楊理華,朱石堅(jiān),樓京俊,李 棒
(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,武漢430033;2.中國(guó)人民解放軍海軍 南海工程設(shè)計(jì)院,廣東 湛江524005)
混合隔振系統(tǒng)自適應(yīng)模糊滑??刂?/p>
楊理華1,朱石堅(jiān)1,樓京俊1,李 棒2
(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,武漢430033;2.中國(guó)人民解放軍海軍 南海工程設(shè)計(jì)院,廣東 湛江524005)
針對(duì)機(jī)械設(shè)備被動(dòng)隔振在低頻段隔振效果較差的問(wèn)題,建立磁致伸縮作動(dòng)器的電—磁—機(jī)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型,提出一種基于自適應(yīng)模糊滑??刂扑惴?,并用李雅普諾夫方法證明控制器的穩(wěn)定性,將該控制策略與磁致伸縮作動(dòng)器應(yīng)用于混合隔振系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明:在單頻、多頻及隨即激勵(lì)條件下,自適應(yīng)模糊滑模控制器具有良好的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性,能夠提高系統(tǒng)隔振效率并拓寬隔振頻段,有效減小傳至基礎(chǔ)的力。
振動(dòng)與波;被動(dòng)隔振;磁致伸縮作動(dòng)器;自適應(yīng)模糊滑模算法;混合隔振
振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備形成干擾,使其工作可靠性下降,甚至?xí)斐蓢?yán)重?fù)p失。傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振技術(shù)應(yīng)用已久,但是機(jī)械設(shè)備在外界激勵(lì)振幅較大或低頻條件下其隔振效果較差且隔振頻段較窄,而主動(dòng)控制恰好彌補(bǔ)了這一不足[1,2]。隨著智能材料和主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,被動(dòng)隔振技術(shù)已不能滿足振動(dòng)控制精度的需求。因此,有必要將智能材料、被動(dòng)隔振及主動(dòng)控制結(jié)合而形成混合隔振系統(tǒng)來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題,但這方面的研究還是相對(duì)較少[3—5]。
磁致伸縮材料(giant magnetostrictive material,GMM)為一種新型的智能材料,具有定位精度高、響應(yīng)速度快、工作頻帶寬、能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出力大等優(yōu)點(diǎn),由其制作的磁致伸縮致動(dòng)器(magnetostrictive actuator,MA)在振動(dòng)控制領(lǐng)域、精密定位、機(jī)器人等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[6—10]。張磊[11]分析了MA的狀態(tài)空間控制模型,通過(guò)傳遞函數(shù)研究了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)隔振性能的影響,但并未對(duì)其在主動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究。Geng Z J[12]采用TeHenol-D作動(dòng)器進(jìn)行了6自由度Stewart平臺(tái)的主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究,使平臺(tái)的振動(dòng)有一定衰減。張?zhí)祜w[13]建立了磁致伸縮作動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)方程,并結(jié)合PID控制算法將其運(yùn)用到隔振系統(tǒng)中對(duì)低頻振動(dòng)有一定的減振效果,但系統(tǒng)的自適應(yīng)能力較差。Francesco[14]計(jì)算了MA傳遞函數(shù)的幅頻曲線,以單自由度隔振系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行了MA的主動(dòng)控制仿真研究,結(jié)果表明使用MA可明顯減小傳遞至基礎(chǔ)的力。王社良[15]設(shè)計(jì)出一種磁致伸縮作動(dòng)桿,并以LQR算法為基礎(chǔ)分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng),結(jié)果表明磁致伸縮材料作動(dòng)桿可有效地減小結(jié)構(gòu)的加速度和位移響應(yīng)。謝向榮[16]以壓磁理論和Stone-Weierstrass定理為基礎(chǔ),建立了柔性基礎(chǔ)上的混合隔振系統(tǒng)的剛度非線性動(dòng)力學(xué)模型,但是僅分析了混合隔振系統(tǒng)幅頻特性及電流對(duì)系統(tǒng)隔振效果的影響。
混合隔振系統(tǒng)中隔振器存在動(dòng)剛度、外界時(shí)變激勵(lì)等不確定性因素,所以有必要在控制策略中充分考慮系統(tǒng)的魯棒性?;?刂扑惴ㄔ谙到y(tǒng)處于滑動(dòng)模態(tài)時(shí)與系統(tǒng)參數(shù)及外部擾動(dòng)無(wú)關(guān),具有較好的魯棒性,但是傳統(tǒng)的滑??刂圃谙到y(tǒng)進(jìn)入滑模面時(shí)存在一定的抖振,本文將自適應(yīng)、模糊理論及滑??刂平Y(jié)合起來(lái)構(gòu)成自適應(yīng)模糊滑??刂破?,以期混合隔振系統(tǒng)具有較好的魯棒性及優(yōu)良的隔振效果。
磁致伸縮作動(dòng)器的原理圖如圖1所示,主要由偏置磁場(chǎng),GMM棒,驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)等組成。在低頻條件下,忽略渦流損耗和溫漂影響,作動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性可以用2階系統(tǒng)描述。根據(jù)克希荷夫定律及磁場(chǎng)理論可知
其中R、L′、I(t)、V分別為驅(qū)動(dòng)線圈電阻、電感、電流、電壓,為線圈因數(shù),Hbias為偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度,l為GMM棒的實(shí)際長(zhǎng)度,n為驅(qū)動(dòng)線圈的匝數(shù)。
圖1 磁致伸縮做動(dòng)器的原理圖
根據(jù)壓磁理論可知,GMM棒機(jī)械特性可表示為
其中SH為軸向的柔順系數(shù),σ為軸向應(yīng)力,d為軸向壓磁系數(shù),H為軸向的磁場(chǎng)強(qiáng)度,μσ為軸向相對(duì)磁導(dǎo)率,ε為軸向應(yīng)變,B為軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。若考慮GMM棒的質(zhì)量與阻尼影響時(shí),則方程(3)可修正為
其中c、ρ、L、A分別為GMM棒內(nèi)部等效阻尼系數(shù)、密度、物理長(zhǎng)度、橫截面積,應(yīng)變?cè)趶椈傻念A(yù)緊力σ0作用下,GMM棒的輸出力fa與頂桿輸出力f和預(yù)緊力滿足式(5)
由于實(shí)際應(yīng)用中,GMM棒總受彈簧預(yù)應(yīng)力σ0和Hbias作用,存在靜態(tài)平衡位置x0可表示為
其中,m2、c2、k2分別為負(fù)載(包括輸出頂桿、末端質(zhì)量)等效質(zhì)量、阻尼系數(shù)、剛度系數(shù),
實(shí)際測(cè)量到的位移x1=x-x0,聯(lián)立式(2)、(4)、(5)、(6)可得分別為GMM棒等效質(zhì)量、阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)。聯(lián)立(2)、(5)、(7)式由拉氏變換可得作動(dòng)器輸出力和驅(qū)動(dòng)電壓的傳遞函數(shù)為
圖2 混合隔振系統(tǒng)模型
本文所研究混合隔振系統(tǒng)模型如圖2所示,上層質(zhì)量為M2,阻尼為C2,剛度系數(shù)K2,下層質(zhì)量為M1,阻尼系數(shù)為C1,剛度系數(shù)為K1,f為磁致伸縮作動(dòng)器輸出力,由此可得混合隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程如下
四是力圖貼近當(dāng)代中小學(xué)生的語(yǔ)文生活,體現(xiàn)時(shí)代性。比如,體現(xiàn)在七年級(jí)上冊(cè)教材中,課文的選擇在體現(xiàn)作家作品、文章風(fēng)格方面,就非常豐富且視野更加開(kāi)闊。全面的中國(guó)風(fēng)采以及部分優(yōu)秀外國(guó)作家的作品等,共同對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)以及良好的語(yǔ)文素養(yǎng)的養(yǎng)成,都起到了非常積極的促進(jìn)作用;并且,在實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的三維教學(xué)目標(biāo)之“情感態(tài)度與價(jià)值觀”目標(biāo)過(guò)程中,也更加易于操作和對(duì)學(xué)生產(chǎn)生積極的影響,從而實(shí)現(xiàn)新教材的通過(guò)文本閱讀對(duì)學(xué)生思想產(chǎn)生“有機(jī)滲透”以“立德樹(shù)人”的目標(biāo)。
3.1 自適應(yīng)模糊滑??刂破?Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control,AFSMC)的設(shè)計(jì)
滑模控制是根據(jù)系統(tǒng)偏差及其各階導(dǎo)數(shù)值,以躍變方式切換完成滑模運(yùn)動(dòng),整個(gè)過(guò)程未對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡作出限制,因此滑??刂凭哂袃?yōu)良的動(dòng)態(tài)控制效果。本文以式(10)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)滑??刂破?,其切換函數(shù)如下:
式中 ε為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)趨近切換面的速率,sat(s)為飽和函數(shù),k為指數(shù)趨近系數(shù)。
傳統(tǒng)的滑??刂坡纱嬖谝欢ǖ亩墩瘳F(xiàn)象,為使提高控制器的穩(wěn)定性,需要對(duì)ε、k進(jìn)行修正。本文建立了ε與|S|間的線性函數(shù)如式(13)所示,該式可滿足滑??刂破鲗?duì)切換速率ε自適應(yīng)的要求,β為修正系數(shù)
此外趨近系數(shù)k對(duì)滑模控制抖振也有較大的影響,本文提出提出用模糊控制消除其對(duì)抖振的影響。建立和Δk之間的模糊系統(tǒng),系統(tǒng)模糊輸入輸出集為
本文采用積分法對(duì)趨近系數(shù)k進(jìn)行上界估計(jì)
其中δ為比例系數(shù),δ>0。根據(jù)以上分析可知聯(lián)立式(11)、(12)、(13)、(15)可得自適應(yīng)滑??刂坡蔀?/p>
表1 系統(tǒng)模糊規(guī)則表
3.2 自適應(yīng)模糊滑??刂破鞯姆€(wěn)定性分析
本文使用李雅普諾夫方法證明自適應(yīng)滑模控制器的穩(wěn)定性。通常用李雅普諾夫函數(shù)的到達(dá)條件來(lái)描述系統(tǒng)全局到達(dá)條件,李雅普諾夫函數(shù)如式(17)所示
顯然,S(t)=0是系統(tǒng)的唯一平衡點(diǎn),在該點(diǎn)系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定,在連續(xù)條件下李雅普諾夫函數(shù)1階導(dǎo)數(shù)可表示為
聯(lián)合式(11)、(12)、(18)可得:
由于 ε、k都為正數(shù),故當(dāng)S(t)>0時(shí),sat(S(t))>0、|S(t)|>0且S2(t)>0,有;當(dāng)S(t)<0時(shí),sat(S(t))<0且S2(t)>0,有,故而總有,因此所設(shè)計(jì)的滑模控制器是滿足李雅普諾夫漸進(jìn)穩(wěn)定條件的,本文所研究系統(tǒng)為線性系統(tǒng),因此也是全局穩(wěn)定的。
混合隔振系統(tǒng)的隔振性能主要考慮傳遞至基礎(chǔ)的力。以被動(dòng)隔振為參考對(duì)象,研究混合隔振系統(tǒng)在單頻、多頻及白噪聲激勵(lì)下的響應(yīng)用以評(píng)價(jià)其隔振效果,參數(shù)如表2所示。
由相關(guān)參數(shù)知系統(tǒng)固有頻率為3.22 Hz、16.77 Hz。為驗(yàn)證混合隔振系統(tǒng)隔振效果,取單頻激 勵(lì)5 Hz、12 Hz、25 Hz及多 頻激 勵(lì)6+20+50 Hz,仿真結(jié)果如下圖(3)—圖(8)所示。
由圖3、圖4、圖5、圖6、圖7可知,在單頻5 Hz、12 Hz、25 Hz、多頻6 Hz+20 Hz+50 Hz及隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)下,相對(duì)于被動(dòng)隔振,混合隔振系統(tǒng)傳遞至基礎(chǔ)的力幅值有較大幅度下降,兩種控制方法均可有效衰減了外界激勵(lì)對(duì)基礎(chǔ)的影響,但自適應(yīng)模糊滑??刂频幕旌细粽裣鄬?duì)于傳統(tǒng)的滑??刂苹旌细粽裼懈玫目刂菩Ч?。
表2 混合隔振系統(tǒng)仿真參數(shù)
本文用分別用混合隔振1、混合隔振2表示傳統(tǒng)滑模控制及自適應(yīng)模糊滑??刂频幕旌细粽瘛S杀?可知,在單頻、多頻及隨機(jī)激勵(lì)條件下,混合隔振1傳遞至基礎(chǔ)的力均方值分別下降了11.3%、2.3%、-0.3%、22.0%、7.4%;混合隔振2傳遞至基礎(chǔ)的力均方值分別下降了19.6%、4.0%、0.6%、35.6%、25.8%。因此,基于自適應(yīng)模糊滑模控制算法的混合隔振系統(tǒng)在較寬的頻段內(nèi)具有明顯的隔振效果,可以進(jìn)一步有效減小傳遞至基礎(chǔ)的力。
由圖8可知,被動(dòng)隔振系統(tǒng)的兩個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的固有頻率與理論計(jì)算的固有頻率完全吻合,且在1、2階模態(tài)時(shí)相對(duì)于被動(dòng)隔振,混合隔振1及混合隔振2分別獲得15 dB、10 dB及28 dB、18 dB的隔振效果,混合隔振的固有頻率分別為2.6 Hz、22.5 Hz及2 Hz、38.8 Hz,與被動(dòng)隔振交叉點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為2.8 Hz、67 Hz及2.2 Hz、132 Hz。因此,混合隔振改變了系統(tǒng)的固有頻率且自適應(yīng)滑??刂频幕旌细粽窀佑行У赝貙捪到y(tǒng)的隔振頻段。由此說(shuō)明,混合隔振也比較適合于中低頻段的振動(dòng)控制,這彌補(bǔ)了被動(dòng)隔振隔振效果的不足,有效拓寬了隔振頻段,對(duì)研究中低頻段的隔振有著重要的作用。
圖3 5 Hz激勵(lì)傳至基礎(chǔ)的力歷程圖
圖4 12 Hz激勵(lì)傳至基礎(chǔ)的力歷程圖
圖5 25 Hz激勵(lì)傳至基礎(chǔ)的力歷程圖
圖6 多頻激勵(lì)時(shí)激勵(lì)傳至基礎(chǔ)的力歷程圖
圖7 白噪聲激勵(lì)傳至基礎(chǔ)的力歷程圖
圖8 系統(tǒng)力傳遞
本文針對(duì)被動(dòng)隔振在中低頻段隔振效果較差的現(xiàn)狀,建立了磁致伸縮作動(dòng)器的電—磁—機(jī)動(dòng)力學(xué)方程,結(jié)合滑??刂评碚摚岢鲆环N自適應(yīng)模糊滑??刂破鞯脑O(shè)計(jì)方法,并使用李雅普諾夫理論分析了該算法的穩(wěn)定性,進(jìn)而研究了其在混合隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用,結(jié)果表明:在單頻激勵(lì)、多頻激勵(lì)及隨即激勵(lì)條件下,混合隔振系統(tǒng)隔振效果均明顯優(yōu)于被動(dòng)隔振;自適應(yīng)模糊滑模算法相對(duì)傳統(tǒng)滑模算法具有更好的控制效果,可以更為有效地拓寬系統(tǒng)的隔振頻段,提高響應(yīng)速度,有效減小傳遞至基礎(chǔ)的力;混合隔振有一定的控制范圍,超出其控制頻段隔振效果與被動(dòng)隔振相當(dāng)。本文對(duì)研究混合隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有一定實(shí)際意義。
表3 隔振性能對(duì)比
致謝
感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(51009143)和全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)基金(201057)支持。
[1]Engdahl G.Handbook of giant magnetostrictive materials [J].Academic press,2000.
[2]Koko T.S,Akpan U.O,Berry A.“Vibration control in ship structures”,Encyclopedia of Smart Materials,John Wiley and Sons Ltd.2002.
[3]李國(guó)平,魏燕定,楊東利.陳子辰用于微振動(dòng)控制的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的研究[J].微電子學(xué),2002,32(3):182-184.
[4]潘海兵,劉晉浩,趙文銳.混合振動(dòng)控制技術(shù)的研究[J].煤礦機(jī)械,2008,29(12):11-13.
[5]胡世峰,朱石堅(jiān),樓京俊.潛艇動(dòng)力設(shè)備混合隔振自適應(yīng)控制系統(tǒng)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2011,3:107-111.
[6]Sathishkumar R,Prasath J S.Terfenol-D∶a high power giant magnetostrictive material for submarine mapping[J].International Journal of Engineering Science and Technology,2010,2(12)∶7165-7170.
[7]陶孟侖,陳定方,盧全國(guó),等.超磁致伸縮材料動(dòng)態(tài)渦流損耗模型及試驗(yàn)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(13):146-151.
[8]胡世峰,朱石堅(jiān).基于CMAC小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超磁致伸縮作動(dòng)器高精度控制的仿真研究[J].振動(dòng)與沖擊,2009,28(3):68-72.
[9]H.Y.Lau,K.P.Liu.Feasibility of using gmm based actuators in active control of journal bearing system[J].Proceedings of the World Congress on Engineering 2009 Vol II WCE 2009,July 1-3,2009,London,U.K.
[10]Hiller M.W,BryantM.D,Umegak i.J.Attenuation and transformation of vibration through active control of magnetostrictive terfenol[J].Journal of Sound and Vibration,1989;134(3)∶507-519.
[11]張磊,劉永光,付永領(lǐng),等.基于磁致伸縮作動(dòng)器的主動(dòng)隔振系統(tǒng)分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2004,19(6):782-78.
[12]Z Jason Geng,Leonard S Haynes.Six degree of freedom active vibration control using the stewart platforms[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology, March,1994,2(1)∶45-53
[13]張?zhí)祜w,汪鴻振,孫曜.超磁致伸縮作動(dòng)器用于振動(dòng)主動(dòng)控制中的仿真研究[J].振動(dòng)與沖擊,2006,25(1):61-65.
[14]Francesco Castelli Dezza,Simone Cinquemani.A model of magnetostrictive actuators for active vibration control.Proceedings of 2011 IEEE 5 th international conference on mechanics of biomaterials and tissues Italy,February 15.
[15]王社良,紀(jì)慶波,代建波,等.基于超磁致伸縮作動(dòng)桿的結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2010,6:23-26.
[16]謝向榮,朱石堅(jiān).船舶動(dòng)力機(jī)械雙層混合隔振系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性研究[J].振動(dòng)與沖擊,2010,29(3):174-177.
[17]Clark A E.Magnetostrictive rare earth-Fe2 compounds [M].Edit by EP Wohlfarth.New York,USA∶North-Holland Publishing Company,1980.
[18]Clark A.E,Savage H.T,Spano M.L.Effect of stress on magnetostriction and magnetization of single crystal of Tb27Dy73Fe2[J].IEEE Transactions on magnetics, 1984,20(5)∶1443-1445.
[19]Won-jong Kim,Ali Sadighi.A novel low-power linear magnetostrictive actuator with local three-phase excitation[J].USA IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2009,21(10)∶3017-3021.
[20]王博文,曹淑瑛,黃美文.磁致伸縮材料與器件[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.
[21]金 嶠.結(jié)構(gòu)振動(dòng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制研究[D].大連:大連理工大學(xué),2005.
[22]劉金錕.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.
[23]S.Yu,G.Alici,B.S hirinzadeh.Sliding mode control of a piezoelectric actuator with neural network compensating rate-dependent hysteresis.Proceedings of the 2005 IEEE [J].International Conference on Robotics and Automation Barcelona,Spain,April 20.
[24]David Young K.A control engineer's guide to sliding mode control[J].IEEE Transactions on Control System Technology,2004,3∶156-164.
[25]Ricardo C.L.F.Oliveiraa,Maurício C.de Oliveirab,Pedro L.D.Peresa.Convergent LMI relaxations for robust analysis of uncertain linear systems using lifted polynomial parameter-dependent Lyapunov functions[J].Systems&Control Letters,2008,57(8)∶680-689.
Adaptive Fuzzy Sliding-mode Controller for Hybrid Vibration Isolation Systems
YANG Li-hua1,ZHU Shi-jian1,LOU Jing-jun1,LIBang2
(1.College of Power Engineering,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China; 2.South Sea Engineering Design Institute of the PLANavy,Zhanjiang 524005,Guangdong China)
∶Aiming at the problem of poor vibration isolation effect of passive vibration isolators of mechanical equipment in low frequency range,an electric-magnetic-mechanical conversion model for magnetostrictive actuators is established,and an adaptive fuzzy sliding-mode control algorithm is proposed.The stability of the controller is proved by Lyapunov method.Then,the control strategy and the magnetostrictive actuator are used in a hybrid vibration isolation system.The simulation results show that in whatever conditions of single frequency excitation,multi-frequency excitation or random excitation,the adaptive fuzzy sliding-mode controller has good dynamic characteristics and robustness.This property can also be used to improve the isolation efficiency and broaden the vibration isolation frequency band of the hybrid system,and effectively reduce the force transmitted to the foundation of the mechanical equipment.
∶vibration and wave;passive vibration isolation;magnetostrictive actuator;adaptive fuzzy sliding mode algorithm;hybrid vibration isolation
O328< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI編碼:
10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.043
1006-1355(2014)06-0192-05
2014-03-27
楊理華(1985-),男,陜西漢中人,博士研究生,振動(dòng)與噪聲控制專業(yè)。
E-mail∶dreamfly4@163.com