电磁式主被动复合隔振器关键技术研究

【摘要】：随着现代科技的发展,越来越多的场合对振动环境提出了高要求,振动控制技术在现代生产、生活中日益受到人们的重视,取得了较为丰硕的理论研究成果,并已成功应用于建筑结构抗震、机械结构减振控制、精密机械、仪器及平台稳定控制以及车辆等交通工具的舒适性改善等诸多工程领域中。传统的被动隔振技术高频减振的效果显著,但低频减振效果却不甚理想,已经不能满足减振性能的高要求。 针对这一现状,本文以水下安静型航行器的减振降噪为主要实际背景,结合主、被动隔振各自的优点,开展了电磁式主被动复合隔振器的设计及其控制策略的研究工作。主要包括以下几个方面：电磁式主被动复合隔振器的设计与实现,基于FIR滤波器的自适应前馈控制律设计,考虑内部反馈下的自适应前馈控制律设计,主被动复合隔振性能评价方法研究以及在隔振模拟实验平台上的主动隔振实验研究。 隔振器件是主被动复合隔振系统的关键组成部分。本文结合现有隔振理论的研究成果,提出了一种电磁式主被动复合隔振器的基本设计原则。在此基础上,以某型隔振器的设计为例,对单级被动隔振系统的特性进行了分析,并分析了引入主动隔振对单级隔振系统特性的影响,指出：当激振频率与自然频率的比值大于临界频率比时,主动隔振不会加剧隔振对象的振动,甚至在自然频率附近对隔振对象的振动还有明显的抑制作用。进而提出了一种根据动力设备负载质量,激振频段下限频率值以及临界频率比设计主被动复合隔振系统的方法,完成了主被动复合隔振器主、被动环节的设计工作。 在电磁作动单元的设计上,本文采用磁路分析方法给出了匀强磁场假设下电磁作动单元的解析模型,通过Ansoft仿真分析并结合作动器设计制作经验,给出了电磁作动单元解析模型的适用范围。在此基础上,提出了主被动复合式隔振器电磁作动单元的设计指标及步骤。根据设计步骤,给出了使得作动器重量最小时电磁作动单元的尺寸。之后,分析了线圈时间常数对作动器性能的影响,讨论了在线圈匝数一定的情况下,线圈厚度与电磁铁重量、空心线圈时间常数之间的关系,并引入电流环矫正技术加以补偿。最后,对隔振器样机进行了电磁力实验建模,结果表明电磁作动器的性能达到了设计目标。 目前,应用最广泛的简谐振动主动控制方法是基于FXLMS算法的自适应前馈控制算法,但是这种算法的应用需要对次级通道建模,这增加了系统实现的复杂度,且建模误差可能导致算法发散。为此,本文结合FXLMS算法和LMS算法的几何分析结果,改进了一种无需建立次级通道模型的LMS控制算法。分析了该算法直接用于多频振动控制可能存在的不足,将算法拓展到了多频振动控制的情形。 振动主动控制中内部反馈通道的存在使得自适应滤波器的参考信号变得不稳定,在这种情况下自适应滤波器采用FIR结构是有问题的,算法的稳定性难以保证。为此,引入了同时具有零点和极点滤波器结构的FULMS算法,将其推广到了不考虑次级通道模型的情况,给出了无需建立次级通道模型的IIR-LMS算法,结合Ljung提出的常微分方程方法分析了算法的收敛性能,给出了内部反馈存在与否时算法的稳定性条件,并以隔振模拟实验平台为对象进行了仿真验证。 本文引入了一种同时具有零点和极点的全反馈型滤波器结构,推导了无需次级通道建模的全反馈IIR-LMS算法,并将其与一般的IIR-LMS算法进行了仿真比较；将全反馈IIR-LMS算法移植到需要建立次级通道模型的情况,给出了全反馈滤FULMS算法；分析了FXLMS、FULMS以及全反馈FULMS算法中算子次序交换的影响,给出了交换误差的定义,通过估计交换误差的方法对全反馈FULMS算法进行修正,提出了基于交换误差的全反馈FULMS算法,并将修正算法与原算法进行了仿真比较。 本文以典型隔振系统为对象,对几种传统的隔振性能评价指标,如力传递率、插入损失、振级落差、功率流等进行了分析比较,总结指出了各项传统隔振性能指标适用范围和优缺点。采用理论分析和数值模拟的方法研究了各种传统性能指标与隔振器理论设计指标之间的关系。在此基础上,提出了一种可操作性好,能够反映被动隔振和主动隔振对不同频段减振的贡献以及两者之间的相互影响的主被动复合隔振性能指标。最后,根据隔振模拟实验系统的构建情况对主被动复合隔振评价方法作了简化,使得该评价方法更为简便易行,利于工程实现。 建立了一套隔振模拟实验系统,以电磁式主被动复合隔振器作为执行机构,设计了适用于电磁式主被动复合隔振器主动隔振控制律,采用改进的无需次级通道建模的LMS控制算法、多通道解耦控制算法以及无需次级通道建模IIR-LMS控制算法进行了振动主动控制实验。实验结果表明：本文研究的振动主动控制方法可以显著地提高隔振模拟实验系统在实验频段内的减振能力。