基于压电作动器的齿轮传动系统振动主动控制及算法研究
[Abstract]:Vibration of gear system not only produces noise and leads to instability of transmission system, but also accelerates fatigue damage of transmission system, making it ineffective and causing serious consequences. In order to suppress the periodic vibration noise caused by meshing errors of gears, the active control technology is applied to the meshing vibration of gears. In the control, based on the idea of active control of transverse vibration of the shaft, the active control structure is adopted to make the active control force control the vibration of the gear meshing point caused by the transmission error excitation in a more direct way, so as to control the vibration and noise of the gear transmission system.
1) In order to analyze the dynamic response of the gear system under the action of meshing force, the dynamic model of the gear system is established firstly, and a three-degree-of-freedom mathematical model of the transmission system composed of a pair of involute spur gears is established by lumped mass method. Based on this model, the excitation frequency and load on the gear transmission system are analyzed. The piezoelectric stack actuator is used as the actuator of the active vibration control, and the active structure scheme of the gear box for the active vibration control is proposed.
2) To solve the problem of hysteretic nonlinearity which affects the output precision of piezoelectric actuator, a mathematical model which can accurately describe the hysteretic nonlinearity of piezoelectric actuator is proposed. Preisach model and PI model are used to model the hysteretic nonlinearity of piezoelectric actuator respectively, and the output characteristics of piezoelectric stack are simulated. The PI inverse model is used as the controller to compensate the hysteretic nonlinearity. The simulation results show that the design of the controller guarantees the stability of the system and effectively suppresses the influence of the hysteretic nonlinearity of the piezoelectric actuator.
3) In order to effectively suppress the periodic vibration of gear transmission system caused by meshing errors, an active vibration control scheme based on adaptive filtering algorithm is adopted. The FxLMS adaptive control algorithm module is compiled by using M-file Level-2S function and C-MEX S function respectively. The correctness of the control algorithm module is verified by an example. On the premise of the stability and fast convergence of the control system, the convergence conditions of FxLMS algorithm for active vibration control for periodic signals are discussed in depth, and the internal factors affecting the performance of the algorithm are analyzed. At the same time, the performance of the algorithm in the case of error and delay in secondary channel identification is analyzed, so as to ensure the calculation in practical application. It provides an important theoretical basis for convergence and achieving the best control effect.
4) A virtual prototype of gear drive system is built in ADAMS environment, which is added to the FxLMS control system established in Simulink environment as a sub-module of controlled object. A complete joint simulation system for active vibration control of gear drive is established. The correctness of the model and control algorithm is verified by the joint simulation.
5) Finally, according to the proposed active vibration control method for gear transmission system, an experimental system of active vibration control consisting of gear box, piezoelectric stack actuators, sensors and controllers is constructed. The hardware-in-the-loop experiment of rapid control prototype is carried out: gear meshing is extracted by cascade adaptive notch filter technology. Vibration signal frequency is then synthesized into reference signal, and the transfer function of the secondary channel containing piezoelectric stack actuator is obtained by off-line identification experiment with the normalized LMS adaptive filter. Finally, the algorithm code is downloaded to the dSPACE as the controller, which is made up of the gear box test bench with the built-in piezoelectric stack actuator. The results show that the active control effect of the piezoelectric stack actuator controlled by the FxLMS algorithm on the meshing vibration of the gears is obvious, and the meshing vibration has 15 dB-26 dB attenuation under different rotational speeds and loads. The experimental results verify the correctness of the active structure of the gear system proposed in this paper and the control system established. Module validity.
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TH132.41;TB535
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