ГЛАВА X. АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ

1. ПРИНЦИПЫ АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ

Основные понятия. Вибрационная защита с помощью пассивных систем оказывается малоэффективной при возбуждении в области низких частот, а также при действии вибрации с широким спектром. В этих случаях все большее применение находят управляемые системы виброизоляции, получившие название активных. Управление в таких системах сводится к компенсации дополнительным источником энергии внешних вынуждающих сил, вызывающих вибрацию защищаемого объекта, или относительных смещений объекта.

Активные системы виброизоляции применяют для защиты технических и биологических объектов в тех областях, где предъявляются особо жесткие требования к допустимому уровню вибрации: при виброизоляцин прецизионных станков [240] и стартовых платформ ракет [186], для защиты пилота от перегрузок [270] и повышения комфортности транспортных средств [247].

Активная виброзащитная система содержит чувствительные элементы, управляющие усилительные и исполнительные устройства. В качестве чувствительных элементов используют датчики, регистрирующие силы возбуждения и реакций объекта или его кинематические параметры — перемещение, скорость, ускорение. Сигналы датчиков характеризуют качество виброзащиты и используются для

формирования сигналов управления, осуществляемого элементами цепи обратной, связи. После усиления сигналы подаются в исполнительное устройство, создающее управляющее воздействие.

В зависимости от вида исполнительного устройства различают гидравлические, пневматические, электромеханические, электромагнитные системы активной виброизоляции. Выбор типа системы определяется предъявляемыми к ней техническими требованиями. Так, при необходимости обеспечения высокой статической жесткости целесообразно использовать гидравлическую систему. Пневматические системы, особенно пневмоструйные, позволяют получать малые величины статической жесткости. Электромагнитные системы обладают малой инерционностью и позволяют в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики.

Рассмотрим задачу активной виброзащиты на примере системы, приведенной на рис. 1, где введена активная обратная связь, формирующая управление [106]. Пусть целью виброзащиты является уменьшение колебаний объекта, имеющего массу при кинематическом возмущении Управление приложено к промежуточной массе При этом возможны следующие варианты: управление по отклонению масс или и управление по возмущению

Рис. 1. Динамическая модель виброзащитной системы

Управление по отклонению. Пусть управление формируется по перемещению массы

где передаточная функция цепи, включающей датчик и исполнительное устройство; коэффициент усиления.

Если через обозначить движение массы до введения управления то ее движение после введения управления

где оператор динамической податливости, связывающий перемещение массы с силой, приложенной к

Подставляя (2) в (1), получим

где передаточная функция замкнутой системы

выражающая перемещение массы в системе с управлением через перемещение той же массы в системе без управления; передаточная функция разомкнутой системы

Оператор характеризует эффективность активной виброизоляции. Очевидно, что система эффективна, если

Оператор динамической податливости определяется из уравнения движения масс при приложении сил и

решая которые, получим

где

Отсюда

Если управление формируется по перемещению объекта, то управляющее воздействие

Поскольку зависимость между перемещениями объекта и промежуточного тела

не изменяется при введении управления, эффективность управления полностью характеризуется изменением перемещения объекта что соответствует передаточной функции замкнутой системы

и разомкнутой системы

где, в соответствии с (6),

Пусть активная виброзащитная система содержит датчик ускорений и исполнительное пневматическое устройство в виде апериодического звена с оператором

где постоянная времени исполнительного устройства.

Тогда передаточные функции разомкнутых систем будут иметь следующий вид: при управлении по перемещению массы

при управлении по перемещению массы

Использование варианта управления по перемещению объекта ограничивается условием устойчивости системы [224], поэтому формирование активной силы по перемещению промежуточной массы оказывается более целесообразным,

Управление по возмущению. Из уравнений движения системы

находим зависимость

Отсюда, пспользуя передаточную функцию (8), получим

Выражение (11) с учетом (9) показывает, что на частотах при которых высокоэффективная виброизоляция обеспечивается, управляющим воздействием

формирующимся исполнительным устройством с передаточной функцией