[发明专利]柔性结构主动减振装置及其控制方法

权利要求书

1、一种柔性结构主动控制减振装置，其特征在于它包括信号采集单元和控制减振单元，其中：

信号采集单元是在柔性结构上表面沿纵向均匀安装多个ICP加速度传感器，各传感器接收的信号传递给恒流源，再转至数据采集器；数据采集器将采集的信号经模/数转换器转换后传输给计算机进行处理；

控制减振单元是计算机对数据处理后发出控制信号，经模/数转换器转换后传输至第一功率放大器，再转接至作动器实施减振，该作动器通过顶杆直接与柔性结构下表面连接。

2、根据权利要求1所述的柔性结构的主动减振装置，其特征在于：它还设有激振力输出单元，该激振力输出单元包括信号发生器、第二功率放大器和激振器，所述信号发生器与第二功率放大器输入端连接，信号发生器产生的信号经第二功率放大器放大后输入激振器，激振器与柔性结构通过顶杆连接提供外扰。

3、根据权利要求2所述的柔性结构的主动减振装置，其特征在于：作动器与激振器结构相同，均为电磁式作动器/激振器，其包括外壳(1)、顶杆(2)，以及设在外壳(1)内腔中的动圈(3)、永磁体(4)和弹簧片(5)，所述永磁体(4)设在外壳(1)内腔底部，动圈(3)设在永磁体(4)上方，与永磁体(4)之间存在一定间隙，弹簧片(5)设在动圈(3)上方，顶杆(2)一端固定在动圈(3)上端面，另一端穿过弹簧片(5)并伸出外壳(1)。

4、根据权利要求1或2所述的柔性结构的主动减振装置，其特征在于：传感器安装方向为柔性结构振动方向。

5、根据权利要求1或2所述的柔性结构的主动减振装置，其特征在于：所述数据采集器与模/数转换器集成在一起，并通过计算机PCI插槽与计算机连接。

6、一种柔性结构的主动控制方法，其特征在于：在整个控制系统中设有信号采集单元、控制减振单元和激振力输出单元，其中：

信号采集单元是在柔性结构上表面沿纵向均匀安装多个ICP加速度传感器，各传感器通过导线与恒流源连接，再转接至数据采集器输入端；数据采集器与计算机连接，

控制减振单元是在数据采集器输出端连接第一功率放大器，再转接至作动器，作动器通过顶杆直接与柔性结构下表面连接。

激振力输出单元包括信号发生器、第二功率放大器和激振器，所述信号发生器与与第二功率放大器输入端连接，信号发生器产生的信号经第二功率放大器放大后输入激振器，激振器与柔性结构通过顶杆连接提供外扰；其控制过程为：

步骤1：离线识别过程，包括：

(1)确定柔性结构的固有频率范围：首先启动所有硬件设备，运行控制程序并调用参数识别模块，由计算机产生快速扫频信号驱动作动器，使柔性结构产生振动，同时采集加速度传感器信号并保存；对振动信号进行离线处理，经FFT变换得到模型的大致固有频率；

(2)根据李萨茹图形确定模型的精确固有频率：由信号发生器产生简谐信号驱动作动器使柔性结构产生强迫振动，激励简谐信号频率在前面测得的固有频率附近进行微调，同时观测根据驱动信号和加速度信号得到的李萨茹图形，当李萨茹图呈现正椭圆时，表明此时模型产生共振，则该驱动频率即为模型固有频率精确值；重复该过程，确定柔性结构前n阶固有频率，其中n为传感器数量；

(3)确定模型前n阶振型：由计算机产生简谐信号驱动作动器使柔性结构产生共振，驱动信号频率为前面测量得到的固有频率精确值，在模型保持共振状态下，测量各加速度传感器信号并保存；重复以上过程，分别测量并保存模型前n阶共振状态下传感器信号；再进行离线处理，根据共振状态下加速度信号确定模型前n阶固有振型；

(4)模型未知参数识别：假设柔性结构质量、刚度、阻尼矩阵分别为M、K、C，则满足X^TMX＝I，X^TKX＝Ω＝diag[ω_i²]，X＝[X₁，X₂，…，X_n]为前面测量得到的结构振型，通过求解线性方程组得到模态质量、刚度矩阵M和K，阻尼矩阵通常可以设定为比例阻尼阵C＝αM+βK；

步骤2：实时控制过程，包括：

(1)根据步骤1得到的质量、刚度、阻尼矩阵，结合随机游走法构造隐含未知外扰的状态方程；表达式如下：

X_a(k+1)＝Φ_aX_a(k)+I_aδ(k)+Λ_au(k)，

y(k)＝H_aX_a(k)+v(k)

式中，X_a＝[X^T w^T]^T为隐含未知外扰的状态量，X为系统状态，w为未知外扰；v为r×1阶无偏随机测量干扰，.其方差矩阵E[v·v^T]＝R；y为r×1阶系统输出；Φa=ΦΓ0n×2nIn,]]>Φ＝I_2n+ΔT·A，A=0n×nIn-m-1K-M-1C,]]>Γ＝ΔT·B，B＝[0_n×n M^-T]^T，I_n为n阶单位阵，ΔT为采样时间步长；I_a＝[0_n×2n I_n]^T；Λ_a＝[Λ^T 0_n×n]^T，Λ＝ΔT·F，F＝[0_n×n DTM^-T]^T；H_a＝[H_r×2n 0_r×n]，H为r×2n阶观测矩阵；

(2)运用Kalman滤波原理进行系统状态估计，同时得到系统状态和未知外扰；具体过程如下：

X^a(k+1|k)=ΦaX^a(k|k)+Λau(k),]]>

Pa(k+1|k)=ΦaPa(k|k)ΦaT+IaQδIaT,]]>

α(k+1)=y(k+1)-HaX^a(k+1|k),]]>

Ka(k+1)=Pa(k+1|k)HaT(HaPa(k+1|k)HaT+R)-1,]]>

P_a(k+1|k+1)＝[I-K_a(k+1)H_a]P_a(k+1|k)，

X^a(k+1|k+1)=X^a(k+1|k)+Ka(k+1)α(k+1),]]>

w^(k+1|k+1)=ΨX^a(k+1|k+1),]]>

其中为状态估计值；为系统输出估计值；为外扰估计值；P_a为滤波器估值误差方差阵；α(k)为新息矢量，表示k时刻的系统新信息；K_a为滤波器增益；R为随机测量干扰v(t)的方差；Ψ＝[0_n×2n I_n]；

(3)构造包括系统状态和未知外扰的目标函数，结合最优控制方法求解黎卡提方程，得到系统控制输入

u(k)=-(Q2In+ΛaTPΛa)-1ΛaTPΦaX^a(k)]]>

其中P＝Q₁·I_2n，为黎卡提方程的解；Q₁、Q₂为加权系数；

(4)将步骤3)得到的控制输入信号经数/模转换成模拟信号后输入第一功率放大器，然后信号经过若干倍放大后作用于作动器使之产生控制输出力，通过顶杆直接作用于被控柔性结构，达到抑制振动的目的。