实验结果：液体瞬态和残余晃动振幅的变化

图6.17 是实验平台，容器安装在XY 数控平台上，平台能在水平面内自由运动。平台由松下电机通过丝杠驱动，平台的运动速度与位置由编码器测量得到。实验平台的控制系统硬件由电脑、DSP 运动控制卡和伺服放大器组成，电脑界面用于编写运动控制程序，DSP 运动控制卡连接电脑与伺服放大器。此次实验中的容器尺寸为182 mm × 102 mm × 200 mm。左侧安装的CMOS 摄像头用来测量贮液容器对角处的液位高度，实验中的液位深度通过尺子测量。

图6.17　液体晃动实验台

图6.18绘出了梯形驱动命令下，贮液容器拐角处的液高随时间变化的曲线。容器的驱动距离为20 cm，驱动角为30°，容器内液深为90 mm。由响应曲线可以看到，在0 s到1 s之间，容器处于静止，液面也无波动；然后在1 s 时，容器开始加速，诱发液体振动；在2.0 s 时，容器开始减速，再次诱发液体振动；在2.1 s 后，容器停止运动，液体晃动进入残余振动阶段。无控制器情况下，液体的瞬态晃动振幅与残余晃动振幅分别为34.0 mm 和17.4 mm。残余振幅比瞬态振幅小是因为容器减速过程诱发的振动与加速过程诱导的振动反相，两者振动相互削弱。在光滑器控制下，液体的瞬态晃动振幅与残余晃动振幅分别为5.4 mm 和0.4 mm。光滑器将残余振动基本抑制到零。

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图6.18　液体晃动实验响应

下面分析系统参数发生变化时，光滑器的晃动抑制效果，选取容器内液深作为变量，分析不同液深时，容器内液体的振动情况。本次实验中，容器的驱动距离为20 cm，驱动角为30°，容器内实际液深从50 mm 到130 mm 变化，而光滑器的设计液深为90 mm，瞬态晃动振幅实验结果如图6.19 所示。无控制器时，随着液深的增加，瞬态晃动振幅逐渐减小，仿真得到的瞬态晃动振幅比实验得到的振幅都大，这是因为在仿真中我们忽略了液体的黏性和表面张力等因素。分析有控制器时的实验数据得到，光滑器能够抑制瞬态晃动的83.7%。由于光滑器整形后的速度曲线更加光滑，所以瞬态振动抑制效果更好。

图6.19　液深变化时的瞬态和残余晃动

实际液深从50 mm 到130 mm 变化，光滑器设计液深保持90 mm 不变时，液体晃动的残余振幅实验结果也在图6.19中给出。分析曲线发现，无控制器时，随着液深的增加，液体晃动的残余振幅逐渐减小。由于仿真过程中忽略了流体的黏性、表面张力等因素，所以仿真残余振幅比实验获得的振幅大。分析有控制器条件下的实验结果，所有液深情况下，光滑器能够将残余振幅抑制到0.92 mm 以下。综合上述实验结果说明，光滑器在不同的工况下，对三维液体晃动都能起到很好的抑制效果。