通常基于线性模型进行控制，而本专利技术中的算法采用基于数据的动态模型，能够更加准确地描述拉伸强度或材料形变长度与隔振频率之间的关系。通过事先对软材料声子晶体样品的实验测试，获得实际数据，并建立非线性关系，从而能更好地适应不同工况的控制需求。
[0012]进一步地，修正的自适应PID控制算法中，定义一个误差函数用于衡量期望隔振频率与实际隔振频率之间的误差，误差信号为：
[0013]其中，表示时刻，为当前实际测得的隔振频率值，为采样间隔；时间间隔为的PID修正控制器为：
[0014]其中，、及分别表示比例增益、积分增益和微分增益，和为增益系数，为修正向量,用于校正PID控制器中的参数，其定义为：
[0015]其中，为修正向量的长度。
[0016]进一步地，将修正向量的长度设置为3，即，以使得修正向量包含当前时刻以及前两个时刻的误差信息，从而有效地补偿PID控制器中遗留的校正误差。
[0017]传统的PID控制方法中，参数的调整通常是通过手动试错的方式进行的，容易出现不准确或过程繁琐的问题。而本专利技术中的算法采用修正的自适应PID控制算法，利用在线检
测和修正的方式，不断观测和修改PID控制器中的参数以及相应的修正参数。通过不断修正控制器的参数，实现对材料形变长度的精确调节，能够有效提高控制的准确性和响应速度。
[0018]进一步地，采用逆模型作为前馈，先确定被控对象的逆模型使得，将逆模型代入前馈项的计算公式中，得到前馈控制输出：
[0019]其中，前馈项通常可以根据软材料声子晶体样品材料模型选定，最基本的方式为通过查表法来确定。查表法是一种基于数据表格和查找的通用方法，包括以下几个步骤：收集数据、创建表格、插值方法、查表及构建前馈项。具体方法为通过有限元模拟获得大量已知输入及相应输出的数据，将两者制成表格，再通过插值方法估算出不在已知数据的范围内的输入值对应的输出值。最后关于前馈项的构建是指，给定某个输入值时，在前述创建表格中查找对应的输出值。如果输入值存在于表格中，直接读取对应的输出值；如果输入值不在表格中，使用插值方法计算近似的输出值（具体可参见Zurbriggen, F., Ott, T. and Onder, C.H., 2016. Fast and robust adaptation of lookup tables in internal combustion engines: feedback and feedforward controllers designed independently. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D:本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，包括带数控系统的拉伸机、软材料声子晶体样品、前端信号拾取模块以及后端反馈模块；前端信号拾取模块包括加速度传感器和采集卡；后端反馈模块包括工控机，工控机中设有自适应隔振控制算法；软材料声子晶体样品被固定在拉伸机的夹具间；软材料声子晶体的信号输入侧接收外界机械振动，为入射信号，信号输出侧与加速度传感器相连；加速度传感器、采集卡及工控机依次相连；工控机与拉伸机的数控系统相连，所述系统能够根据随机入射信号来自动地对软材料声子晶体施加相应的拉伸载荷，使其发生对应的变形，实现对入射信号的隔振效果。2.根据权利要求1所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，所述自适应隔振控制算法包括：采用基于数据的动态模型以确定拉伸强度或材料形变长度与隔振频率之间的关系，预先对软材料声子晶体样品进行实验测试，软材料的受激励隔振频率为，外部形变激励位移为作为输入信号，材料形变长度与隔振频率之间存在非线性关系为：，采用修正的自适应PID控制算法来调节材料的形变长度，不断地观测和修改PID控制器中的参数，以及相应的修正参数，从而实现对材料形变长度的精确调节，使其能够满足期望的隔振频率要求。3.根据权利要求2所述的自适应调控的主动软弹性波声子晶体隔振系统，其特征在于，修正的自适应PID控制算法中，定义一个误差函数用于衡量...

【专利技术属性】
技术研发人员：高楠，陈璐，王娇，鲍荣浩，陈伟球，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：