多级齿轮传动系统多谐波振动主动控制理论与方法研究

Aiming at the demand of basis transmission parts used in major large equipment and problems of common key technologies, the project focused on complex vibration control of multistage gear transmission system. Typical gearbox vibration contains several tonal signals mixed with a broadband response, by dynamic analysis of multistage gear drive system, an active control structure of multistage gear transmission system is proposed with a set of piezoelectric actuators. Based on the topology optimization, numbers and locations of piezoelectric actuators will be determined. During the course of controller design, the Filtered-x LMS algorithm raises difficulties because the reference signal may not provide all the vibration frequencies and extra sidebands found in the disturbance after control. To solve this question, a multi-input multi-output adaptive feedforward algorithm is proposed combined with the principal component analysis and modified filtered-x LMS algorithm. The secondary path transfer function matrix is simplified using principal component analysis, and also reduces the complexity of the control system and improves its convergence speed at same time. The overall vibration level of multistage gear system will be reduced by actuators attenuating multiple harmonics of the higher energy vibrations. Then a theoretical foundation and technical support will be provide to meet the national economy and national defense construction in high reliability with high performance, and high precision drive system .

本项目针对我国大型装备中大量应用的基础传动件发展的需求及面临的共性关键技术问题，着重研究多级齿轮传动系统面临的复杂振动控制问题，通过对多级齿轮啮合传动系统动力学分析，提出采用一组压电作动器的多级齿轮系统主动控制结构。通过对压电作动器空间布置的拓扑优化确定其数目和位置。在控制器设计中，针对多级齿轮系统的多谐波复杂振动，为了克服FxLMS算法在齿轮系统振动主动控制中容易造成边频的振幅增大，甚至会激起新的振动频率的不足，提出一种运用主成分分析法和改进的FxLMS算法结合的多输入多输出前馈自适应算法，利用主成分分析法简化次级通道传递函数矩阵，降低控制难度的同时提高收敛速度，通过作动器抑制能量较高的多个谐波振动，从而降低多级齿轮系统的整体的振动水平。为满足国民经济及国防建设中高可靠、高性能、高精度传动系统的需要提供理论基础和技术保障。

本项目针对我国大型装备中大量应用的基础传动件发展的需求及面临的共性关键技术问题，着重研究多级齿轮传动系统面临的复杂振动控制问题，提出采用一组压电作动器的多级齿轮系统主动控制结构进行主动控制。采用集中参数法建立了具有26自由度的多级齿轮传动系统动力学模型，并采用Ritz法进行模态参数求解，与在ANSYS中求解的模态分析结果进行比较，初步验证多级齿轮系统的建模的正确性。对齿轮箱体的模态分析确定振动能量的分布，并以此为依据对压电作动器的布置进行优化，确定其数目和位置。控制算法是影响控制效果的主要因素，为了改善原有FxLMS算法在齿轮系统振动主动控制中收敛速度慢，稳态误差较大的不足，分别提出了改进的FxLMS算法、FxRLS算法，以及自适应模糊PID控制等多种控制策略进行振动主动控制。为了验证所提算法的有效性，在ADAMS中建立相应的虚拟样机，导入在SIMULINK中建立的控制算法控制模块中，建立齿轮系统振动主动控制联合仿真系统，在多种工况下进行仿真。仿真结果表明，3种振动主动控制系统对多级齿轮系统的振动均有明显的衰减作用。针对多级齿轮系统振动主动控制所需参考信号的获取问题，提出一种基于变步长无偏平滑梯度算法的二阶IIR自适应陷波器方法，以通过齿轮箱实时振动信号在线估计啮合基频，仿真验证了该陷波器能快速且准确地追踪频率变化。将两个陷波器串联构成级联陷波器组，以二级齿轮箱振动加速度信号作为输入，结果陷波器组快速且准确地估计出了两个啮合基频，证明所提陷波器方法在多级齿轮箱多个啮合基频的在线实时估计应用中更具优越性。搭建了多级齿轮传动系统多谐波振动主动控制实验平台及其控制系统，由二级齿轮箱体、压电作动器及电压源、控制器、信号采集器构成的振动主动控制实验系统，并进行了硬件在环仿真。实验结果表明，在齿轮箱的输入轴、输出轴上对振动的衰减明显，分别在基频及二倍频处有10dB的衰减。通过作动器抑制能量较高的多个谐波振动，从而降低多级齿轮系统的整体的振动水平。