Investigation of an active vibration protection system based on a linear direct current motor

Full Text

Актуальность применения активной виброзащиты В настоящий момент достижения науки определяют новые технологии, при- меняемые в технике. На смену классическим техническим решениям приходят решения на основе материалов с новыми свойствами. В частности, в традицион- ные системы амортизации начинают внедрять демпферы с рабочим телом в виде неньютоновской жидкости - магнитореологической. Системы амортизации с та- кими исполнительными устройствами позволяют расширить функционал и оп- тимально сочетать противоречивые требования. Например, в автомобильном транспорте [1] удается добиться оптимального соотношения между управляемо- стью и плавностью хода. Системы амортизации (виброзащиты) с магнитореоло- гическим демпфером колебаний также нашли применение в виброзащите зданий и сооружений [2]; элементов бытовой техники (барабаны стиральных машин) [3]; кресел рабочего места оператора различных систем [4] и т. п. Известно, что системы виброзащиты с одним только демпфирующим эле- Александр Михайлович Абакумов (д.т.н., проф.), профессор кафедры «Электроме- ханика и автомобильное электрооборудование». Дмитрий Геннадьевич Рандин (к.т.н.), доцент. Василий Викторович Бочков, магистрант. ментом имеют недостаток, заключающийся в ухудшении зарезонансных свойств виброзащитной системы, так как демпфер эффективно гасит только резонансные колебания. Напротив, системы виброзащиты только с элементом жесткости эф- фективно гасят зарезонансные колебания и малоэффективны на резонансных ча- стотах. Поэтому достаточно часто используют схему виброзащиты с совместной параллельной установкой элемента гидравлического сопротивления (демпфера) и элемента упругости - схему Кельвина [5]. Таким образом, совместное приме- нение управляемых элементов вязкого сопротивления и жесткости позволяет эффективно управлять виброзащитными свойствами системы при различных ва- риациях параметров колебательной системы: амплитуды и частоты возмущения, массы защищаемого объекта и т. п. Изученность вопроса К настоящему времени вопросы эффективности активной системы виброза- щиты с управляемыми электромеханическими устройствами изучены не в пол- ной мере. Практически отсутствуют публикации по исследованию эффективно- сти систем виброзащиты с управляемыми элементами демпфирования и жестко- сти. Среди множества исследований в этой области частично указанные вопросы изучены, например, в работе [6], где рассматривается электромеханическая виброзащита для сидения транспортного средства, подверженного одновременно вращению и вертикальным ускорениям. Алгоритм управления электромеханиче- ским устройством построен на принципах H-∞ оптимизации. Доказана теорети- чески и экспериментально эффективность снижения среднеквадратичного значе- ния виброускорений защищаемого объекта. В работе [7] исследуется активная система виброзащиты прецизионного оп- тико-механического комплекса с несущим элементом жесткости в виде пнев- мобаллона и управляемым электромагнитным приводом. Для принятой структу- ры системы виброзащиты по предлагаемой методике проведен структурно- параметрический синтез и синтезирован оптимальный регулятор, учитывающий ограничения на имеющиеся ресурсы управления и колебания объекта виброза- щиты. Дополнительно синтезирован регулятор на основе нейронной сети для условий кинематического возмущающего воздействия со стороны фундамента со случайными характеристиками. Доказано, что использование регулятора с нейронной сетью обеспечивает при вариации параметров возмущения в срав- нении с оптимальным регулятором в 1,5…2 раза более низкие значения диспер- сии колебаний защищаемого объекта. Интересным техническим решением является применение пространственных механизмов параллельной структуры, позволяющих гасить пространственные колебания. В работе [8] исследуется система активной виброзащиты с электро- механическим приводом типа «винт - гайка». Разработана структура замкнутой системы с указанным исполнительным механизмом виброзащиты и проведен структурно-параметрический синтез регуляторов для детерминированного воз- действия и воздействия со случайными характеристиками. Проведено сравнение амплитудных характеристик системы в случае детерминированного возмущения и спектральной плотности мощности на выходе системы виброзащиты для воз- мущения со случайными характеристиками. Обоснована эффективность синте- зированных оптимального регулятора, регулятора для детерминированного воз- мущения и регулятора, обеспечивающего сверхустойчивость системы. Автором доказано, что несомненным преимуществом обладает регулятор, обеспечиваю- щий сверхустойчивость системы. Удовлетворительные результаты дает исполь- зование оптимального регулятора, который эффективен в подавлении возмуще- ний сложного вида. Худшие результаты дает использование регулятора для де- терминированного возмущения, но тем не менее качество виброзащиты удовле- творяет заданным требованиям, а также этот тип регулятора обеспечивает самый широкий частотный диапазон подавления возмущений. Некоторые исследователи предлагают расширить функциональные возмож- ности активной виброзащиты за счет дополнительно выполняемых альтернатив- ных функций. В частности, в работе [9] исследуется возможность преобразова- ния механической энергии колебаний с помощью активной системы виброзащи- ты в электрическую, ее запаса и резервного использования. Также в статье рас- сматривается возможность отслеживания и регистрации микроколебаний в сей- смически активных районах датчиками активной системы виброзащиты. Применительно к транспортным средствам линейные электрические машины активной системы виброзащиты предлагается [10] использовать в качестве до- полнительного источника электрической энергии. Кроме того, поскольку элек- трическая машина совершает возвратно-поступательные движения, предлагается возложить на нее функцию привода компрессорной установки. В качестве недо- статков этого технического решения можно указать увеличенные в сравнении со штатными виброизоляторами весогабаритные показатели. Тем не менее наибольшую популярность системы виброзащиты с управляе- мыми элементами жесткости и вязкого сопротивления нашли в автомобилестро- ении [11], так как позволяют оптимально сочетать противоречивые требования управляемости и комфорта. Наиболее часто в управляемых подвесках использу- ются алгоритмы, построенные на принципах нейронных сетей [12], оптимально- го [13] и адаптивного [14] управления, нечеткой логике [15]. Таким образом, как показывает обзор публикаций в исследуемой области, вопросы изучения эффективности активной системы виброзащиты с электроме- ханическими исполнительными элементами остаются не до конца решенными. Среди множества вопросов этой области можно выделить: эффективность актив- ной системы виброзащиты с исполнительным электромеханическими элемента- ми и различными алгоритмами управления; эффективность активных систем виброзащиты с регуляторами, синтезированными для детерминированного воз- мущения в условиях действия возмущения со случайными характеристиками, и наоборот. В настоящей статье рассмотрены вопросы исследования эффективности ак- тивной системы виброзащиты с ЛДПТ в условиях детерминированных возмуще- ний. Математические модели систем виброзащиты В качестве основной расчетной схемы принята одномассовая колебательная система (рис. 1). Такая расчетная схема моделирует, в частности, реальную кон- струкцию подвески автомобиля при допущении о том, что центр тяжести авто- мобиля располагается посередине колесной базы. В этом случае колебания в пе- редней подвеске автомобиля не зависят от колебаний в задней подвеске [16]. На расчетной схеме пассивной системы виброзащиты обозначено: m - виброзащищаемая масса; Z0 - возмущающее воздействие в виде перемещения основания; C - жесткость упругого элемента; β - коэффициент гидравлического сопротивления демпфирующего элемента; Z - перемещение массы m. Рис. 1. Расчетная схема одномассовой колебательной системы В [17, 18] получено дифференциальное уравнение, описывающее движение расчетной колебательной системы (здесь и далее рассматриваются уравнения для «малых» отклонений переменных):

About the authors

Alexander M Abakumov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Dmitry G Randin

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Vasily V Bochkov

Samara State Technical University

Graduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files