磁流变弹性体管道吸振器控制方法研究

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管道在航空航天和石油化工等工程领域以及给水疏水等日常生活中都有着广泛应用,然而管内流体脉动、气柱共振以及与管道相连设备等带来的时变复杂振动,严重影响了运行安全和使用可靠性。磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer,MRE)吸振器是在传动被动式和主动式吸振器基础上发展而来的新型智能调谐器件,不仅可将振动能量从被保护对象传递到子系统,以实现振动衰减,还具有调节范围宽、响应快、失效安全保护和功耗低等优点,因此有望应用于管道减振领域,为运输工程发展和生活质量提高保驾护航。MRE吸振器具有强烈的非线性,制定非线性频率追踪控制策略是充分发挥吸振性能的关键,然而目前吸振器的控制策略主要基于激励频率识别以确定理想固有频率和对应控制量,导致系统控制效果不佳且实时性较差。围绕上述问题,本文开展了时变激励下管道-MRE吸振器控制方法研究,具体内容如下:(1)针对管道主要模态减振问题搭建物理实验平台,并将管道和吸振器等效为数值模型,从理论角度推导系统振动状态方程,为后续控制策略制定奠定模型基础。此外,借助力锤敲击和有限元仿真手段对管道模态进行分析,并探索吸振器参数对吸振效果的影响规律。结果表明,管道一阶模态占据主要振动能量。为最大程度降低一阶振动,吸振器质量比应处于0.2以下,安装位置应位于管道支撑中点。(2)搭建MRE吸振器磁致力学响应特性测试系统,通过扫频实验对吸振器的移频特性进行表征,并根据实验数据辨识得到共振频率等动力学参数,从而获取吸振频带范围。结果表明0-1.4A励磁电流下,吸振器的移频范围为46.13Hz-126.24Hz。此外,通过力-位移实验对吸振器的力-位移特性进行表征,辨识得到等效刚度和等效阻尼等动力学参数,从而获取吸振性能与激励条件的依赖关系。结果表明0-1.4A励磁电流下,吸振器的等效刚度最大增长率为237.49%,等效阻尼最大增长率为236.57%。两者均随着激励频率和位移幅值的增加而减小。(3)由于参数化模型存在预测精度和求逆难度相矛盾的问题,难以应用于实际控制系统,而非参数化模型无需辨识器件参数,因此基于MRE吸振器交变电流力学性能数据,建立BP和NARX神经网络非参数化正逆模型,并采用遗传算法优化网络结构。结果显示NARX网络更适用于建立正向模型,以在仿真中代替真实器件产生输出力。BP网络更适用于建立逆向模型,以转化控制力为控制电流。(4)针对时变激励下管道减振问题,借鉴地棚控制思想,推导MRE吸振器的半主动控制条件,并将其融入模糊规则,提出基于模型参考的模糊控制器。其依据参考模型传递率自适应调节比例因子进而调节控制力,从而改变吸振器固有频率至共振状态,实现振动能量传递。另外,联合逆向模型构建管道-MRE吸振器控制仿真和实验系统,验证所提出的控制器在管道一阶共振频率附近的快速调谐特性和自适应减振特性。实验结果显示50.00Hz-90.00Hz频带内,所提出的控制器调谐时间最短为0.302s,变频率变幅值激励下吸振效果为-9.79d B。
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