面向精密仪器设备的主动隔振关键技术研究

浙江大学机械工程学系博士学位论文面向精密仪器设备的主动隔振关键技术研究姓名：李国平申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：陈子辰;魏燕定20100101面向精密仪器设备的主动隔振关键技术研究作者：李国平学位授予单位：浙江大学机械工程学系相似文献(10条)1.会议论文陆振宇.朱日宏.肖冬荣光学超精密仪器隔振系统的鲁棒H∞控制系统仿真分析2006本文针对光学超精密仪器隔振系统的不确定性,采用被动隔振和主动隔振相结合的混合控制技术,其中主动隔振采用鲁棒H∞控制策略,该方法克服了由模型和干扰所引起的不确定性,使得控制系统能够有效地抑制模型的非线性和振动的干扰.仿真结果表明,光学超精密仪器在振动的干扰下具有较好的鲁棒稳定性和控制精度.2.学位论文邱熹程扫描探针显微镜主动隔振研究2008随着科学技术的发展和人类社会的进步，人们对各类高精尖技术领域振动的控制要求也日趋严格。各种振动很大程度上限制着超精密仪器的性能发挥，例如扫描探针显微镜(SPM)在加工检测时易受到外界干扰。尤其在各类高分辨率测量场合和超精密加工制造过程更是如此，因此开展对超精密仪器隔振技术研究具有非常重要的理论意义和实用价值。本论文课题源自于国家自然科学基金资助项目“弹性浮动研磨新技术及其金刚石研磨应用研究(No.50675037)和广东省科技计划项目“超微量基因注射检测装置开发(No.2003B12002)，目的在于解决普通实验室下SPM易受到外界干扰而影响其纳米检测过程抗干扰能力的问题，在此基础上进行了主被动隔振相结合的混合隔振研究。论文中阐述了本论文的研究背景和意义，结合国内外大量文献详细介绍了当前国内外振动主动控制技术的现状及发展并做出评述；针对现有隔振方法存在的问题提出将主动隔振和被动隔振措施相结合的隔振方案来提高SPM精密检测抗干扰能力；以CSPM4000型SPM作为试验研究对象，在主被动隔振机理的基础上建立了隔振系统及其动力学模型，并将作用力转化为三种反馈方式进行分析；在原有弹簧悬架机构上自制了涡流耗能阻尼器，经试验取得较好实验效果。针对低频振动特性，综合考虑SPM主动隔振结构及成本因素，提出且制作了一套隔振系统，包括信号拾取、控制系统和致动器三个部分，其中信号拾取由磁电式速度传感器感应振动信号，控制部分由信号A/D(D/A)转换、低通滤波、信号放大、FFT数据处理等环节组成，其中A/D(D/A)转换采用MATLAB控制计算机声卡实现，后续信号处理运用MATLAB软件进行分析计算并施加控制策略。对于诸多主动控制策略考虑各自的优缺点，就数字PID控制算法、模糊控制等控制方法在主动隔振控制中的运用进行仿真研究，通过MATLAB的计算机仿真研究各个控制算法对于不同频段不同波形干扰的隔振效果，分析比较结果；最终采用PID控制方法。然后分别在被动隔振系统、主动隔振系统的情况下进行试验研究，并对实验结果分析比较，结果显示在被动和主动隔振结合情况下能取得较好的隔振效果。3.学位论文李双压电智能结构主动隔振系统研究2004近20年来,智能材料结构随着材料科学、计算机技术、信息理论、控制理论等的发展已成为国内外最活跃的研究课题之一,利用智能结构进行振动主动控制是其重要的研究内容.该文针对某特定的机载精密仪器进行了动力学建模,建立了压电智能结构主动隔振系统,对其进行了理论研究,并在时域和频域分别进行了试验仿真分析,结果表明:压电智能结构主动隔振系统在整个频段都具有很好的隔振效果,大大优于被动隔振系统,也优于一般的主-被动混合隔振系统.该文还将压电智能结构主动隔振的理论和控制方法应用到土木工程领域,利用一类压电材料控制器对平移-扭转耦联的框架结构进行了主动隔震,仿真结果显示:结构各层的平移和扭转均得到显著减小,表明将智能结构系统用于结构地震反应主动控制中的可能性.该文的主要工作集中在以下几个方面:(1)从压电材料的压电方程出发,对其作动能力和传感能力进行了详细的分析,得到了压电智能结构中压电片的作动方程和传感方程,并对压电材料传感作动集成进行了探讨.(2)对某特定的机载精密仪器进行了动力学建模,建立了压电智能结构主动隔振系统.(3)应用最优控制理论设计控制器,对瞬时最优控制和线性二次型Gauss(LQG)闭环控制方法进行研究和对比,并导出构形空间内的瞬时最优闭环控制算法.(4)用计算机仿真验证了智能结构主动隔振的有效性和优越性;分析了加权矩阵对控制系统的影响并探讨其选取方法;证明了在加权矩阵选取相同时,瞬时最优控制优于LQG控制.(5)利用一类压电材料控制器对平移-扭转耦联的框架结构进行了主动隔震研究,并对其进行了仿真分析,结果显示出良好的隔震效果和应用前景.4.期刊论文邱熹程.傅惠南.巫立东.QIUXi-cheng.PUIi-dong.WULi-dong扫描探针显微镜的隔振技术研究-机电工程技术2008,37(9)扫描探针显微镜(SPM)等超精密加工与检测仪器容易受到外界环境微小振动等干扰,致使仪器在通常条件下无法达到要求的指标.为此,结合主动隔振和被动隔振振技术研究对外界微小振动扰动有效隔离方法.以本原纳米仪器有限公司制作的CSPM4000扫描探针显微镜作为实验对象进行试验,探讨利用主动隔振系统来降低超精密仪器对于外部试验环境的苛刻要求,进而改善超精密仪器的试验性能.实验结果显示隔振试验装置具有较好的隔振效果.可满足使用要求.5.学位论文李小萍基于音圈电机的主动隔振技术研究2008随着我国精密仪器应用的不断加强，其相关技术研究不断地深入与拓展。低频微振动是其中极其重要的一个研究课题，它对精密仪表的正常工作有着重要的影响。世界许多国家均高度重视，并投入大量的人力物力加以研究。在主动抗振领域，采用音圈电机对低频微振动具有明显的优势。它具有结构简单、体积小、高速、高加速度、响应快、线性力一行程优良等特性，在精密仪器及精密工业领域有着广泛地研究前景。本文通过对国内外大量文献的参考和研究，采用了主动与被动相结合的混合振动隔离系统，在以空气弹簧为被动隔振元件基础上，以音圈电机为主动隔振元件，引入次级振源，进行了被动隔振性能的测试分析与主、被动混合隔振系统的设计与仿真、分析。文中针对隔离对象进行了混合隔振系统算法的研究，提出一套音圈电机应用到隔振系统振动主动控制的方案，分别采用了先进的机电一体化PID控制算法、BP神经网络控制算法、小波分析算法，并利用MATLAB软件进行了仿真分析。仿真结果表明，相对于被动隔振系统，加入主动控制的混合振动隔离系统的隔振性能得到了极大的提高。6.期刊论文陆振宇.朱日宏.肖冬荣.LuZhenyu.ZhuRihong.XiaoDongrong光学超精密仪器隔振系统的鲁棒H∞控制系统仿真分析-仪器仪表学报2006,27(z1)针对光学超精密仪器隔振系统的不确定性,采用被动隔振和主动隔振相结合的混合控制技术,其中主动隔振采用鲁棒H∞控制策略,该方法克服了由模型和干扰所引起的不确定性,使得控制系统能够有效地抑制模型的非线性和振动的干扰.仿真结果表明,光学超精密仪器在振动的干扰下具有较好的鲁棒稳定性和控制精度.7.学位论文黄群基于压电作动器的主动隔振系统理论与仿真研究2006近年来，将智能材料结构、控制理论、信号处理技术及计算机技术等与机械振动理论相结合的振动主动控制技术已经成为目前国内外最为活跃的研究课题之一。本文针对某精密仪器的隔振要求，建立了以压电作动器为主动控制执行装置的主动隔振系统，并建立了系统的动力学方程及状态空间模型，然后对所建立的隔振系统进行了理论和数值仿真研究。仿真结果表明，本文所研究的基于压电作动器的主动隔振系统在整个频段均具有很好的隔振效果，大大优于一般的被动控制。本文主要进行了以下研究：1.介绍智能材料与智能结构的基本概念及其发展和研究概况，总结归纳振动控制方法与技术以及主动隔振技术的发展概况，指出了智能作动器的发展方向并介绍其在振动主动控制领域的应用情况。2.推导压电材料在二维和一维情况下的压电方程，获取压电作动器的作动力或驱动位移的表达式；对压电作动器的结构进行设计。3.建立单自由度隔振系统的力学模型及其相应的动力学方程，分析不同频率比对被动隔振系统隔振效果的影响；将仪器转角作为被控制的目标之一，对某机载精密仪器设备进行动力学建模；阐述了主动隔振系统的隔振机理。4.阐述PID控制器的原理及设计方法；推导主动隔振系统在确定性激励下的LQ最优控制力及随机激励下的LQG最优控制力表达式，对两种情况下的控制器进行了设计。5.应用Matlab软件及其Simulink软件包对隔振系统进行计算机数值仿真，仿真结果表明，采用主动隔振可以对取得很好的隔振效果，PID控制的隔振效果好于一般被动隔振，但不及最优控制时的隔振效果，同时最优控制中的加权矩阵的选择对控制效果有重要影响。8.学位论文孙海军基于压电材料的主动隔振系统研究2007伴随现代工业技术的飞速发展，振动问题已经成为现代人们越发重视的焦点，如何尽可能的减小振动带来的危害，消除由于振动给仪器设备尤其是精密仪器带来的负面影响成为全世界企业、研究单位探索研究的热点。另外，随着现代材料技术的发展，各种复合型，智能型材料由于其优异的化学、物理性能正逐步进入人们的视野，正是在这样的背景下，本文选取了基于压电陶瓷的主动隔振系统为研究对象。本文首先对主动隔振技术的国内外研究状况进行了介绍，明确了对系统隔振研究的必要性，并着重介绍了压电式作动器在主动控制中的应用。在综合各种隔振技术的特点之后，决定选取压电陶瓷作为隔振的主要材料。接着对有关隔振设计的相关知识包括隔振类型，方案、材料等进行了简单介绍，对常用的单级、多级隔振体系的力学模型和运动方程做了详细分析。然后介绍了压电陶瓷的特性，重点是其特有的正逆压电效应进行了详细介绍，并对单层和双层隔振系统的进行分析，对两种系统各自施加不同的控制律，重点是对双层隔振系统控制律的研究。然后进一步确定复合式和全反馈式两种控制器作为研究的重点。利用仿真工具对双层隔振系统的两种控制律．复合式和全反馈式进行仿真，通过比较不同参数时隔振系统的隔振效果，确定适合的参数，进一步验证利用压电陶瓷的压电特性将其应用于隔振设计的可行性，为今后这方面的研究工作提供依据。9.期刊论文黄群.文立华.李双.HUANGQun.WENLi-hua.LIShuang基于压电堆式作动器的主动隔振研究及其仿真分析-西安工业大学学报2006,26(4)以压电堆为作动器并安置于某机载精密仪器结构中,建立了结构主动隔振系统的动力学模型;针对该模型,建立了基于线性二次型Guass(LQG)最优控制理论的控制方法,对结构振动隔离的理论方法进行了研究并基于Simulink进行了数值仿真分析.仿真结果显示,所研制的隔振系统能够很好地隔离源自基座的位移激励,证明了所研究的隔振方法在理论上是有效的和可行的,从而为进一步的实验研究奠定了基础.10.学位论文盛慧Hexapod型智能主动隔振平台系统的研究2007应用在航空航天领域中的机载或弹载精密仪器设备系统(如导航/定位系统、光学仪器设备等)对定位精度的要求非常高，但是现实中机体或是弹体存在的振动会对它们的精度造成很大的影响，因此寻找高精度的隔振系统便成为了一个重要的研究课题。本文研究的目的是利用主动隔振结构对某航天器的机载精密仪器设备进行主动隔振，减少冲击和振动对精密仪器设备的影响，实现设备的高精度定位。本文以hexapod智能主动隔振平台系统为研究和分析的对象，对于其应用在航天器载荷高精度隔振上的可行性进行了深入的探讨。由于该系统的结构复杂，有六个自由度，分析其数学模型难度非常大。因此，本文研究了应用虚拟样机技术进行机械系统动力学与控制集成仿真的方法，在ADAMS软件界面中搭建了三维仿真模型，并通过不断的仿真与重新搭建以使模型的参数最优化。对于hexapod系统中的两大主要结构：作动器和控制器，本文均进行了深入的分析与研究。对于作动器，采用了智能材料中的压电陶瓷，给出了它的压电方程，分析了压电性质，并推导出了它作为压电作动器时的作动方程；对于控制器，基于对现有控