一种结合能量收集技术的零刚度振动隔离混合主动-被动控制策略

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：A hybrid active–passive control strategy of zero-stiffness vibration isolation integrated with energy harvesting

　　

李刚|王晨|柴宏飞|张华峰|王海旭|赖秀凯

摘要

在本文中，我们提出了一种新型的混合主动-被动绝对零刚度振动隔离器（HAZSVI），该隔离器能够在大位移激励下实现长行程、全频段的振动隔离，并且功耗极低。其核心创新在于采用前馈-反馈混合控制（FFHC）框架，该框架能够使四稳态磁负刚度机构（MNSM）的静态恢复力趋于平坦，从而实现实际的绝对零刚度（AZS）状态，同时将反馈控制仅用于干扰抑制和不确定性补偿。MNSM采用丝状体方法进行建模，并通过有限元仿真进行了验证，从而能够系统地调整气隙参数，实现具有七个平衡点的四稳态力-位移关系，并在紧凑的构型中扩展出准零刚度（QZS）区域。高阶非线性动态模型和增量谐波平衡分析进一步揭示了四稳态响应的转变机制，并解释了在纯被动模式下大位移时隔离性能下降的原因。实验表明，所提出的HAZSVI系统能够消除共振放大效应，保持全频段的稳定隔离效果，即使在基激励幅度为4.5毫米的情况下，传递率也能始终低于-10分贝。由于采用了静态补偿机制，控制所需的能量较低，基于模糊PID的FFHC系统的最大平均功耗在3毫米和4.5毫米激励下分别仅为0.77瓦和1.67瓦。通过与代表性隔离器的对比测试，进一步证实了该架构在紧凑型、高负载和大行程隔离场景下的优越的可扩展性。所提出的框架将多稳态性重新定义为一种可主动重塑的静态资源，为能量和重量受限的精密平台提供了理论上的洞察和工程上的可行性。