發(fā)布時(shí)間：2018-08-02 20:47

【摘要】：磁流變阻尼器因具有能耗低、出力大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),已成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制新一代的高性能減振裝置。目前,磁流變阻尼器在理論與試驗(yàn)研究方面都取得了很大的進(jìn)展,但磁流變控制系統(tǒng)需要配置供電電源、傳感器及控制器等設(shè)備方可工作,這導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)可靠性降低,在一定程度上限制了磁流變減振技術(shù)的工程應(yīng)用。為了解決附加設(shè)備引入的問(wèn)題,本文采用光電傳感器以實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器的自感知,采用壓電集能結(jié)構(gòu)或磁電集能結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自供能,并對(duì)其相關(guān)技術(shù)展開研究,具體的研究工作如下:(1)考慮到磁電式速度自感知結(jié)構(gòu)存在漏磁、體積大、不易集成和高速下線性度差等問(wèn)題,基于光電鼠標(biāo)的工作原理,設(shè)計(jì)制備了能耗低、體積小、易集成的光電傳感器,以實(shí)現(xiàn)阻尼器活塞桿速度的非接觸性測(cè)量。采用了平均速度代替瞬時(shí)速度的測(cè)量方法,并理論分析了該方法導(dǎo)致的速度測(cè)量相對(duì)誤差。通過(guò)樣機(jī)制備和性能測(cè)試,驗(yàn)證了光電速度自感知單元的有效性。將自感知單元與阻尼器進(jìn)行集成,搭建速度自感知磁流變控制系統(tǒng),并測(cè)試分析了系統(tǒng)在速度自反饋控制策略下阻尼力的輸出特性,結(jié)果表明,自感知阻尼器實(shí)際輸出阻尼力基本上可以跟蹤實(shí)現(xiàn)理論阻尼力,但在相位上略滯后于理論阻尼力。(2)鑒于磁流變阻尼器僅需數(shù)瓦級(jí)的電能即可實(shí)現(xiàn)阻尼力的大幅度調(diào)節(jié),將新能源壓電技術(shù)和磁流變控制技術(shù)相結(jié)合,提出了一種壓電自供能磁流變控制系統(tǒng)。基于簡(jiǎn)單Bang-Bang控制策略的改進(jìn),提出了壓電自供能系統(tǒng)的控制策略。以變形協(xié)調(diào)和能量需求為準(zhǔn)則,提出了壓電集能裝置的設(shè)計(jì)方法。以濱州黃河大橋上的N26號(hào)原型索減振系統(tǒng)和1個(gè)五層建筑隔震系統(tǒng)為例,通過(guò)設(shè)計(jì)與仿真,驗(yàn)證了壓電自供能控制系統(tǒng)的可行性與有效性。(3)低頻高幅值荷載激勵(lì)條件下,對(duì)30層、50層和80層等三個(gè)層數(shù)不同的壓電堆(截面積為32×32mm2),在開路和外接電阻兩種狀態(tài)下進(jìn)行了測(cè)試,開展了壓電電壓系數(shù)和功率輸出特性隨預(yù)壓應(yīng)力、激勵(lì)頻率和壓應(yīng)力幅值等影響因素的變化規(guī)律研究。壓電堆集能裝置在預(yù)壓應(yīng)力上存在一個(gè)極限值,高于該極限值壓電裝置集能功率將大幅度降低。以最大出力為1t的磁流變阻尼器能量需求為設(shè)計(jì)目標(biāo),根據(jù)測(cè)試結(jié)果,進(jìn)行了功率和阻抗匹配可行性分析,發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)阻尼器的功率需求,但阻抗匹配仍存在問(wèn)題。(4)鑒于已有磁電式自供能磁流變阻尼器的不足,基于滾珠絲杠與旋轉(zhuǎn)式永磁直流發(fā)電機(jī),提出了一種集成化程度高的新型磁電自供能磁流變阻尼器�？紤]渦流效應(yīng)和材料磁滯特性對(duì)磁化電流的影響,對(duì)該類阻尼器進(jìn)行了理論分析,建立了其力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)最大出力為10k N的原型機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試與分析,研究了所提阻尼器的電學(xué)和力學(xué)特性隨外激勵(lì)的變化規(guī)律,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立的理論模型進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別和修正。(5)基于磁電式自供能磁流變阻尼器,構(gòu)建了新型的自供能磁流變控制系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)采用的被動(dòng)自適應(yīng)控制策略與已有被動(dòng)控制策略和半主動(dòng)控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析。以最大控制力相等準(zhǔn)則、最大功率需求準(zhǔn)則和控制指標(biāo)最優(yōu)化準(zhǔn)則,提出了系統(tǒng)中阻尼器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)一個(gè)5層建筑隔震模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性,根據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析,并通過(guò)不同控制策略控制效果的對(duì)比,驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。
[Abstract]:Magnetorheological damper has become a new generation of high performance vibration damping device for the new generation of structural vibration control because of its advantages of low energy consumption, large output and quick response. At present, magnetorheological damper has made great progress in theory and test research, but the magnetorheological control system needs to be equipped with power supply, sensors and controllers. In order to solve the problem of additional equipment, this paper uses photoelectric sensor to realize self sensing of magnetorheological damper, using piezoelectric energy collecting structure or magnetoelectric energy collection structure to realize self supply and related technology to its related technology. The specific research work is as follows: (1) considering the problems of magnetic electric velocity self sensing structure, such as magnetic leakage, large volume, uneasy integration and poor high-speed downline degree, based on the working principle of the optoelectronic mouse, a photoelectric sensor with low energy consumption, small volume and easy integration is designed to realize the non contact of the speed of the damper piston rod. The measurement method of the average velocity is used to replace the instantaneous velocity, and the relative error of the velocity measurement caused by the method is analyzed theoretically. The validity of the photoelectric speed self sensing unit is verified by the sample preparation and the performance test. The self sensing unit and the damper are integrated to build the speed self sensing magnetorheological control system. The output characteristics of the damper under the speed self feedback control strategy are analyzed. The results show that the actual damping force of the self sensing damper can basically track the theoretical damping force, but it is slightly lagging behind the theoretical damping force in the phase. (2) the large amplitude of the damping force can be achieved in the view of the magnetorheological damper only a number of watts of electrical energy is needed. With the combination of the new energy piezoelectric technology and the magnetorheological control technology, a piezoelectric self supplying energy magnetorheological control system is proposed. Based on the improvement of the simple Bang-Bang control strategy, the control strategy of the piezoelectric self supplying energy system is put forward. The design method of the piezoelectric energy collecting device is put forward based on the deformation coordination and the energy demand. In Binzhou, the design method of the piezoelectric energy collecting device is put forward. As an example of the N26 prototype cable vibration damping system of the the Yellow River bridge and the 1 five storey building isolation system, the feasibility and effectiveness of the piezoelectric self supply control system are verified by design and simulation. (3) under the condition of low frequency and high amplitude load, three layers of different number of piezoelectric reactors (section area of 32 x 32mm2), such as 50 layers and 80 layers, are made under the condition of low frequency and high amplitude load. The external resistance is tested in two states, and the variation law of the voltage coefficient and power output characteristic with the prestress stress, the excitation frequency and the amplitude of the pressure stress is studied. There is a limit value in the preloading stress of the PZT set, which is higher than that of the limit value piezoelectric device. The energy demand of the magnetorheological damper with the maximum output of 1t is designed. According to the test results, the feasibility analysis of the power and impedance matching is carried out. It is found that the power demand of the damper can be realized, but the impedance matching still has problems. (4) in view of the shortage of the existing magnetorheological damper, the ball screw and the rotating permanent magnet are based on the shortcomings of the existing magnetorheological damper. A new type of magnetorheological damper with high integration level is put forward in magnetic DC generator. Considering the effect of eddy current and material hysteresis on magnetization current, this kind of damper is analyzed theoretically and its mechanical model is established. The system is tested and analyzed by the system of the prototype machine with the maximum output of 10K N. The electrical and mechanical characteristics of the proposed damper vary with the external excitation, and the theoretical model is identified and corrected according to the experimental results. (5) a new type of self supplying energy magnetorheological control system is constructed based on the magnetorheological self supplying energy magnetorheological damper, and the passive adaptive control strategy for the system has been adopted. The passive control strategy and the semi-active control strategy are compared and analyzed. The design method of the damper parameters in the system is presented with the maximum control force equality criterion, the maximum power demand criterion and the control index optimization criterion. The design and analysis of a 5 storey building isolation model are carried out, and the feasibility of the design method is verified. The parameters of the system are analyzed, and the effectiveness of the control system is verified by comparing the control effects of different control strategies.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB535

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本文編號(hào)：2160686