機械結構阻尼大小智能化控制系統技術方案

本發明專利技術公開了一種機械結構阻尼大小智能化控制系統，包括阻尼材料層、壓電作動器層、傳感器和阻尼控制系統等，所述阻尼材料層的下部與振動結構基體連接、上部與壓電作動器層連接，壓電式傳感器與振動結構基體下表面或上表面連接，阻尼控制系統硬件主要包括計算機、NI-PCI4472板卡、DAQ板卡、電荷放大器、功率放大器等，壓電式傳感器通過電荷放大器與NI-PCI4472板卡連接，NI-PCI4472板卡通過DAQ板卡、功率放大器與壓電作動器層連接，傳感器為壓電式傳感器，阻尼控制系統采用NI控制系統和阻尼控制算法模塊，能夠自發地改變結構阻尼，使振動衰減，減少機械系統因振動引起的損壞，保持設備的精度，延長使用壽命，抑制結構對環境產生的噪聲污染、保證操作人員的身心健康。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及機械振動及噪聲控制
，尤其涉及一種機械結構阻尼大小智能化控制系統。
技術介紹
振動廣泛存在于各種工作狀態下的機械系統中，比如汽車、火車、輪船等交通工具和飛機、火箭、衛星等飛行器中。強烈的振動不僅會影響儀器儀表工作的精準性和穩定性，嚴重時還會因疲勞破壞而縮短結構的壽命，或者因共振而損壞結構。同時，由于振動而產生的噪聲不僅造成環境的污染，還會危及操作人員的身心健康。因此，必須要降低設備的振動，然而從目前的研究狀況來看，大多數是采用附加阻尼材料的方法進行控制，但其存在以下不足:I)由于設備的運行負荷、運行條件等經常發生變化，引起的振動劇烈程度也在發生變化，而普通的附加阻尼材料層一旦制作安裝好，其阻尼大小就不可改變，當機械系統運行環境發生較為劇烈的振動，特別是共振時，其本身不具備增加阻尼的能力。2)目前在消極隔振的辦法中，當基礎發生低頻振動時，增加阻尼能大大降低結構的振幅；而在基礎高頻激勵下，增加阻尼反而會使其振幅有所增加。
技術實現思路
本專利技術就是為了解決現有技術存在的上述不足，提供一種機械結構阻尼大小智能化控制系統，當機械結構發生振動時，通過阻尼大小的智能化控制，能夠自發地改變結構阻尼，使振動較快地衰減下來，并對不同的環境做出相應的反應，減少機械系統因振動引起的損壞，保持設備的精度和工作可靠性，延長設備的使用壽命，抑制結構對環境產生的噪聲污染、保證操作人員的身心健康。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案:—種機械結構阻尼大小智能化控制系統，包括阻尼材料層、壓電作動器層、傳感器和阻尼控制系統，所述阻尼材料層的下部與振動結構基體連接、上部與壓電作動器層連接，壓電式傳感器與振動結構基體下表面或上表面連接，阻尼控制系統主要包括計算機、N1-PCI4472板卡、DAQ板卡、電荷放大器、功率放大器等，其中壓電式傳感器通過電荷放大器與N1-PCI4472板卡連接，N1-PCI4472板卡通過DAQ板卡、功率放大器與壓電作動器層連接。所述阻尼控制系統硬件采用NI控制系統，軟件則為阻尼控制算法模塊。所述NI控制系統采用N1-PCI4472板卡，高精度頻域測量的8通道動態信號采集卡，適用于振動傳感器的信號采集；N1-PCI4472板卡與Lab VIEW聲音及振動工具包模塊連接、結合使用，可進行高精度的測量，能夠快速采集、分析并記錄振動數據，完全滿足機械結構阻尼大小智能化控制系統振動狀態信息的采集要求。所述阻尼控制算法模塊采用F-XLMS自適應濾波前饋主動控制算法模塊，所述F-XLMS自適應濾波前饋主動控制算法模塊包括結構特征模塊、濾波器參數模塊、比較器模塊、LMS模塊、第一控制通道特征模塊、第二控制通道特征模塊，其中結構特征模塊與比較器模塊連接，濾波器模塊通過第一控制通道特征模塊與比較器模塊連接，比較器模塊與LMS模塊連接，第二控制通道特征模塊與LMS模塊連接，LMS模塊與濾波器模塊連接。本專利技術中F-XLMS算法分為兩種情況，一種是增大阻尼的F-XLMS算法，另一種是減少阻尼的反F-XLMS算法。前者是，當壓電傳感器貼于彎曲振動結構基體的下表面時，使阻尼控制系統發出的電壓信號與傳感器同相位，當壓電傳感器貼于彎曲振動結構基體的上表面時，使阻尼控制系統發出的電壓信號與傳感器反相位，同時讓控制電壓的幅值增加，壓電作動器層變形幅值也就增加，阻尼材料層獲得較大剪切變形，從而提高整個結構的阻尼；后者與前者相反，控制電壓信號的幅值與相位，使壓電作動器層變形接近于基體結構的變形，使得阻尼材料層獲得最小剪切變形，從而降低整個結構的阻尼。所述F-XLMS自適應濾波前饋主動控制算法模塊，對于由支撐基礎引起的強迫振動，當激振頻率小于1.41倍的結構固有頻率時，采用增大阻尼的F-XLMS算法，可以有效的控制結構振動；當激振頻率大于1.41倍的結構固有頻率時，采用減少阻尼的F-XLMS算法。以滿足不同振動的要求:對于由支撐基礎引起的強迫振動，當結構發生共振時，增加阻尼能大大降低結構的振幅；而在高頻激勵下，增加阻尼反而會使其振幅有所增加。所述阻尼材料層采用氯化丁基橡膠、或氯丁橡膠、或丁腈橡膠。采用氯丁橡膠、丁腈橡膠、氯化丁基橡膠等高分子阻尼材料作為減振材料，能防止或減輕機械振動對設備的破壞。氯化丁基橡膠阻尼材料，因丁基橡膠分子鏈上帶有許多甲基，彈性滯后較大，所以具有優越的阻尼性能，而且丁基橡膠氯化后，反應性和粘合性能明顯提高。阻尼材料層貼在振動結構基體表面，壓電作動器層則貼在阻尼材料層上方。所述壓電作動器層采用壓電聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)作為壓電材料。這種材料具有較高的壓電常數和機電耦合系數，因此具有較高的靈敏度和頻率響應特性。該壓電作動器層貼于阻尼材料層之上，壓電作動器層的上下兩側通過導線分別連接到功率放大器上，阻尼控制系統發出控制信號，經功率放大器后，對壓電作動器層施加電壓，壓電材料發生逆壓電效應，帶動阻尼材料層一起伸長或縮短，使其發生剪切變形。當壓電傳感器貼于彎曲振動結構基體表面板的下表面時，阻尼控制系統發出的電壓信號與傳感器同相位；當壓電傳感器貼于彎曲振動結構基體面板的上表面時，阻尼控制系統發出的電壓信號與傳感器反相位，這樣使得高分子阻尼材料層獲得較大剪切變形，從而提高整個結構的阻尼。反之，當控制信號的幅值和相位使壓電作動器層變形接近于傳感器的變形且方向相同時，使得高分子阻尼材料層獲得最小剪切變形，從而降低整個結構的阻尼。所以通過調整測量原件與控制信號的相位以及控制信號的幅值，可以實現阻尼大小的智能化控制。所述傳感器為壓電式傳感器，采用壓電式傳感器對機械裝置的振動狀態信息如加速度、振幅、頻率等反饋給阻尼控制系統以實現阻尼的智能控制，具有靈敏度高、體積小、重量輕、動態特性好、頻響快等特點。本專利技術的工作原理:對于壓電材料，當沿著一定方向受到作用力時，不但產生機械變形，而且內部極化，表面有電荷出現，當去掉外力后，又可以恢復到原來不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應。相反，若在這些材料的極化方向上施加電場，電場使極化強度增強，也就是使壓電材料內正負束縛電荷之間的距離增大，它會因受電場力而產生機械變形，即在該方向上伸長或縮短，當去掉外加電場后，變形會隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。由于壓電材料的逆壓電效應，其應變與通電電壓成正比。當對壓電作動器層通電時，會在其兩端產生電場，通過控制通電電壓，改變電場強度，使壓電作動器層相應的伸長或縮短，并帶動阻尼材料層一起伸長或縮短，因為阻尼材料層應變改變，會導致其阻尼大小也隨之改變，即通過控制壓電作動器層的伸縮來控制阻尼材料層的剪切應變大小，從而實現阻尼大小的可控性，達到控制阻尼大小的目的。本專利技術的有益效果:1.本專利技術將現代控制理論、計算機技術和壓電材料技術相結合，在機械結構振動時，自發地改變結構阻尼，使其振動較快地衰減下來，實現對機械結構振動的智能化主動控制，減少機械系統因振動引起的損壞，保持設備的精度，延長設備的使用壽命，并抑制結構對環境產生的噪聲污染、保證操作人員的身心健康，而且實用性強、可靠性高，經濟性好；2.采用壓電式傳感器對機械裝置的振動狀態信息實時監測，實現阻尼的智能控制，具有靈敏度高、體積小、重量輕、動態特性好、頻響快的特點；3.采用N1-PCI4472板卡及Lab V本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機械結構阻尼大小智能化控制系統，其特征是，所述系統包括阻尼材料層、壓電作動器層、振動傳感器和阻尼控制系統，所述阻尼材料層的下部與振動結構基體連接、上部與壓電作動器層連接，振動傳感器與振動結構基體下表面或上表面連接，阻尼控制系統主要包括計算機、NI?PCI4472板卡、DAQ板卡、電荷放大器、功率放大器，其中振動傳感器通過電荷放大器與NI?PCI4472板卡連接，NI?PCI4472板卡通過DAQ板卡、功率放大器與壓電作動器層連接。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁森，王常松，雒磊，
申請(專利權)人：青島理工大學，
類型：發明
國別省市：