[发明专利]基于状态观测的半主动吸振器控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及基于状态观测的半主动吸振器控制系统，更具体地说是一种适用于汽车发动机悬置系统、新能源汽车动力总成悬置系统、舰艇动力系统、医疗器械系统、特种装备运载器、机床加工设备等使用旋转机械作为动力的磁流变弹性体吸振器减振控制系统。

背景技术

旋转机械在为工程应用提供动力的同时，也给系统带来了振动扰动，且振动扰动的频率与其转速成一定的比例。以汽车内燃机动力总成为例，在内燃机工作时，气缸压力和往复惯性力产生的俯仰力矩是内燃机的主要振动激励，该扰动转矩频率是内燃机转速角频率的两倍。在工程应用中，为减小旋转机械的振动对系统造成的不良影响，在旋转机械和基体之间设置有悬置元件。匹配合理的悬置元件既能有效隔离旋转机械的振动向基体的传递，又能隔离来自基体的扰动对旋转机械产生的不良影响。因此，设计合理的悬置元件不但能有效衰减旋转机械系统的振动，而且可以延长系统相关零部件的使用寿命。

按照悬置元件可控特性，悬置元件可以分为被动悬置元件、半主动悬置元件和主动悬置元件。其中，被动悬置元件以橡胶悬置元件和液压悬置元件最为常见；半主动悬置元件是基于诸如电磁流变材料等智能材料设计的执行器件。通过改变智能材料的可控参数来控制悬置元件的动力学特性，即可有效衰减悬置系统的振动。由于采用智能材料种类的不同及工作原理的差异，半主动悬置元件形式多种多样。其中，基于动力吸振器原理而设计的悬置结构是半主动悬置元件的一种，该悬置元件通过控制动力吸振器的固有频率跟踪旋转机械的激励频率，就可有效衰减旋转机械的振动。动力吸振器的弹性元件由刚度可控的智能材料制成为佳，其中磁流变弹性体是广泛采用的材料之一。磁流变弹性体是磁流变材料的一种，它由高分子聚合物和微米尺度的铁磁性颗粒组成，其磁滞模量可由外加磁场的大小控制。磁流变弹性体具有刚度连续可控、响应速度快、可逆性好、无需封装等优点，适合作为动力吸振器的弹性元件，因此磁流变弹性体动力吸振器在振动控制领域受到了一定的关注。

对磁流变弹性体动力吸振器进行有效的控制是其有效工作的必要条件。已有Kim等人通过实验拟合了磁流变弹性体动力吸振器固有频率与磁感应强度之间的数学表达式，通过测得系统的激励频率计算得到所需的外加磁场，仿真结果表明该算法具有良好的振动控制效果。Zhang等人设计了bang-bang控制算法对磁流变弹性体动力吸振器进行控制，结果表明该算法可以有效地衰减系统的振动。考虑到磁流变弹性体动力吸振器中由磁流变弹性体的非线性因素引起的磁场强度和磁流变弹性体磁滞模量的不确定关系，Liao等人提出了一种基于相位的控制算法，该算法具有调整速度快、稳定性好等优点。

申请号为2005100948823的中国发明专利申请中公开了一种磁流变弹性体移频式吸振器的控制方法，首先测得吸振器的固有频率与其线圈输入电压之间的对应关系，利用传感器测得减振对象的振动信号并检测其振动频率，根据振动频率与线圈电压之间的关系确定所需的控制电压。申请号为200510094987.9的中国发明专利申请中公开了一种磁流变弹性体主动吸振系统的控制方法，通过加速度传感器获得减振对象的振动频率、幅值和相位信息，分别对变刚度元件和主动力元件进行自寻优算法的粗调和精调。申请号为201410299504.8的中国发明专利申请公开了一种变刚度变质量的吸振器控制方法，以快速傅里叶算法获得外界激励频率，并在当前吸振器质量的条件下实现对吸振器刚度的控制。申请号为201410131768.2的中国发明专利申请中公开了一种主动吸振器控制方法，其根据监测得到未知振动源的振动信号，通过控制单元控制主动振动源实现对未知振动源振动的有效控制。

然而，由于旋转机械复杂的工作条件，旋转机械的激励，包括其激励频率和激励幅值总是不断的变化，要对旋转机械的振动信号进行准确的频率识别非常困难。另一方面，由于磁流变弹性体的磁滞模量不仅与外加磁场大小相关，还和磁流变弹性体的应变量和激励频率相关，磁流变弹性体磁滞模量与外加磁场之间的精确数学模型很难建立。所以在旋转机械半主动悬置系统的振动控制中，已有的基于激励频率识别的磁流变弹性体动力吸振器控制算法很难有效地工作。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种基于状态观测的半主动吸振器控制系统，以期能够实现对半主动吸振器的快速、有效、稳定的控制，降低旋转机械传递到基体的振动能量，减小旋转机械相关零部件的振动，延长其使用寿命。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：