基于壓電作動(dòng)器的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制及算法研究.pdf

1、齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)不但會(huì)產(chǎn)生噪聲和導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且會(huì)加速傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞損害，使其失效進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。齒輪作為機(jī)械傳動(dòng)中的通用基礎(chǔ)件，降低其振動(dòng)噪聲對(duì)于減少齒輪箱故障、改善工作環(huán)境具有重要工程意義。目前齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲控制主要采取被動(dòng)方式，包括齒輪修形優(yōu)化、調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量或剛度來改變其動(dòng)力特性等。為了抑制齒輪嚙合誤差引起的周期振動(dòng)噪聲，本文結(jié)合壓電智能材料的應(yīng)用，將主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在齒輪傳動(dòng)嚙合振動(dòng)主動(dòng)控制中，基于主動(dòng)控制軸橫向振

2、動(dòng)的思想，采用主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，使主動(dòng)控制力以更直接的方式來控制齒輪嚙合點(diǎn)由于傳動(dòng)誤差激勵(lì)而引起的振動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到控制齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的目的。論文主要工作如下：
　　1)為了分析齒輪系統(tǒng)在嚙合力的作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，首先建立齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用集中質(zhì)量法建立了由一對(duì)漸開線直齒圓柱齒輪組成的傳動(dòng)系統(tǒng)三自由度數(shù)學(xué)模型，在此模型基礎(chǔ)上分析了激勵(lì)頻率和負(fù)載對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。利用壓電堆作動(dòng)器作為振動(dòng)主動(dòng)控制的執(zhí)行器，提出了

3、用于振動(dòng)主動(dòng)控制的齒輪箱主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案。
　　2)針對(duì)影響壓電陶瓷作動(dòng)器輸出精度的滯回非線性問題，提出能夠精確描述其滯回非線性特性的數(shù)學(xué)模型，分別采用Preisach模型和PI模型對(duì)壓電作動(dòng)器的滯回非線性進(jìn)行建模，對(duì)壓電堆的輸出特性進(jìn)行了仿真；在此基礎(chǔ)上提出一種開環(huán)逆控制方法，應(yīng)用PI逆模型作為控制器來補(bǔ)償滯回非線性。仿真結(jié)果表明控制器的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，并有效抑制了壓電作動(dòng)器滯回非線性的影響。
　　3)為了有效抑制齒輪傳

4、動(dòng)系統(tǒng)由于嚙合誤差引起的周期振動(dòng)，采用一種基于自適應(yīng)濾波算法的振動(dòng)主動(dòng)控制方案。分別應(yīng)用M文件型Level-2 S函數(shù)和C-MEX S函數(shù)編寫 FxLMS自適應(yīng)控制算法模塊；通過算例驗(yàn)證了控制算法模塊的正確性。在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速收斂的前提下，深入討論了用于周期性信號(hào)的振動(dòng)主動(dòng)控制 FxLMS算法收斂條件，并對(duì)影響算法性能的內(nèi)部因素進(jìn)行了分析，同時(shí)分析了在次級(jí)通道辨識(shí)有誤差和延遲的情況下算法的性能，為在實(shí)際應(yīng)用中保證算法收斂并達(dá)到

5、最佳控制效果提供重要理論依據(jù)。
　　4)在ADAMS環(huán)境下建立了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，將其作為被控對(duì)象子模塊，添加到Simulink環(huán)境中建立的FxLMS控制系統(tǒng)中，建立起完整的齒輪傳動(dòng)振動(dòng)主動(dòng)控制聯(lián)合仿真系統(tǒng)。聯(lián)合仿真驗(yàn)證了所建模型以及控制算法的正確性。
　　5)最后根據(jù)所提出的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制方法，構(gòu)建了齒輪箱與壓電堆作動(dòng)器、傳感器和控制器等必要的軟、硬件構(gòu)成的振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了快速控制原型半實(shí)物實(shí)驗(yàn)：

6、通過基于級(jí)聯(lián)自適應(yīng)陷波器技術(shù)提取齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)頻率進(jìn)而合成參考信號(hào)，利用歸一化 LMS自適應(yīng)濾波器對(duì)包含壓電堆作動(dòng)器的次級(jí)通道進(jìn)行離線辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，得到次級(jí)通道的傳遞函數(shù)；最后將算法代碼下載到dSPACE中作為控制器，與內(nèi)置壓電堆作動(dòng)器的齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成快速控制原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：由 FxLMS算法控制的壓電堆作動(dòng)器對(duì)齒輪的嚙合振動(dòng)主動(dòng)控制效果明顯，在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載情況下嚙合振動(dòng)有15dB-26dB的衰減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提