基于matlab的吸振器的设计

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基于matlab的吸振器的设计

                                基于matlab的吸振器的设计
                                        摘    要

自适应动力吸振器是振动控制领域的研究热点,其通过调整自身参数改变固有频率,以跟踪外界激励频率,从而在较大的带宽上减小主系统振动,克服了传统动力吸振器有效带宽过窄的缺点。与当前常用的通过改变刚度调整自身固有频率的方法不同,本论文提出了一种新的基于变质量调谐的吸振器—变质量动力吸振器,通过在传统吸振器中引入一个液体箱作为变质量单元,改变其中液体体积,就可以改变吸振器质量及固有频率,从而获得较大的有效带宽。
本论文研究内容如下:
(1)在研究二自由度系统振动理论的基础上,研究了传统动力吸振器基本原理,包括定点设计理论及吸振器参数优化理论,并通过仿真分析了参数变化对吸振器减振效果的影响。
(2)提出了新型变质量动力吸振器,研究了变质量动力吸振器工作原理,建立了动力学模型及运动微分方程。根据运动微分方程,建立了Matlab仿真模型,对变质量动力吸振器减振性能进行仿真研究,分析了其有效带宽。
(3)搭建实验系统,对变质量动力吸振器减振性能进行了实验研究。选择一个玻璃瓶作为变质量单元,通过改变玻璃瓶内水的体积改变吸振器质量及固有频率,以实现对外界激振频率的追踪,从而达到最优减振效果。实验结果表明,随着质量的变化,吸振器可以在8.125Hz~9.297Hz范围内使主系统振动减小约14dB,说明相对于传统动力吸振器,所设计的吸振器能够获得较大的有效带宽。
(4)为解决使用吸振器后,主系统频率响应出现新的共振峰,从而可能增大主系统振动的缺点,提出了一种新的基于规则的变质量动力吸振器控制策略。通过仿真和实验研究了所提控制策略的减振效果。结果表明,使用新控制策略后,吸振器不仅能够在较宽的频带上明显减小主系统振动,而且能够有效防止主系统出现共振,因而具有重要的工程应用价值。

关键词:振动控制,动力吸振器,自适应动力吸振器,变质量动力吸振器,吸振器控制
 第一章  绪论
1.1  振动控制技术研究的意义
振动广泛的存在于自然界和人们的日常生产生活中。地震、大风等会给建筑物带来振动,工业生产中的机床、转轴,生活中的按摩器、洗衣机,都存在着振动。从一般意义上说,如果表征一种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化,就可以称这种运动为振动[1]。振动虽然有有利的一面,如振动筛、振动沉桩、地震仪的发明和应用,但更多情况下会引起负面影响,带来不必要的麻烦甚至危害。振动的危害一般包括以下几个方面:(1)共振、冲击引起对机械或结构材料的疲劳,加快设备磨损,大大缩短其寿命,甚至会造成非常危险的事故。振动还会引起建筑物的损坏,如路面激振引起大桥垮塌,风的冲击导致高层建筑摇摆振幅过大。(2)降低车床或工具的加工精度,降低仪器的测量精度。(3)引起噪声,污染环境。研究表明,人体对于环境振动非常敏感,不明显(3mm)的振动位移和振动加速度都会引发人的烦躁情绪,影响人的心理和生理健康。
除了上述振动导致的危害,随着现代工业的发展以及人民生活水平的提高,人们对减振和降噪的要求越来越高,促使振动控制技术进一步发展。随着技术的进步,几乎所有工业的发展,如汽轮机、水轮机、燃气轮机等动力机械,汽车、火车、飞机、运载火箭,以及挖掘机、推土机等工程机械,都向着高速重载的方向发展,导致振动越来越显著,如果振动问题不加以适当控制往往会引起重大事故,造成设备损毁,并伴随着巨大的生命财产损失。如1988年陕西秦岭发电厂的“2.12”事故,当天下午16时,电厂200MW 5号汽轮发电机组进行提升转速的危急保安器动作试验,过程中由油膜失稳引起突发性、综合性强烈振动造成轴系严重破坏,其中7处对轮螺栓、轴体中5处发生断裂,共断为13段,主机基本毁坏,这次事故造成1名工人腰部被飞出的残片击伤,并引起发电机端部火灾。在制造业,制造零件的精度越来越高,难度越来越大,尤其是精密仪器、宇航零件等的加工,对振动环境的要求越来越严格。在建筑业,各式高楼不断刷新世界纪录,跨海大桥不断涌现,高大建筑物受风载激励后,其振动幅度可能达到几米,要求工程师在设计施工时必须考虑可能带来的安全问题和舒适度问题。在军工领域,战斗机、导弹等通常工作在过载荷、多振动情形,必须做好减振措施。尤其是潜艇,由于潜艇的优势在于隐蔽性,所以要不断提高减振降噪水平,否则就可能被敌方发现并歼灭。如影片《猎杀红色十月》中,前苏联叛逃核潜艇“红色十月”号正是凭借无声喷水推进系统避过美国海军的监视网和前苏联派出的追击潜艇,顺利逃脱。
综合以上各方面来看,振动与我们息息相关,降低振动和噪声无论对人们的生产生活,还是技术发展、社会的进步都有着非常重要的现实意义。

目    录
第一章  绪论 1
1.1  振动控制技术研究的意义 1
1.2  振动控制技术分类及特点 2
1.2.1  按控制手段分类 2
1.2.2  按振动控制是否需要外部能量分类 3
1.3  动力吸振技术的发展现状 5
1.3.1  动力吸振器分类 5
1.3.2  被动式动力吸振器 6
1.3.3  自适应动力吸振器 9
1.3.4  主动式动力吸振 8
1.4  本文的课题来源和主要内容 13
1.4.1  课题来源 13
1.4.2  主要内容 13
第二章  动力吸振器的基本原理 15
2.1  引言 15
2.2  二自由度系统振动 15
2.2.1  系统运动微分方程 15
2.2.2  自由振动 16
2.2.3  强迫振动 20
2.3 动力吸振器基本原理 22
2.4  动力吸振器设计理论及参数优化 24
2.4.1  动力吸振器设计定点理论 24
2.4.2  最优同调频率 26
2.4.3  最优阻尼比 28
2.5  传统动力吸振器减振性能仿真研究 29
2.5.1  MATLAB/Matlab简介 29
2.5.2  Matlab的仿真算法 30
2.5.3  传统动力吸振器仿真 34
2.6  本章小结 37
第三章  变质量动力吸振器原理及性能仿真研究 38
3.1  引言 38
3.2  变质量动力吸振器原理及设计 38
3.2.1  变质量动力吸振器原理 38
3.2.2  变质量动力吸振器设计 40
3.3  变质量动力吸振器Matlab仿真 41
3.3.1  变质量动力吸振器Matlab建模 42
3.3.2  变质量动力吸振器仿真结果 43
3.4  本章小结 46
第四章  变质量动力吸振器实验研究 48
4.1  引言 48
4.2  实验方案设计 48
4.2.1  实验设备 48
4.2.2  实验方案设计 51
4.2.3  实验结果预测 52
4.3  实验及结果分析 53
4.3.1  主系统振动频率响应 53
4.3.2  变质量动力吸振器减振性能 54
4.4  本章小结 55
第五章  基于变质量动力吸振器的主系统共振控制策略研究 56
5.1  引言 56
5.2  基于规则的控制方法 56
5.2.1  动力吸振器共振缺点 56
5.2.2  基于规则的控制方法 57
5.2.3  基于规则控制方法的振动控制 58
5.3  变质量动力吸振器质量控制仿真 错误!未定义书签。
5.4  变质量动力吸振器质量控制实验 60
5.5  基于规则控制方法的适用性 63
5.6  本章小结 63
第六章  结论与展望 64
6.1  全文总结 64
6.2  工作展望 65
参考文献 66
攻读学位期间取得的研究成果 69
致    谢 70
 
 
参考文献
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