發(fā)布時(shí)間：2018-08-23 11:16

【摘要】：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(lái)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(lái)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(kāi)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(wèn)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(kāi)環(huán)逆控制方法，應(yīng)用PI逆模型作為控制器來(lái)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-2S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(guò)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)：通過(guò)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)證了本文提出的齒輪系統(tǒng)主動(dòng)結(jié)構(gòu)的正確性以及所建控制模塊的有效性。
[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.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TH132.41;TB535

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