机电控制金属板震动的非理想激励讲解.docx

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机电控制金属板震动的非理想激励讲解

机电控制金属板震动的非理想激励

喀麦隆雅温得第一大学自然科学院工程建模和仿真实验室

摘要

本文加强机电振动控制在薄板上非理想激励。

该系统模拟显示外部特定表面的激励和控制力在结构的特定点上的作用。

TheelectromechanicaldeviceiscomposedbyaRLcircuitwithasaturatedinductanceandstingsconnectedtotheplateisusedasconnectionbetweenthestructureandthecontroller.Routh–Hurwitzcriteriaareusedtoobtainthestabilityconditionofthecontrolledsystemandsomedynamicsexplorationleadsustotheconditionforwhichtheamplitudeofvibrationisreducedinthemechanicalstructure.

机电设备是由一个饱和电感和串接盘RL电路作为控制器之间的连接。

由劳斯–Hurwitz判据得到的控制系统的稳定性条件和一些动力学探索使振动的振幅在机械结构减少。

关键字:

金属板;机电控制;劳斯判据;非理想;励磁

1介绍

振动的衰减是一个在许多工程领域最重要的问题，在过去航空航天领域的应用中所需的振动水平的实现是通过增加刚度和相对于以初始方案增加阻尼结构。

大量的机械结构通过各种类型实验激励。

这些激励可以来自自然如地震、风或由于其他结构如电机的机械作用。

在这种情况下，一个有限的电源电机作为外部激励，使系统成为一个非理想的激励。

当前学术众所周知的是理想的振动系统，但也存在一些非理想的结果。

如非理想振动系统中的励磁系统的响应的影响。

它已被认为是近年来在理论和实际工程研究的一个主要挑战（Balthazar等人，2003；沃敏斯基等人，2001；奈佛和杂志，1979）。

相反，他们的理想与非理想振动系统，有更多的自由度。

至今，为了应对振动装置的结构，已经提出了各种各样的结构。

它们的范围从简单的古老的解决方案，到以更现代的更有效的解决方案：

采用振动控制使成本更低。

Paietal（1998）研究了非线性饱和控制，非线性内共振的控制，并利用PZT压电陶瓷片作为致动器和传感器的稳态和瞬态振动的悬臂梁的线性位置反馈控制器。

他们用饱和现象的抑制动力学系统的稳态振动、二次非线性及2:

1内共振。

阿舒尔（2001）在他的论文通过饱和现象提出的减少薄板的振动设备。

费利克斯和Balthazar（2009）用机电减振装置包括电气系统的磁耦合到机械结构下非理想激励，他们观察到的频率宽波段在索末菲效应时，可以减少跳跃效应和共振俘获现象。

Nanha,Djanan等人（2011）用另一个系统与电传感器控制一束支直流电机的振动（非理想系统），通过数值模拟和数学的方法，他们发现系统存在饱和现象（帕拉西奥斯Felix等人，2005）导致对机械结构的振动的振幅控制的更加有效。

此外，还有一些用于机电设备降低结构固有振动的技术。

因此，kitio,kwuimy等人（2006）展示了一个向横向和轴向荷载作用下梁的机电控制的优化。

使用模态展开的方法及分析调查，他们发现有足够的电气参数可以降低振动幅值，取消跳跃失稳和马蹄型混沌。

目前的工作是利用机电设备控制一个不平衡质量的矩形板上的特定表面直流电机的振动。

建模后，我们分析了现象和数据，及在这种条件下更加有效的控制方法。

我们提醒读者，我们以前对（nanhadjanan等人，2011）一个梁的动力学进行了研究，在这里我们用静电装置，再加上饱和的概念来确定振幅控制作用控制器。

论文主要内容如下。

在2节中，介绍了系统中的控制系统并进行了数学建模。

3部分是保留给控制系统的稳定性分析和增强控制由此产生的模型方程的数值模拟与分析方法。

4节提出了一些总结性发言。

2控制系统的数学建模

2.1系统描述

该系统由一个矩形板的四脚支撑对这一不平衡质量直流电机固定。

电机固定是考虑到在建模表面通过阶跃函数。

通过对机电系统的作用下板的各种间隔和连接到板的机械部分提供的力。

如图1所示。

Theangulardisplacementofthemotorisdenotedbyϕ.TherotorhasamomentofinertiaJandcarriesanunbalancedmassm0atadistancerfromtheaxis.Thecharacteristicdrivingtorqueofthemotorforeachgivenpowerlevelisassumedtobeknown,eitherfromthemanufacturerorfromexperimentsanditisconsideredtobehereatypeframe284indicatingthereferencewhichcanallowamanufacturertogetthephysicalcharacteristicsofthemotorusedforthetheoreticalstudy.

电机的角位移是用ϕ。

转子具有转动惯量J和携带一个不平衡质量M0在离轴距离r。

特征驱动电机转矩对于每一个给定的功率电平被认为是已知的，无论是从制造商或从实验或它被认为是284说明参考，在这里可以让制造商获得用于理论研究电机的物理特性。

2.2模型下的系统控制

根据动力学方程得到的横向位移（nanhadjanan等人，2011；阿舒尔，2001），耦合微分方程的运动的板（长，宽b厚度H）与直流电动机如下

图1控制系统示意图

（1a）

（1b）

考虑到机电控制装置和基尔霍夫定律，这会产生以下方程：

（2a）

（2b）

（2c）

其中W，P，D、H分别为横向位移，密度，板的抗弯刚度和厚度，

是产生的摩擦力矩和电机之间的差异，P是阻尼系数，R和

的偏心率和电动机的不平衡轴质量，g重力场强度。

B，L，B，P和R分别为磁场，电感，长度，对该电路的线圈电阻饱和度参数。

A1=

和B1=

的位置−电机的盘子上，

是表面的边界坐标占据由直流电机分别在x和y方向，Otheelectriccurrent.H,ıarerespectivelytheHeavisideandDiracdeltafunctions.xiandyjarethecoordinatesofthestingsactingundertheplate.Thecharacteristiccurveoftheenergysource（DCmotor）isconsideredasastraightlineI输出电流。

h，ı分别Heaviside和狄拉克δ函数。

I和

作用下板的坐标。

能量源的特性曲线（直流电机）是一条直线。

（3）

在这种情况下，恒定的

和

分别是指电压和相应的电机物理特性。

Takinginaccounttheboundaryconditionsoftheplate（simplysupportedone）,wesetthat:

考虑板的边界条件，我们设置：

（4）

whereYn,m（t）isthegeneralizedcoordinatesand（n;m）isthenaturalmodewithnandmnodallineslyingthex-andy-directions,respectively.

其中

，

的广义坐标变换（N；M）与N和M结线的X和Y方向上各自的固有模式。

Inserting（4）inEqs.（1a）and（1b）andaccordingtotheorthogonalityoftheeigenfunction,thefollowingmodalequationsarederivedas:

将（4）式，（1A）和（1b）和根据本征函数的正交性，得到以下的模态方程：

（5a）

（5b）

（5c）

对于N和M模式在每个方向的归一化方程推导：

给出的变量：

所以我们设定：

这里

，p，n和m分别为电路的特性，当前状态泊松比，,作用分别在X、Y方向。

3增强控制方法

3.1有效的控制系统的稳定性

主动控制方法可以使结构失稳是由于作用在系统上的力而不是系统结构。

因此，原始的重点放在自治系统的稳定性。

因此，提取相关方程的雅可比矩阵，

werewriteEqs.（6a）–（6c）inthefollowingformbysetting

我们重置Eqs。

（6a）–（6c）下面的形式通过设置

=y,˙ϕ=q，

=v

设置

我们得到四个固定点，给出如下（x0，Z0，Y0，Q0，V0）与条件

但是这只有两种可能。

这导致了以下的雅可比矩阵在一个固定点得到

（8）

从这个矩阵的特征多项式给出了：

（9）

根据RouthHurwitz判据（Hayashi，1964），如果满足以下条件的系统是稳定的：

这些表达式是函数的耦合系数之间的结构和控制器˛n，m和ωN，M为主要结构的频率相关。

为了得到真正的域控制系统将在空间参数是稳定的，如下图（见图2），在黑点区域是控制系统的稳定区域。

验证了稳定区域，在这两个地区进行了控制系统的雅可比矩阵的特征值。

因此，我们得到了一下特征值确定系统在黑色区域是稳定的。

在白色区域是不稳地的。

在第二固定点表明系统总是不稳定根据RouthHurwitz判据–相同的稳定性分析。

图2控制系统稳定点

3.2金属板的震动控制效果

求解系统的运动方程，得到控制（6a）–（6c），利用谐波平衡法。

所以：

A0，B0，C0分别对板的振动的振幅，轴的角位移，电流值，P为电动机的角速度。

分析调查，cosϕ和sinϕ扩展：

`

图3比较分析（虚线）和数值（点线）的结果

一些代数分析操作后，我们获得以下的强耦合振幅方程

由于本系统是强非线性和耦合，它的结构的振幅分别是完全不可能相同的，角速度和电流作为电机的速度函数。

但比较我们的解析结果与数值计算公式，我们计算Eqs。

（12a）–（12c）没有控制。

然而，针对这一问题，我们直接求解微分方程（6a）–（6c）数值模拟，采用四阶龙格－库塔算法–使用DeveloperStudioVisualFortran软件。

因此，我们注意到，在图3的两个结果之间良好的一致性。

为了这个目标，对非理想系统的无量纲参数和控制器选择一个矩形铝板，其特征是下面的示例：

尺寸：

400毫米300毫米4.2毫米××。

密度：

2700千克/米3

年轻的模量：

6.9×1010N/m2

泊松比：

0.33

该系统电气部分具有以下特点：

磁域：

238mt

-线圈长度：

14.85米

性能：

259欧姆

非理想电机是一个物理特性的U2=1.67NMS/弧度给定的直流电机，具有源极电压u1=250nm。

然后对非理想系统的无量纲参数和机电控制器计算给出了由：

参数

纳米ε变化的考虑方式在每个方向和可以使用的无量纲表达式计算公式。

（6a）–（6c）

图4电压变化与振幅变化的关系

图4显示板的振动的振幅在板的四种模式的变化的电压施加到电机的控制是当关机功能。

我们考虑到电力供应是有限的，最大电压适用于直流电机是由制造商固定。

图3中观察到的曲线的形状，不要让电机电源在其他模式的根本不同的共振出现。

此外，我们注意到，振幅不比较的基本模式。

因此，下模拟我们限制在每个方向上的一阶模态振动。

图5控制关闭时板的振幅曲线

图6金属板振幅的控制

为了验证了控制策略的效果，我们显示在图5幅演变时控制和关闭。

看来，板的振幅响应这些参数设置以及减少。

当压力作用在每个方向的板增加下，我们观察到在图6中，板的振幅响应日益减少。

图7增加振幅减少、压力增加。

在机械结构的振幅明显的减少。

改变饱和度参数的值，我们专注于振幅振动结构的Y11，当前V11和电路的感应电动势（图8）。

我们观察到的ε小值，对板的振动的振幅不但是电流和电势下降而增加的参数值。

这个参数的变化对电磁场的影响比较大的电流和振动振幅。

聚焦电流的行为，图9显示，从直流电动机的能量转移到设备电气部分。

事实上，电流和电势增大系数˛anm和Onmε与磁域增大。

从式（12c），人们发现，增加产品˛anm，onmε降低板的振幅响应较大。

图10清楚地揭示了上述事实，板的振动的振幅的减少和电动势随着磁场强度的增加。

图7金属板在各个方向上的最大振幅

图8金属板的振幅与电流电压关系

图9金属板的振幅与电流电压函数关系

图10金属板的振幅曲线

4总结

我们在本文中说明应对板的非理想激励振动的机电装置。

牵引控制装置和结构是由固定板定位。

对模型方程的解析的发展导致了对控制系统的稳定性条件的判定。

振幅方程的强非线性，不允许预测控制系统的行为，而是通过淬火的控制参数，我们观察到的分现象和数值模拟结果之间是一致的。

对板的振动的振幅的减少是通过数值模拟证实。

考虑到电感的饱和参数，可以观察到的振幅的减少可能会导致在机电设备的重要能源的生产量。

同时还发现，振幅减小振动的板的数目增加以及外加磁场强度的增大有关。

本研究假设参数为常数。

但在运行系统的某些参数可能会有所不同，因为设备的损坏或一些热能的影响。

考虑到这些影响会添加一些随机条件方程。

他们的分析将更好地完善理论研究以更加接近实验。

这是一个有趣的工作。

声明

作者接受洪堡特基金会的支持（德国）通过设备补助金。

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