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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 磁悬浮隔振器的动态建模与自收敛控制 姓名：段小帅 申请学位级别：硕士 专业：控制科学与工程 指导教师：梁青 20100510 摘 要 I 摘 要 摘 要 振动控制是船舶领域内一个非常重要的问题。传统的被动隔振一旦安装完 成，其参数难以改变，对隔振对象的状态变化和振源的变化没有较强的适应性， 且被动隔振不能保证低频段的隔振性能。与其相比，主动隔振具有自适应性强、 对低频振动控制效果好等优势，逐渐成为研究的热点。本文基于自行设计的第 2 版磁悬浮隔振器，开展了主动隔振相关的理论与实验研究。 详细推导了隔振系统中振级落差、插入损失和力传递率三个隔振评价指标 的表达式，
2、得出了在一定的条件下三个指标相差一个常量的关系，提出了一种 能全面准确反映主被动复合隔振效果的方法，然后介绍了第 2 版磁悬浮隔振器 及弹性基座的设计情况，通过实验结果验证了评价指标之间的关系，并通过仿 真研究了三个指标与系统的阻尼、刚度和质量之间的关系。 磁悬浮隔振器中的作动器是电磁作动器，通过控制输入电磁铁的电流来控 制电磁力的大小。为了进行有效的振动主动控制，需要建立电磁力与电流、气 隙之间的关系。对电磁力实验建模方法进行改进，通过实验建立了电磁作动器 动态电磁力与电流、气隙之间的关系，得到了比较准确的考虑频率因素的动态 电磁力模型。给出了一种自寻优前馈控制方案，在磁悬浮隔振系统中获得了
3、较 好的实验效果。 为了解决振动主动控制算法中次级通道建模的问题，在对滤波 x 最小均方 (滤波 x-LMS)算法几何分析的基础上，给出了一种不需要次级通道模型的自收 敛前馈控制算法，在磁悬浮隔振实验平台上进行实验，在 5.0Hz-15.0Hz 频段内 取得了良好的实验效果，最后研究了分块归一化对自适应前馈控制收敛速度的 影响。 关键词： 关键词：主动隔振 磁悬浮隔振器 隔振评价指标 动态电磁力模型 自寻优前馈 控制 自收敛前馈控制 III Abstract Vibration control is a very important issue in the field of the ship
4、. Because once the installation of the traditional passive vibration isolation is completed, it is difficult to change parameters. So it does not have strong adaptability for the changes of vibration objects and seismic focus. Furthermore, passive vibration isolation can not guarantee the performanc
5、e of vibration isolation in low frequency. Compared with this, active vibration isolation is self-adaptive and has good control effect in low frequency. So it becomes a research hotspot gradually. This paper conducts the research on the theory and experiment related to active vibration isolation, ba
6、sed on self-designed version 2 of Electromagnetic Suspension Vibration Isolator (2nd ESVI). Three expressions of evaluation indices of vibration isolation (Vibration Level Difference, Insertion Loss and Force Transmissibility) are derived in detail. A constant difference between the three indices is
7、 obtained under certain conditions. An accurately and full method that reflects the combined effect of active and passive vibration isolation is proposed. Then the designs of 2nd ESVI and flexible base are introduced. The relationship between the evaluation indices is verified through the experiment
8、al results, and the relationship between the three indices and damping, stiffness, quality of the system is researched through simulations. The actuator in 2nd ESVI is an electromagnetic actuator. The electromagnetic force is controlled by controlling the input current of the electromagnet. In order
9、 to carry out effective active vibration control, the relationship between the electromagnetic force and current, gap is needed to establish. The experimental modeling method of electromagnetic force is improved. The relationship between the dynamic electromagnetic force and current, gap is establis
10、hed through experiments. The more accurate dynamic electromagnetic force model considering the frequency factor is obtained. A self-optimizing feed-forward control scheme is proposed and good experimental results are achieved in the electromagnetic suspension vibration isolation system. In order to
11、resolve the problem of modeling the secondary path in the active vibration control algorithm, an self-converging feed-forward control algorithm without the secondary path model is presented based on the geometric analysis of IV filtered x Least Mean Square (filtered x-LMS) algorithm. Through the exp
12、eriments on the electromagnetic suspension vibration isolation experimental platform, good experimental results are achieved in the 5.0 Hz - 15.0Hz band. Finally the impact on convergence speed of the block-normalized adaptive filtering algorithms is studied. Key words: Active Vibration Isolation, E
13、lectromagnetic Suspension Vibration Isolator, Evaluation Index of Vibration Isolation, Dynamic Electromagnetic Force Model, Self-optimizing Feed-forward Control, Self-converging Feed-forward Control. 图目录 VII 图目录 图目录 图 2.1 被动隔振系统模型.6 图 2.2 主动隔振系统模型.9 图 2.3 第 2 版磁悬浮隔振器机械图.10 图 2.4 第 2 版磁悬浮隔振器实物图.11 图
14、2.5 电磁铁半周剖面图.11 图 2.6 第 1 版磁悬浮隔振器电磁铁磁力线图.12 图 2.7 第 1 版磁悬浮隔振器电磁铁磁场强度图.12 图 2.8 第 2 版磁悬浮隔振器电磁铁磁力线图.13 图 2.9 第 2 版磁悬浮隔振器电磁铁磁场强度图.14 图 2.10 带关节轴承的位移传感器.14 图 2.11 弹性基座示意图.15 图 2.12 弹性基座机械图.15 图 2.13 模态分析图.16 图 2.14 基座变形分析图.17 图 2.15 某节点的 Z 方向位移 17 图 2.16 0200Hz 频率的位移18 图 2.17 弹性基座实物图.18 图 2.18 被动隔振实验系统原
15、理图.19 图 2.19 实验平台三维示意图.19 图 2.20 被动隔振效果示意图.21 图 2.21 评价指标关系图.22 图 2.22 振级落差的对比.23 图 2.23 插入损失的对比.23 图 2.24 力传递率的对比.24 图 2.25 振级落差的对比.24 图 2.26 插入损失的对比.25 图 2.27 力传递率的对比.25 图 3.1 电磁力实验装置图.28 图 3.2 衔铁位置示意图.29 图 3.3 辨识曲线拟合情况.31 图 3.4 调整相位和幅值原理图.32 图 3.5 控制系统原理图.33 图 3.6 自寻优前馈控制仿真结果.34 图 3.7 自寻优前馈控制算法流程
16、图.35 图 3.8 磁悬浮主动隔振实验系统原理图.36 图 3.9 磁悬浮主动隔振实验系统实物图37 图 3.10 6.0Hz 时自寻优前馈控制实验效果图.37 图 3.11 7.0Hz 时自寻优前馈控制实验效果图 .38 图 3.12 主被动复合隔振效果示意图.39 图 4.1 滤波 x-LMS 算法原理图.41 图目录 VIII 图 4.4 仿真结果(初始更新符合选取正确)45 图 4.5 仿真结果(初始更新符合选取不正确)45 图 4.6 6.0Hz 时自收敛前馈控制实验效果图.46 图 4.7 10.0Hz 时自收敛前馈控制实验效果图.47 图 4.8 15.0Hz 时自收敛前馈控制实验效果图.47 图 4.9 主被动复合隔振效果示意图.48 图 4.10 仿真结果(与滤波 x-LMS 算法仿真结果的比较).49 图 4.11 实验结果(与滤波 x-LMS 算法实验结果的比较).49 图 4.12 分块归一化算法仿真结果.50 图 4.13 分块归一化算法实验结果.51 图 F.1 8.0Hz 时自寻优前馈控制实验效果图 .62 图 F.2 9.0Hz 时自寻优前馈控制实验
