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

Abstract


In the paper the characteristics system and efficiency of a closed-loop vibration protection with an executive electromechanical element in the form of a linear DC motor (LDCM) are considered. Based on the presented calculation model, with necessary assumptions, mathematical models of the vibration protection system in the form of transfer functions along the control and disturbance channel are. The structure of the active vibration protection system including LDCM, controlled converter, accelerometer sensor of the protected object and regulator is developed. Taking into account the developed mathematical models and the developed structure of the active vibration protection system, the analysis of the system's characteristics by simulation has been carried out. The obtained results of the analysis allowed to estimate the effectiveness of the vibration protection system in a closed and open state. Taking into account the requirements for the dynamic characteristics of a closed-loop system, a regulator is synthesized. Recommendations on the use of an active vibration protection system are formulated.

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):

Alexander M Abakumov

Samara State Technical University

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

Dmitry G Randin

Samara State Technical University

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

Vasily V Bochkov

Samara State Technical University

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

  1. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля. - М.: Машиностроение, 1972. - 392 с.
  2. Joseph H.K. Lee, Ray K.L. Su, Peter K.K. Lee, Louis C.H. Lam. Semi-active damping device for vibration control of buildings using magnetorheological fluid // Advances in Building Technology, Volume II, 2002. - pp. 969-976.
  3. Cristiano Spelta. Control of magnetorheological dampers for vibration reduction in a washing machine / Cristiano Spelta, Fabio Previdi, Sergio M. Savaresi, Giuseppe Fraternale, Nicola Gaudiano // Mechatronics 19 (2009), Pp. 410-421.
  4. Martin Orečnэa. Application of a Magneto-rheological Damper and a Dynamic Absorber for a Suspension of a Working Machine Seat / Martin Orečn, Štefan Segľa, Rуbert Huňady, Želmra Ferkov // Procedia Engineering № 96 ( 2014 ). - pp. 338-344.
  5. Грибов М.М. Регулируемые амортизаторы радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Советское радио, 1974. - 144 с.
  6. Donghong Ningab, Shuaishuai Sunc, Haiping Dub, Weihua Lic, Wenxing Lib. Control of a multiple- DOF vehicle seat suspension with roll and vertical vibration // Journal of Sound and Vibration Volume 435, 24 November 2018, Pages 170-191.
  7. Абакумов А.М., Мятов Г.Н., Винокуров А.А. Электромеханические системы виброзащиты прецизионных объектов с использованием нейронных сетей // Электротехника. - 2008. - № 8. - С. 57-61.
  8. Чичварин А.В. Динамика активной системы виброизоляции с механизмами параллельной структуры: дис.. кандидата технических наук: 01.02.06 / Старый Оскол: Старооскольский филиал Московского государственного институт стали и сплавов (технологический университет). - Старый Оскол, 2006. - 153 с.
  9. Yalu Pei, Yilun Liu, Lei Zuo. Multi-resonant electromagnetic shunt in base isolation for vibration damping and energy harvesting // Journal of Sound and Vibration Volume 423, 9 June 2018, Pages 1-17.
  10. Патент РФ 2079956. Линейный генератор-компрессор для транспортных средств. Гурницкий В.Н., Никитенко Г.В., Гурницкий В.В. Опубл. 20.05.1997. Заявка: 93041340/07, 17.08.1993. Бюл. № 33, 2001.
  11. Savaresi S.M. Semi-active suspension control design for vehicle / Savaresi S.M., Pussot-Vassal C., Spelta S., Sename S., Dugard L. - 2010. Butterwort-Heinemann. ISBN 978-0-08-096678-6.
  12. Pang Huia, Liu Fana, Xu Zerenb. Variable universe fuzzy control for vehicle semi-active suspension system with MR damper combining fuzzy neural network and particle swarm optimization // Neurocomputing, Volume 306, 6 September 2018, Pages 130-140.
  13. Panos Brezasa, Malcolm C. Smitha1, Will Houltb. A clipped-optimal control algorithm for semi-active vehicle suspensions: Theory and experimental evaluation // Automatica Volume 53, March 2015, Pages 188-194.
  14. Huihui Panab, Weichao Suna, Xingjian Jingbc, Huijun Gaoa, Jianyong Yaod. Adaptive tracking control for active suspension systems with non-ideal actuators // Journal of Sound and Vibration Volume 399, 7 July 2017, Pages 2-20.
  15. Banna Kasemi. Fuzzy-PID Controller for Semi-Active Vibration Control Using Magnetorheological Fluid Damper / Banna Kasemi, Asan G. A. Muthalif, M. Mahbubur Rashid, Sharmila Fathima // International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors 2012 (IRIS 2012), Procedia Engineering 41 (2012). - pp. 1221-1227.
  16. Дербаремдикер А.Д. Амортизаторы транспортных машин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 200 с.: ил. Рандин Д.Г.
  17. Исследование активной системы виброзащиты с управляемым демпфером // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - № 4. - С. 177-185.
  18. Рандин Д.Г. Исследование динамических характеристик управляемого демпфера // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2013. Вып. 2 (38). - С. 64-70.
  19. Абакумов А.М., Чеботков Э.Г., Рандин Д.Г. Исследование активной подвески автомобиля с магнитореологическим амортизатором // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2015. - Т. 1. - № 2 (24). - С. 5-10.
  20. Абакумов А.М., Хатилин В.М., Волков А.П. Динамика линейного двигателя постоянного тока // Вестник УрФУ. Сер. Экономика и управление. - 2003. - № 5. - С. 84.
  21. Рандин Д.Г. Исследование динамических характеристик управляемого демпфера // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2013. - Вып. 2. - С. 64.
  22. Пупков К.А. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5 т. Т. 5. Методы современной теории автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 784 с.

Views

Abstract - 7

PDF (Russian) - 2

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies