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1、10申请公布号CN101963815A43申请公布日20110202CN101963815ACN101963815A21申请号201010275921022申请日20100907G05D19/0220060171申请人东南大学地址210009江苏省南京市江宁开发区东南大学路2号72发明人高丙团黄学良74专利代理机构南京苏高专利商标事务所普通合伙32204代理人柏尚春54发明名称一种振动自动控制装置57摘要本发明公开一种振动自动控制装置，其特征在于包括固定基座、具有两个自由度的振动结构、具有一个自由度的旋转运动机构及其驱动单元和所述旋转运动机构的控制系统；所述旋转运动机构及其驱动单元固定安装在所。
2、述振动结构上；所述具有两个自由度的振动结构，其两个自由度的直线振动平行于所述固定基座平面，且两个自由度的振动方向相互垂直；所述具有一个自由度的旋转转动机构在无外部激励的情况下，其旋转平面也平行于所述固定基座平面。本发明振动自动控制装置具有结构简单、节能高效等特点，能更好的满足实际应用的需要，可广泛应用于高层建筑或高耸塔架结构抵抗强风和地震，以及实验平台的振动抑制等场合。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页CN101963816A1/1页21一种振动自动控制装置，其特征在于包括固定基座、具有两个自由度的振动结构、具有一个自由度的旋转运动机。
3、构及其驱动单元和所述旋转运动机构的控制系统；所述旋转运动机构及其驱动单元固定安装在所述振动结构上；所述具有两个自由度的振动结构，其两个自由度的直线振动平行于所述固定基座平面，且两个自由度的振动方向相互垂直；所述具有一个自由度的旋转转动机构在无外部激励的情况下，其旋转平面也平行于所述固定基座平面。2根据权利要求1所述的振动自动控制装置，其特征在于所述具有一个自由度的旋转运动机构及其驱动单元包括旋转激励输出装置、连杆和配置质量块，所述旋转激励输出装置的输出轴通过所述连杆与所述配置质量块连接。3根据权利要求2所述的振动自动控制装置，其特征在于所述旋转运动机构的控制系统包括检测所述配置质量块在圆周上的。
4、位置及沿圆周做旋转运动速度的传感器和控制器。4根据权利要求2所述的振动自动控制装置，其特征在于所述旋转激励输出装置为电力驱动装置或液压驱动装置。5根据权利要求1、2、3或4所述的振动自动控制装置，其特征在于所述具有两个自由度的振动结构上还设置有两个自由度加速度计，所述两个自由度加速度计与控制系统连接。权利要求书CN101963815ACN101963816A1/5页3一种振动自动控制装置技术领域0001本发明属于振动控制领域，具体涉及一种振动自动控制装置。背景技术0002振动可分为有害振动和有益振动。人们期望物体的有益的振动能够发生，因此设计了各种不同的振动发生装置用来使得物体自身产生振动或引。
5、起其它物体发生振动，如六自由度振动模拟平台；对于有害的物体的振动人们则尽量避免它的发生，并想办法抑制和消除可能或已经发生的有害振动，如防止建筑物在风载荷或地震的作用下发生振动或倒塌现象。我们所讨论的振动控制是指，对系统的动态响应及振动不稳定性加以控制，使系统的振动水平处在可以接受的范围，即抑制或消除有害振动。0003对于有害振动的控制技术按照是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号，可分为被动控制PASSIVECONTROL、主动控制ACTIVECONTROL、混合控制HYBRIDCONTROL和半主动控制SEMIACTIVECONTROL四种。其中被动控制是无外加能源的控制，其控制力是控制装。
6、置随结构一起振动变形，因控制装置本身的运动而被动产生的。它是现今实际运用较多的方法，应用较为广泛。主动控制是有外加能源的控制，其控制力是控制装置按某种控制策略，由外加能源主动施加的。其装置主要由传感器、控制器、驱动器三个部分组成，这种方法目前在建筑结构上应用较少。半主动控制是一种有少量外加能源的控制，其控制力也是因控制装置本身的运动而被动产生的，但在控制过程中控制机构能由外加能源主动调整本身的参数，从而起到调节控制力的作用。混合控制是主动控制和被动控制两者结合形成的控制方案，其发展依赖于被动控制和主动控制的协调发展程度，目前在理论与实践上还需加强研究。美日两国的研究工作居于世界领先地位，相对而。
7、言美国的理论研究较为突出，而日本则更注重于实验及工程应用。我国的振动控制虽起步较晚，但已经在土木工程界得到了广泛的重视，现已就各种控制手段、控制机构进行了大量的理论和实验研究，并已有一些成果用于工程实践。0004主动控制通常包括两类基本控制方式开环控制和闭环控制。开环控制方法是直接对系统扰动输入进行量测，根据系统扰动输入的情况综合出控制律。开环控制的在线计算量较小，对系统元件的精度要求较高，抗干扰力差。主动闭环控制法是通过适当的系统状态反馈或输出反馈，产生一定的控制作用，从而控制结构的振动。闭环控制的在线计算量较大，但具有较高的抗干扰的能力，对控制元件的要求也不高，而且能保持连续地对较高控制效。
8、果进行监测。目前对主动控制的研究多集中在理论领域，提出了相当多的控制算法。0005图4是现有的典型主动振动控制技术示意图，外激励作用于结构，使得结构发生响应，通过传感器分别采集外激励和响应输送给控制器，控制器控制作动器进行结构的振动控制，这在实际实现过程中花费较大、难以维护，同时存在由于远程信号的采集存在信号延时从而影响控制质量等问题，有必要发明一种不需要进行远程检测振动信号就可以实现物体振动抑制的自动控制装置。说明书CN101963815ACN101963816A2/5页4发明内容0006发明目的本发明的目的在于克服现有主动振动控制技术中的不足，提供了一种不需要采集物体振动信号就可以实现物体。
9、振动的自动控制装置。0007技术方案本发明所述的振动自动控制装置，包括固定基座、具有两个自由度的振动结构、具有一个自由度的旋转运动机构及其驱动单元和所述旋转运动机构的控制系统；所述旋转运动机构及其驱动单元固定安装在所述振动结构上；所述的固定基座可以指大地，例如建筑物的固定基座就是大地；所述固定基座也可以指相对于大地静止的其它固定载体，如实验平台的固定基座可以是一张结实的桌子；所述两个自由度的振动结构一般情况下是指一个在水平面内振动的物体，如水平振动的建筑物，该物体的振动可根据一定坐标表示成两个自由度的直线振动运动；所述两个自由度的振动结构也可以是特制的结构。0008所述具有两个自由度的振动结构。
10、，其两个自由度的直线振动平行于所述固定基座平面，且两个自由度的振动方向相互垂直；所述具有一个自由度的旋转转动机构在无外部激励的情况下，其旋转平面也平行于所述固定基座平面。0009所述具有一个自由度的旋转运动机构及其驱动单元包括旋转激励输出装置、连杆和配置质量块，所述旋转激励输出装置即为驱动质量块沿圆周运动的作动器，其输出轴通过所述连杆与所述配置质量块连接；所述旋转运动机构的控制系统包括检测所述配置质量块在圆周上的位置及沿圆周做旋转运动速度的传感器如旋转编码器和控制器，传感器对配置质量块的位置的实时检测可作为控制系统的唯一反馈信号，对于质量块沿圆周运动的速度可基于该检测信号和采样频率计算求得。0。
11、010所述旋转激励输出装置可以为电力驱动装置或液压驱动装置。0011本发明装置的工作过程为在物体处于稳定状态时，振动控制装置的旋转质量块处于自由状态，控制系统的主要能源消耗单元作动器处于能源隔离状态，当物体产生水平振动时，在惯性作用，物体的水平振动必然引起旋转质量块偏移原先的位置，从而触发控制系统的驱动单元的能源接通，控制器根据旋转质量块相对于旋转圆周中心的位置及旋转速度决定作动器的输出力，开始对物体的振动进行主动控制，在实现对物体振动抑制并最终消除的同时将质量块控制到控制系统设定的位置，完成任务一定时间后且物体无振动的情况下，控制系统切除驱动单元的能源供给。本发明装置的工作原理可结合图3进行。
12、进一步说明，结构在外激励的作用下发生响应，本发明利用作动器和结构的动力学耦合，使得结构的响应能体现在作动器的状态变化上，从而通过传感器直接反馈作动器的状态给控制器组成闭环控制系统实现对结构的振动控制。0012由于物体的振动触发控制系统驱动单元的能源接通的触发器为振动控制装置的辅助设备，可采用在所述具有两个自由度的振动结构上设置两个自由度加速度计来监测物体自身的振动情况，并将振动信息实时传输给控制计算机，当监测到的物体振动超过系统所设置的安全阀值时，由控制系统发出接通系统作动器能源供给回路的指令并开始执行物体振动的自动控制，当控制任务完成一段时间后触发器所监测的物体振动信息在允许的阀值内时，控制。
13、系统发出切断作动器能源供给回路的命令。该触发器所采集的物体振动信息仅作为控制系统开启和关闭作动器能源供给回路的开关用，保证物体振动在允许范围内该范围人为设定，储存在控制计算机中，且可实时改动时控制系统的作动器不消耗能源，从而使得整个振动自动控制装置非常节能；同时由于控制系统的主动闭环控制系统不说明书CN101963815ACN101963816A3/5页5依赖物体振动信号的反馈，可以有效提高控制系统的实时性。0013本发明装置中控制系统的控制器可以是一台配备多功能数据采集控制卡的工业控制计算机，也可以是基于需求开发的单片机系统如基于DSP开发的具有数据采集和控制输出功能的控制器。0014本发明。
14、装置具有如下的主要特征1装置在稳定状态下即系统无振动且控制装置未驱动的静止状态质量块发生旋转运动的平面平行于水平面垂直于重力方向；2装置中质量块围绕一圆心在一固定半径的圆周上作运动；3该振动控制装置只能抑制或消除物体平行于水平面的振动不能抑制振动方向或与重力方向一致的振动；4基于旋转运动的振动控制装置安装在物体发生振动振幅较大的高度位置控制效果好于安装在物体发生振动振幅较小的高度位置；5任何物体发生的垂直于重力方向上的振动都可根据物体的结构分解成两个垂直方向上的直线振动，要求控制系统中配重质量块的最终运动位置不能定位在所分解的两个直线振动的方向上，且物体在两个垂直直线振动方向上的自然振动周期不。
15、能完全相同；6所采用控制系统只需要检测质量块在圆周上的运动状态位置、速度。0015本发明装置能够实现发明目的的技术原理在于用于振动自动控制的质量块旋转运动与物体在水平面上分解的两个自由度的直线振动运动构成一个非线性控制系统，系统的控制输入为控制质量块旋转的作动器的输出力，控制系统的三个构型状态输出为作动器输出力直接控制的质量块的旋转运动、作动器输出力通过系统动力学耦合实现控制的两个方向上的直线振动运动，基于非线性控制理论可导出由旋转质量块位置和旋转速度组成的反馈控制器是能够实现整个非线性系统稳定控制，条件是旋转质量块的控制目标位置不能位于两个直线振动方向上且物体在两个垂直直线振动的方向的振动周。
16、期不能完全相同。0016本发明装置必须在同时满足以下两个条件的情况下才能有效运行一、旋转质量块的控制目标点不能位于两个自由度振动方向上；二、两个自由度直线振动的自然周期不能完全相等。0017有益效果本发明与现有技术相比，其有益效果为本发明装置通过设计旋转机构的运动控制技术达到有效抑制或消除物体两个自由度的振动的目的，振动自动控制装置具有结构简单、节能高效等特点，能更好的满足实际应用的需要，可广泛应用于高层建筑或高耸塔架结构抵抗强风和地震，以及实验平台的振动抑制等场合。附图说明0018图1是本发明的实施例的自动振动控制装置的示意图；0019图2是用于本发明的实施例的模拟系统的示意图；0020图3。
17、是本发明的自动控制系统的示意图；0021图4是传统自动振动控制装置典型自动控制系统的示意图。具体实施方式0022下面结合附图，对最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。说明书CN101963815ACN101963816A4/5页60023实施例1如图1所示，一种安装在高层建筑上的振动自动控制装置，包括0024固定基座，即大地11；具有两个自由度的振动结构，即需要进行振动控制的高层建筑1；具有一个自由度的旋转运动机构，即质量块3；质量块进行旋转运动的圆周导轨2；用于驱动质量块运动的电机6；电机减速箱5；旋转编码器7；用于连接质量块7和电机减速箱5输出轴的连接轴4；用于电。
18、机驱动的电气控制柜8；基于工业计算机的系统控制器9；用于高层建筑1的振动监测的两轴加速度传感器10。0025具体安装实施的过程可以是这样进行的首先，选定振动自动控制装置在高层建筑1上的安装之处，如决定安装在某层或某几层之间；第二步，根据所采用质量块3的情况安装质量块的圆形支撑导轨2；第三步，安装用于驱动质量块3运动的电机减速箱5、电机6、旋转编码器7；第四步，将质量块3和电机减速箱5的输出用连接轴4连接，调整并保证质量块2的旋转运动发生在圆形导轨2上；第五步，安装固定电气控制柜8、基于工业计算机的系统控制器9、用于监测建筑物振动情况的两轴加速度计10；最后，进行电气布线，并对整个控制系统进行联。
19、机调试。0026所述圆形导轨2在安装的过程中要注意保证在自然稳定状态下质量块3在其上的运动圆周与地表平面平行，即运动圆周所决定的面与重力方向G保持垂直；假若质量块3采用如图1中所示意的球形质量块，则导轨可设计成一个圆形槽，假若质量块3设计成圆柱形则导轨可采用一个凹形槽；其原则是保证质量块在导轨上的运动是滚动而非滑动，要保证这一点，质量块3和连接轴4的相对运动为转动，如可在质量块3中内嵌一滚动球轴承与连接轴4配合；这样的设计可降低对质量块3运动的驱动单元的功率要求，在实际的自动振动控制过程中也能降低对能源的消耗。0027结合图1和图3进行说明，当高层建筑1由于随机的外激励引起振动时，必然导致安装。
20、在建筑1中的自动振动控制装置中的质量块位置发生改变，则旋转编码器7将输出位置改变信号，控制器8获得编码器7的数据即可计算得到质量块3在导轨2上的位置的变化，同时可通过微分计算得到质量块3在导轨2上运动的速度，控制器9根据反馈信息计算出需要输出到电气控制柜8的信号，电气柜8根据该信号驱动电机7在减速器5的输出端输出需要的控制力。0028用于监测高层建筑1振动情况的两轴加速度计10为一辅助单元，它不构成自动振动控制系统的必须单元，这一点由自动振动装置的实质工作过程体现；但两轴加速度计10的增加可以帮助系统节省能源，即在自然稳定状态下电气柜8的供电电源是断开的，两轴加速度10将检测到建筑1的振动情况。
21、实时提供给控制器9，控制器9根据设定的程序决定有必要开启自动控制装置时候首先发出接通电气控制柜8供电电源的命令，而当自动控制任务结束后，控制器9则发出命令断开电气控制柜8的供电电源；由于系统的能源消耗主要体现在动力电源上，而信号用电源能源消耗极低，这样可达到节约能源的目的；可在实时采集加速度计10的信号的同时采集编码器7的信号，提供给控制器10以供判断，从而提高这一环节的可靠性。0029实施例2如图2所示，一种振动自动控制装置的模拟系统，包含基座11，具有两个自由度的振动结构装置、具有一个自由度的旋转运动机构及其驱动单元和所述旋转运动机构的控制系统；0030所述具有两个自由度的振动结构装置包括。
22、与固定基座11相连接的第一直线振动说明书CN101963815ACN101963816A5/5页7机构和建立在第一直线振动机构之上的第二直线振动机构；第一直线振动机构由第一振动载体14、第一振动导轨12和第一振动弹性装置13组成；第一振动载体14只能沿着固定在固定基座11上的第一振动导轨12进行直线运动，第一振动弹性装置13的两端分别固定在第一振动载体14和固定基座11上；第二直线振动机构由第二振动载体17、第二振动导轨15和第二振动弹性装置16组成，其中第二振动载体17只能沿着固定在第一振动载体14上的第二振动导轨15进行直线运动，第二振动弹性装置16的两端分别固定在第二振动载体17和第一振。
23、动载体14上；0031所述具有一个自由度的旋转运动机构及其驱动单元包括质量块3，用于驱动质量块运动的电机6，电机减速箱5，旋转编码器7，用于连接质量块3和电机减速箱5输出轴的连接轴4。0032本例中安装在基座上的载体14和17、导轨12和15、弹簧13和16可实现两个相互垂直自由度的直线振动，两个自由度的振动周期可通过选择不同的弹簧进行调节；质量块3、连接轴4、电机减速器5、电机6、旋转编码器7、电机驱动系统8、控制器9和供电电源25组成自动振动控制装置；本例中的整个模拟系统的控制器9可采用基于DSP的单片机系统实现，在电机6为一直流电机的情况下供电电源25可以采用直流蓄电池，并将控制器9、电机驱动系统8和供电电源25安装在载体17上，以保证模拟系统一体化，便于移动。0033熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下做出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。说明书CN101963815ACN101963816A1/3页8图1说明书附图CN101963815ACN101963816A2/3页9图2图3说明书附图CN101963815ACN101963816A3/3页10图4说明书附图CN101963815A。