工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ) 第2版 課件 第11章-振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)

《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第11章振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)第11

章振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)11.1引言11.2基本概念和技術(shù)原理11.3應(yīng)用于研究進(jìn)展11.4機(jī)敏材料11.5工程應(yīng)用實(shí)例231456711.1引言

11.1引言

隔振技術(shù)、動(dòng)力吸振技術(shù)、黏彈阻尼技術(shù)、顆粒阻尼技術(shù)等,這些技術(shù)從減振機(jī)理的角度來(lái)講通常屬于振動(dòng)被動(dòng)控制(PassiveVibrationControl,PVC)技術(shù),又稱無(wú)源減振技術(shù)振動(dòng)主動(dòng)控制(ActiveVibrationControl,AVC)技術(shù)又稱有源減振技術(shù),是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù),它需要依靠附加的能源提供能量來(lái)支持減振裝置工作,具有效果好、適應(yīng)性強(qiáng)等潛在的優(yōu)越性,已成為振動(dòng)控制的一條重要的新途徑213456711.2基本概念和技術(shù)原理11.2基本概念和技術(shù)原理-1振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)通常是通過(guò)主動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,與傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相類似,它也包含開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類。目前最為常用的一類振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng),如圖11-1所示。閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)主要由受控對(duì)象、傳感器、作動(dòng)器、控制器和外界能源五部分組成,其中外界能源(如液壓油源、氣源、電源等)用來(lái)支持作動(dòng)器的工作圖11-1閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖11.2基本概念和技術(shù)原理-2閉環(huán)主動(dòng)控制的技術(shù)原理是:首先由傳感器拾取受控對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)輸入控制器,控制器根據(jù)不同的控制策略輸出控制信號(hào),控制信號(hào)控制作動(dòng)器對(duì)受控對(duì)象施加作用力或力矩,從而達(dá)到振動(dòng)控制的目的。因此,閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制的技術(shù)原理就是通過(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)或輸出反饋,產(chǎn)生一定的控制作用來(lái)主動(dòng)改變受控對(duì)象的閉環(huán)零、極點(diǎn)配置或參數(shù),從而使系統(tǒng)滿足預(yù)定的動(dòng)態(tài)特性要求由于半主動(dòng)控制兼具主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果和被動(dòng)控制簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了主動(dòng)控制需要高額能量供給和被動(dòng)控制調(diào)諧范圍窄的缺點(diǎn),因此,半主動(dòng)控制具有更為良好的應(yīng)用前景213456711.3應(yīng)用與研究進(jìn)展11.3.1主動(dòng)振動(dòng)控制如圖11-2所示,該主動(dòng)控制系統(tǒng)包含外側(cè)副翼和外側(cè)襟副翼兩個(gè)控制回路,飛機(jī)顫振標(biāo)示速率可以提高30%,顫振抑制效果顯著圖11-2某型飛機(jī)顫振模式控制的控制面與傳感器位置11.3.2半主動(dòng)振動(dòng)控制20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的采用電磁閥控制流體流動(dòng)的沖擊吸振器實(shí)際上就是半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的雛形進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),以磁流變阻尼技術(shù)為代表的半主動(dòng)控制裝置以其優(yōu)良的性能迅速在斜拉索橋梁為代表的大跨度橋梁工程中得到了應(yīng)用,取得了顯著的振動(dòng)控制效果目前,以磁流變阻尼技術(shù)為代表的半主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入了迅猛的發(fā)展時(shí)期,特別是基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)以及半主動(dòng)起落架系統(tǒng)已發(fā)展成為車輛與飛機(jī)的必備組件。目前,振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)已發(fā)展成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析和控制領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)213456711.4機(jī)敏材料11.4.1壓電材料壓電材料(PiezoelectricMaterial)是一種同時(shí)兼具正、逆電-機(jī)械耦合特性的機(jī)敏材料若對(duì)其施加作用力,則在它的兩個(gè)電極上將感應(yīng)產(chǎn)生等量的異號(hào)電荷;反之,當(dāng)它受到外加電壓的作用時(shí),便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形?；谶@一特性,壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中被廣泛用作傳感器和作動(dòng)器圖11-10常用壓電材料(源自網(wǎng)絡(luò))11.4.2磁致伸縮材料磁致伸縮材料(MagnetostrictiveMaterial)是一種同時(shí)兼具正、逆磁-機(jī)械耦合特性的機(jī)敏材料,當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí),便會(huì)產(chǎn)生彈性變形;若對(duì)其施加作用力,則其形成的磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化磁性材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變化的現(xiàn)象,稱為維德曼效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)可用于設(shè)計(jì)位移作動(dòng)器或扭轉(zhuǎn)馬達(dá),而其逆效應(yīng)可用于制作力或扭矩傳感器等近20年來(lái),隨著磁致伸縮材料的不斷開發(fā)應(yīng)用以及相應(yīng)的制造工藝的不斷完善和突破,原材料成本的降低,此材料的市場(chǎng)價(jià)格大幅度降低,已形成了代替壓電陶瓷的強(qiáng)大勢(shì)頭,已廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、石油工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用等領(lǐng)域11.4.3形狀記憶合金形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)也是一種新型的機(jī)敏材料,它在高溫下被處理成一定的形狀后急冷下來(lái),在低溫狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀,當(dāng)再加熱至高溫穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),材料通過(guò)馬氏體相變可以恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀合金材料的形狀記憶效應(yīng)如圖11-19所示,是指材料的形狀在低溫環(huán)境被改變之后,一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí),它又可以魔術(shù)般地變回到原來(lái)的形狀,人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金圖11-19合金材料的形狀記憶效應(yīng)演示(源自網(wǎng)絡(luò))11.4.4電流變流體電流變(Electrorheological,ER)流體,是一種由介電微粒與載體油(絕緣液體)混合而成、流變特性可由外加電場(chǎng)控制的機(jī)敏懸浮體材料在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí),它通常表現(xiàn)為普通的Newtonian流體,但在外加電場(chǎng)作用下,其表觀黏度在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)會(huì)急劇增大(105量級(jí)),同時(shí)伴隨屈服應(yīng)力、剪切模量的顯著增加,呈現(xiàn)Bingham塑性體(黏塑性膠體)性態(tài)。而且這種變化是瞬時(shí)可逆的,即在撤除外加電場(chǎng)后,電流變流體又能迅速恢復(fù)至原來(lái)的狀態(tài)圖11-22電流變流體流變效應(yīng)示意圖11.4.5磁流變流體磁流變(Magnetorheological,MR)流體則是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小(納米至微米尺度大小)磁性顆粒和載體油(非導(dǎo)磁性液體)混合而成的機(jī)敏懸浮體材料這種材料在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低表觀黏度的Newtonian流體特性;而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,則瞬間(毫秒級(jí))呈現(xiàn)出高表觀黏度(增大105~106倍)、低流動(dòng)性的Bingham體(黏塑性膠體)特性。而且這種變化是連續(xù)的、可逆的,即當(dāng)磁場(chǎng)撤銷后,又會(huì)迅速恢復(fù)到原始液態(tài)圖11-26磁流變流體流變效應(yīng)示意圖11.4.6磁流變彈性體磁流變彈性體(MagnetorheologicalElastomer,MRE)是由高分子聚合物和微米級(jí)的軟磁性材料制成的。這種混有磁性材料的聚合物固化成形后,在外加磁場(chǎng)下,其力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性能會(huì)隨外加磁場(chǎng)的改變而變化。因此,它屬于磁流變材料的一個(gè)分支磁流變彈性體主要由基體材料和分散其中的磁性顆粒以及一些添加劑組成,其中基體材料一般采用橡膠和樹脂等高分子聚合物,而磁性顆粒的選擇與磁流變流體相似磁流變彈性體的制備工藝與一般彈性體或普通橡膠的過(guò)程相似,主要是材料配比混合、塑煉、混煉和固(硫)化四個(gè)階段圖11-31磁流變彈性體(聚氨酯材質(zhì))試樣與模具213456711.5工程應(yīng)用實(shí)例11.5.1快走絲線切割機(jī)電極絲的振動(dòng)主動(dòng)控制由于傳統(tǒng)的被動(dòng)控制技術(shù)尚不能達(dá)到令人滿意的效果,為此采用振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)控制電極絲的振動(dòng)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)如圖11-33所示,選用壓電陶瓷元件PZT-5A(規(guī)格:24mm×18mm×1mm),粘貼在0.15mm厚的金屬片上作為傳感器和作動(dòng)器,且將兩者設(shè)在同一位置,控制器由可調(diào)式反饋控制電路組成圖11-33線切割機(jī)電極絲振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖11.5.2滾筒洗衣機(jī)的半主動(dòng)振動(dòng)控制滾筒洗衣機(jī)在洗滌工作時(shí),滾筒內(nèi)的衣物和水流等不平衡質(zhì)量在滾筒的高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的離心力(盡管機(jī)內(nèi)通常配有平衡水泥塊,但無(wú)法完全抵消該離心力)極易引發(fā)機(jī)體壁面產(chǎn)生振動(dòng),同時(shí)輻射噪聲。通常采用在滾筒底部左右兩側(cè)加裝被動(dòng)式阻尼器來(lái)進(jìn)行處理,但效果仍不能令人滿意圖11-35

AristonAqualtis型滾筒洗衣機(jī)11.5.3銑床托盤式夾具系統(tǒng)的振動(dòng)主動(dòng)控制對(duì)于機(jī)床的振動(dòng)控制,傳統(tǒng)的研究重點(diǎn)往往針對(duì)刀具或主軸系統(tǒng)對(duì)于機(jī)床的振動(dòng)控制,傳統(tǒng)的研究重點(diǎn)往往針對(duì)刀具或主軸系統(tǒng)圖11-39銑床托盤式夾具系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)框圖11.5.4基于視覺反饋的光學(xué)P&T轉(zhuǎn)臺(tái)的超低頻振動(dòng)主動(dòng)控制P&T轉(zhuǎn)臺(tái)(Pan&TiltPlatform)是一種能夠同時(shí)繞鉛垂軸和水平軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械工作臺(tái),廣泛應(yīng)用于光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、精密儀器設(shè)備以及火炮、雷達(dá)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等尖端武器系統(tǒng)精密平臺(tái)系統(tǒng)的超低頻振動(dòng)控制問題,一直是振動(dòng)工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)難題,現(xiàn)有的被動(dòng)控制技術(shù)無(wú)能為力,目前的解決途徑主要依靠振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)圖11-43帶有CCD攝像頭的某型光學(xué)P&T轉(zhuǎn)臺(tái)11.5.5齒輪箱的振動(dòng)主動(dòng)控制齒輪箱是機(jī)械工程、能源與動(dòng)力工程以及車輛工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要機(jī)械傳動(dòng)部件,其內(nèi)部的齒輪副在嚙合過(guò)程中,由于齒形誤差、裝配誤差以及彈性變形等影響,往往引發(fā)嚙合沖擊而產(chǎn)生與齒輪嚙合頻率相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)鑒于齒輪嚙合振動(dòng)所具有的、與嚙合頻率相對(duì)應(yīng)的離散窄帶特性,采用振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)抑制齒輪箱嚙合振動(dòng)成為可能。這一技術(shù)自1994年首次應(yīng)用于齒輪箱嚙合振動(dòng)控制領(lǐng)域以來(lái),取得了良好的進(jìn)展11.5.6衛(wèi)星激光通信望遠(yuǎn)鏡機(jī)敏復(fù)合平臺(tái)