| 主权项 |
一种用于精密机床的智能隔振装置，其特征在于：包括通过PVDF压电薄片检测外部振动的振动方向、振动频率和振幅，以及通过信号处理系统将外部振动转化为电信号，并将电信号进行校正和放大，以提供准确的执行参数的检测单元；接收到来自检测单元的信号后，通过自适应运算，计算出与外部振动的相位相反和振幅相等的数据，然后将数据转化为电信号的控制单元；采用压电复合材料制成，接收到来自控制单元的电信号后，利用逆压电效应将电信号转换为运动信号，通过自身变形来抵消和减弱外部振动，从而实现智能隔振装置的减振和隔振功能的执行单元；所述控制单元和检测单元连接，所述执行单元和控制单元连接；所述控制单元的控制过程为：PVDF压电薄片选取的PVDF压电材料的压电晶轴取向为：极化方向定义为方向3，即垂直于材料平面的方向，垂直于方向3的另外两个方向分别定义为方向1和方向2，对于沿方向3极化处理后的PVDF压电薄片，具有特定的聚合物薄片结构，仅在方向3 产生电荷，其压电方程为：<i>D<sub>3</sub></i> = <i>d<sub>3</sub></i><sub>1</sub><i>T<sub>1</sub></i><sub></sub>+ <i>d</i><sub>32</sub><i>T<sub>2</sub></i> + <i>d<sub>33</sub>T<sub>3</sub></i> 式（1）其中：<i>D<sub>3</sub></i>为方向3的电位移(<i>C/m<sup>2</sup></i>)；<i>dij</i>为压电系数，表示在<i>j</i>方向作用的应力在<i>i</i>方向检出；<i>T<sub>i</sub></i>为 <i>i</i><i></i>方向的应力(<i>N/m<sup>2</sup></i>)；控制单元的控制过程采用自适应控制算法实现系统的智能化减振，控制单元的控制系统分为两部分：控制信号的产生和控制算法的加权自适应，其中，x(k)为参考信号，它要求与振动信号具有相关性；p(k)为期望信号，是外界振动作用于执行系统的相应，<i>w<sub>i</sub></i>(<i>k</i>)为系数矢量；在<i>k</i>时刻，N阶有限脉冲响应滤波器的输出为：y(<i>k</i>) = ∑<i>w<sub>i</sub></i>(<i>k</i>)x(<i>k</i>‑<i>i</i>)=W<sup>T</sup>(<i>k</i>)X(<i>k</i>) 式（2）在前馈控制中，控制信号s(k)并不等于滤波器的输出y(k)，因为执行单元和误差传感器之间存在着距离，所以从控制器的输出到误差传感器之间形成了一个路径传递函数：C = [c<sub>0</sub>, c<sub>1</sub>, … , c<sub>m‑1</sub>]<sup>T</sup> 式（3）s(<i>k</i>) = ∑y(<i>k</i>‑<i>i</i>)c<sub>i</sub>=Y<sup>T</sup>(<i>k</i>)<i>C</i> 式（4）其中，Y(<i>k</i>)=X<sup>T</sup>(<i>k</i>)<i>W</i>，代入式（4），得：s(<i>k</i>) = [X<sup>T</sup>(<i>k</i>)W]<sup>T</sup><i>C</i> = W<sup>T</sup>X<sub>f</sub>(<i>k</i>) 式（5）其中，X<sub>f</sub>(<i>k</i>) = X(<i>k</i>)<i>C</i>，为滤波后的参考信号序列；算法的目的是寻求最优W(<i>k</i>)，使误差信号最小，即：J=min <i>E</i> e<sup>2</sup>(<i>k</i>) = min[p(<i>k</i>) + s(<i>k</i>)]<sup>2 </sup>= min[p(<i>k</i>) + W<sup>T</sup>X<i><sub>f</sub></i>(<i>k</i>)]<sup>2</sup> 式（6）对于梯度下降算法，权系数的更新采用下列形式：W(<i>k</i> + 1) = W(<i>k</i>) － μ△W(<i>k</i>) 式（7）其中：μ为提高系统的性能而加入到加权系数的部分负梯度，即收敛系数；式（6）对权系数w(<i>k</i>)进行求导，得：△W(<i>k</i>) ≈ Зe<sup>2</sup>(<i>k</i>)/ З<i>W</i> = 2e(<i>k</i>)x<i><sub>f</sub></i>(<i>k</i>) 式（8）将式（8）代入式（7），得：<i>w</i>(<i>k</i> + 1 ) = <i>w</i>(<i>k</i>) － 2μ<sub>e</sub>(<i>k</i>)x<i><sub>f</sub></i>(<i>k</i>) 式（9）依据式（9），利用检测单元采集到的信号e(<i>k</i>)x<i><sub>f</sub></i>(<i>k</i>)不断地更新权系数w(<i>k</i>)，使执行单元的输出信号与振动信号相位相反，振幅相等，从而实现智能隔振装置的减振功能。 |
