工程振動分析與控制基礎 第2版 課件 第11章-振動主動控制技術

《工程振動分析與控制基礎》第11章振動主動控制技術第11

章振動主動控制技術11.1引言11.2基本概念和技術原理11.3應用于研究進展11.4機敏材料11.5工程應用實例231456711.1引言

11.1引言

隔振技術、動力吸振技術、黏彈阻尼技術、顆粒阻尼技術等,這些技術從減振機理的角度來講通常屬于振動被動控制(PassiveVibrationControl,PVC)技術,又稱無源減振技術振動主動控制(ActiveVibrationControl,AVC)技術又稱有源減振技術,是隨著計算機技術、現(xiàn)代控制理論以及材料科學等學科的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項高新技術,它需要依靠附加的能源提供能量來支持減振裝置工作,具有效果好、適應性強等潛在的優(yōu)越性,已成為振動控制的一條重要的新途徑213456711.2基本概念和技術原理11.2基本概念和技術原理-1振動主動控制技術通常是通過主動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的,與傳統(tǒng)的自動控制系統(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主動控制系統(tǒng),如圖11-1所示。閉環(huán)振動主動控制系統(tǒng)主要由受控對象、傳感器、作動器、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)用來支持作動器的工作圖11-1閉環(huán)振動主動控制系統(tǒng)示意圖11.2基本概念和技術原理-2閉環(huán)主動控制的技術原理是:首先由傳感器拾取受控對象的振動信號輸入控制器,控制器根據(jù)不同的控制策略輸出控制信號,控制信號控制作動器對受控對象施加作用力或力矩,從而達到振動控制的目的。因此,閉環(huán)振動主動控制的技術原理就是通過適當?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)或輸出反饋,產(chǎn)生一定的控制作用來主動改變受控對象的閉環(huán)零、極點配置或參數(shù),從而使系統(tǒng)滿足預定的動態(tài)特性要求由于半主動控制兼具主動控制優(yōu)良的控制效果和被動控制簡單易行的優(yōu)點,同時克服了主動控制需要高額能量供給和被動控制調(diào)諧范圍窄的缺點,因此,半主動控制具有更為良好的應用前景213456711.3應用與研究進展11.3.1主動振動控制如圖11-2所示,該主動控制系統(tǒng)包含外側副翼和外側襟副翼兩個控制回路,飛機顫振標示速率可以提高30%,顫振抑制效果顯著圖11-2某型飛機顫振模式控制的控制面與傳感器位置11.3.2半主動振動控制20世紀20年代出現(xiàn)的采用電磁閥控制流體流動的沖擊吸振器實際上就是半主動振動控制系統(tǒng)的雛形進入21世紀以來,以磁流變阻尼技術為代表的半主動控制裝置以其優(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用,取得了顯著的振動控制效果目前,以磁流變阻尼技術為代表的半主動振動控制技術進入了迅猛的發(fā)展時期,特別是基于磁流變阻尼器的半主動懸架系統(tǒng)以及半主動起落架系統(tǒng)已發(fā)展成為車輛與飛機的必備組件。目前,振動主動控制技術已發(fā)展成為結構振動分析和控制領域的一個重要分支,成為當前學術研究的熱點213456711.4機敏材料11.4.1壓電材料壓電材料(PiezoelectricMaterial)是一種同時兼具正、逆電-機械耦合特性的機敏材料若對其施加作用力,則在它的兩個電極上將感應產(chǎn)生等量的異號電荷;反之,當它受到外加電壓的作用時,便會產(chǎn)生機械變形?；谶@一特性,壓電材料在振動主動控制中被廣泛用作傳感器和作動器圖11-10常用壓電材料(源自網(wǎng)絡)11.4.2磁致伸縮材料磁致伸縮材料(MagnetostrictiveMaterial)是一種同時兼具正、逆磁-機械耦合特性的機敏材料,當受到外加磁場作用時,便會產(chǎn)生彈性變形;若對其施加作用力,則其形成的磁場將會發(fā)生相應的變化磁性材料在磁場作用下發(fā)生扭轉變化的現(xiàn)象,稱為維德曼效應磁致伸縮效應可用于設計位移作動器或扭轉馬達,而其逆效應可用于制作力或扭矩傳感器等近20年來,隨著磁致伸縮材料的不斷開發(fā)應用以及相應的制造工藝的不斷完善和突破,原材料成本的降低,此材料的市場價格大幅度降低,已形成了代替壓電陶瓷的強大勢頭,已廣泛應用于航空航天、國防軍工、電子工業(yè)、機械工業(yè)、石油工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用等領域11.4.3形狀記憶合金形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)也是一種新型的機敏材料,它在高溫下被處理成一定的形狀后急冷下來,在低溫狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀,當再加熱至高溫穩(wěn)定狀態(tài)時,材料通過馬氏體相變可以恢復到低溫塑性變形前的形狀合金材料的形狀記憶效應如圖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,它又可以魔術般地變回到原來的形狀,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演示(源自網(wǎng)絡)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控制的機敏懸浮體材料在無電場作用時,它通常表現(xiàn)為普通的Newtonian流體,但在外加電場作用下,其表觀黏度在毫秒級的時間內(nèi)會急劇增大(105量級),同時伴隨屈服應力、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可逆的,即在撤除外加電場后,電流變流體又能迅速恢復至原來的狀態(tài)圖11-22電流變流體流變效應示意圖11.4.5磁流變流體磁流變(Magnetorheological,MR)流體則是由高磁導率、低磁滯性的微小(納米至微米尺度大小)磁性顆粒和載體油(非導磁性液體)混合而成的機敏懸浮體材料這種材料在零磁場條件下呈現(xiàn)出低表觀黏度的Newtonian流體特性;而在強磁場作用下,則瞬間(毫秒級)呈現(xiàn)出高表觀黏度(增大105~106倍)、低流動性的Bingham體(黏塑性膠體)特性。而且這種變化是連續(xù)的、可逆的,即當磁場撤銷后,又會迅速恢復到原始液態(tài)圖11-26磁流變流體流變效應示意圖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,在外加磁場下,其力學、電學、磁學等性能會隨外加磁場的改變而變化。因此,它屬于磁流變材料的一個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程相似,主要是材料配比混合、塑煉、混煉和固(硫)化四個階段圖11-31磁流變彈性體(聚氨酯材質(zhì))試樣與模具213456711.5工程應用實例11.5.1快走絲線切割機電極絲的振動主動控制由于傳統(tǒng)的被動控制技術尚不能達到令人滿意的效果,為此采用振動主動控制技術來控制電極絲的振動振動主動控制系統(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器,且將兩者設在同一位置,控制器由可調(diào)式反饋控制電路組成圖11-33線切割機電極絲振動主動控制系統(tǒng)簡圖11.5.2滾筒洗衣機的半主動振動控制滾筒洗衣機在洗滌工作時,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過程中所產(chǎn)生的離心力(盡管機內(nèi)通常配有平衡水泥塊,但無法完全抵消該離心力)極易引發(fā)機體壁面產(chǎn)生振動,同時輻射噪聲。通常采用在滾筒底部左右兩側加裝被動式阻尼器來進行處理,但效果仍不能令人滿意圖11-35

AristonAqualtis型滾筒洗衣機11.5.3銑床托盤式夾具系統(tǒng)的振動主動控制對于機床的振動控制,傳統(tǒng)的研究重點往往針對刀具或主軸系統(tǒng)對于機床的振動控制,傳統(tǒng)的研究重點往往針對刀具或主軸系統(tǒng)圖11-39銑床托盤式夾具系統(tǒng)振動主動控制系統(tǒng)框圖11.5.4基于視覺反饋的光學P&T轉臺的超低頻振動主動控制P&T轉臺(Pan&TiltPlatform)是一種能夠同時繞鉛垂軸和水平軸旋轉的機械工作臺,廣泛應用于光學監(jiān)測系統(tǒng)、精密儀器設備以及火炮、雷達、導彈和衛(wèi)星等尖端武器系統(tǒng)精密平臺系統(tǒng)的超低頻振動控制問題,一直是振動工程領域關注的熱點難題,現(xiàn)有的被動控制技術無能為力,目前的解決途徑主要依靠振動主動控制技術圖11-43帶有CCD攝像頭的某型光學P&T轉臺11.5.5齒輪箱的振動主動控制齒輪箱是機械工程、能源與動力工程以及車輛工程等領域廣泛應用的重要機械傳動部件,其內(nèi)部的齒輪副在嚙合過程中,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應的振動鑒于齒輪嚙合振動所具有的、與嚙合頻率相對應的離散窄帶特性,采用振動主動控制技術來抑制齒輪箱嚙合振動成為可能。這一技術自1994年首次應用于齒輪箱嚙合振動控制領域以來,取得了良好的進展11.5.6衛(wèi)星激光通信望遠鏡機敏復合平臺