基于压电元件的主动弹性隔振系统理论与试验

基于力作动器的传统主动隔振理论已得到广泛研究和较多应用,但要求较高的作动器功率,因此限制了较小功率的压电元件在主动隔振上的应用。将压电元件粘贴于一定形状的弹性元件上,构造成主动弹性隔振器件,使其具有传统被动弹性隔振器与主动隔振器两者的优点。通过综合考虑隔振系统的性能指标与主动弹性隔振器的自身能力,建立主动弹性隔振系统的理论模型,推导并分析反馈控制、前馈控制在主动弹性隔振系统中的应用框架。试验研究基于压电元件的Z形主动弹性隔振系统,通过采用粘贴其上的压电元件作为隔振器的作动器与检测隔振器内部性能的传感元件,用加速度信号作为隔振系统性能指标信号,分别采用前馈与反馈控制算法有效地实现了振动源的隔离。     

压电堆-橡胶组合隔振器的设计及实验研究

针对航天飞行器敏感仪器的精密隔振要求,提出了一种小尺寸紧凑型压电堆-橡胶组合隔振器.完成了组合隔振器压电堆作动器部分和橡胶隔振器部分的结构设计.分别对压电堆作动器的静、动态输出特性和橡胶隔振器的动态特性进行了实验研究.     

精密隔振平台振动的LQG控制

建立了以空气弹簧作为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件的精密隔振平台隔振系统，应用LOG控制算法设计其主动控制器。采用MATLAB软件进行了仿真分析以验证系统的振动控制效果。仿真结果表明所设计的振动主动控制系统可在非常宽的频率范围对基础干扰和由仪器设备产生的直接干扰所引起的精密隔振平台振动进行有效的控制。     

周期性机械振动主动控制算法

为提高周期性机械装置的隔振性能,减少其对底座(或地面)及周围环境的影响,采用由弹性橡胶和压电堆作动器组成的主动悬置(active control mount, ACM).针对压电堆作动器输出位移较小的情况,设计液压位移放大机构.通过对压电作动器和橡胶主簧性能的分析,建立由主动悬置构成的隔振系统的力学模型.周期性机械振动系统,其周期振动信号可用作控制同步信号,因此控制系统采用基于同步滤波-X LMS(least mean square)算法的自适应控制策略,传递到机座的残余力作为误差信号,实现对周期性机械振动系统的主动控制.计算机仿真实验结果表明,采用这种主动悬置和同步滤波-X LMS算法的主动控制系统,相对于采用普通橡胶悬置的被动系统,明显减少了对底座的力传递,减振效果明显.     

双层精密隔振平台的最优控制研究

将主动隔振技术应用到双层精密隔振系统中,设计双层主动隔振系统,建立其动力学方程和状态方程。根据精密制造和精密仪器的隔振需求,提出控制目标,建立系统的线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)最优控制模型,利用Matlab/Simulink软件进行仿真分析,在不同激励下研究主被动系统隔振对象的加速度响应大小。仿真结果表明:双层主动隔振系统的隔振效果远远优于被动隔振系统。     

微振动模拟与主被动隔振一体化实验平台

针对遥感卫星地面微振动实验的复杂要求,设计了一种同时具备微振动模拟与主被动隔振功能的一体化微振动实验平台,并对该平台的主、被动隔振性能以及微振动模拟效果分别进行了仿真分析和实验测试。其中,被动隔振由气浮支撑实现,主动隔振采用主动阻尼方法抑制共振峰,微振动模拟采用基于线性系统频响函数的控制策略。实验结果表明,平台前六阶的模态频率分布均小于10 Hz,被动隔振系统能大幅抑制10～200 Hz频段内的地面微振动;主动隔振能够实现14 dB的隔振系统共振峰衰减效果。微振动模拟功能能够有效产生接近星上的单频和多频真实扰动线谱,在特定频谱的扰动模拟实验中,幅值最大误差为5.9%,在误差允许范围内。该多功能一体化实验平台的各项功能均能满足地面模拟实验需求。     

微制造平台微振动的H2/H∞混合控制

基于啄木鸟头部生物构造及其仿生隔振机理 ,采用混合隔振技术建立了微制造平台隔振系统。该系统以空气弹簧和橡胶层作为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件。针对 H2 最优控制和 H∞ 鲁棒控制的优缺点 ,主动控制器采用H2 / H∞ 混合控制进行设计 ,并通过 L MI凸优化方法求解 H2 / H∞ 混合控制器。仿真结果表明所设计的 H2 / H∞ 混合控制器具有良好的鲁棒稳定性和时域性能 ,可在非常宽的频率范围对基础干扰和由微制造设备产生的直接干扰所引起的微制造平台振动进行有效的控制 ,其振动控制效果明显优于 H∞ 控制     

主被动隔振法在金刚石刀具研磨压力控制中的应用

主被动隔振能够有效改善系统全频带隔振能力,有助于金刚石刀具研磨过程中稳定控制刀具刃口所受到的研磨压力.在应用主被动隔振法控制刀具研磨压力时,需要根据刀具刃磨机床进给轴的控制能力,合理设计柔性调压平台Z向支承刚度,通过调压平台的支承刚度抑制高频振动,同时还要确保位移控制量的输出频率和调压平台固有频率之间的匹配关系,通过主动控制削弱调压平台的谐振峰,以达到稳定刀具研磨压力的目的.     

直升机主减半主动反共振隔振技术研究

根据现有主减反共振隔振和主动控制理论,设计新型直升机主减隔振原理样机模型。随着直升机工作频率的改变,隔振系统识别频率的变化,自动调节隔振器质量块位置,使系统始终有隔振效果。以直升机原理样机为对象,加入基于神经网络的控制方法,对实验对象进行动力学特性标定,获得质量块位置与工作频率之间的关系。研究频率跟踪算法,将神经网络和频率跟踪算法两者结合,编制出可以采集信号,识别频率的LabVIEW程序。实验结果证明,新型主减隔振系统隔振效果和控制效果符合预期,可以为直升机主减的振动主动控制系统设计提供一定的指导。     

非线性双层混合隔振系统控制研究

对非线性混合隔振系统的动力学特性进行了定性分析,并以滑膜变结构算法为基础设计了混合隔振系统的控制模型,通过相关算例验证了该控制模型在非线性刚度条件下的有效性,仿真结果表明:非线性混合隔振控制效果明显优于被动隔振和线性隔振系统,非线性刚度的引入可有效降低基础所受冲击载荷。文中所研究的控制方法对实际工程中非线性混合隔振系统的设计具有重要的指导意义。     

面向光栅刻划机基座的主被动复合隔振方法研究

针对大面积光栅刻划机实验室存在的复杂振动因素,可能对光栅刻划机运行的刻划精度造成不良影响,为光栅刻划机基座设计一个隔振系统,隔振系统采用被动隔振与主动隔振相结合的隔振方式。为了模拟隔振器隔振性能,建立隔振系统的动力学模型和动力学方程,在Matlab/simulink仿真软件中搭建仿真框图,并施加模拟的振动干扰信号进行光栅刻划机基座隔振仿真,根据仿真结果对比分析被动隔振和主被动复合隔振方法的隔振效果。仿真结果表明,采用空气弹簧的被动隔振系统对频率较高的振动干扰具有良好的隔离作用,然而对低频振动干扰几乎没有隔离效果,而采用PID主动控制隔振后的主被动复合隔振系统对低频振动干扰具有良好的隔离效果,大大提高了隔振系统的低频隔振性能。     

精密隔振平台微振动的H∞控制

设计了一个精密隔振平台6自由度微振动控制系统.该系统以4个空气弹簧作为被动隔振元件,8个超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件.4个垂直方向致动器与空气弹簧平行安装,以充分发挥超磁致伸缩致动器的性能.采用H∞控制算法来设计振动主动控制系统.应用Matlab软件进行了仿真分析以验证系统的振动控制效果.仿真结果表明所设计的振动主动控制系统能在较宽的频率范围对地基干扰具有很好的控制效果.     

柔性耦合系统主动隔振策略研究

针对设备上楼的柔性安装问题,把设备的安装基础建模为柔性基础,建立了柔性基础　上主动隔振系统模型,考虑了设备、隔振器、作动器和柔性基础的耦合作用,用传递导纳来　描述作动器的控制力,采用导纳综合法推求了主被动隔振的统一的功率流传递控制式,探讨　了ＰＩＤ等控制方法的主动控制策略,从而实现了控制ＦＢＲＥ系统若干阶模态振动的目的。     

微隔振平台的新型鲁棒控制器算法设计

对于平台的六自由度微隔振,采用橡胶和压电材料复合的作动器作为平台隔振的动力元件,橡胶被动隔离高频外扰,压电堆主动隔离低频扰动。针对现有压电微隔振平台的鲁棒控制器很少综合考虑外扰存在不确定性和作动器输出存在摄动这两种情况,从而导致隔振的仿真效果与实际试验差距较大的现实。基于Riccati不等式,采用鲁棒控制器的状态反馈控制方法,将两种摄动归结为模型中各参数的摄动,基于此,设计了一种新的鲁棒控制器算法,用于低频外扰振动的隔离。仿真和试验结果表明:利用设计的控制器,仿真的振幅降低了97.4%,实际平台扰动的振幅降低了93.9%,优于一般鲁棒控制器。     

精密隔振平台振动的模糊控制

采用混合隔振技术建立了以空气弹簧作为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件的精密隔振平台隔振系统，并采用模糊控制理论设计其主动控制器。应用MATLAB软件进行了仿真分析以验证系统的振动控制效果。仿真分析结果表明，该振动控制系统在较宽的频率范围内具有良好的减振效果，该系统可应用于超精密测量．制造设备的隔振领域。     

微制造隔振平台振动的模糊广义预测控制

采用主动隔振与被动隔振相结合的技术,建立以空气弹簧为被动隔振元件、超磁致伸缩致动器为主动隔振元件的微制造平台6自由度隔振系统及其结构模型。提出一种改进的自适应广义预测控制算法,并与模糊控制结合起来,应用于微制造平台的振动控制中,实现广义预测控制与模糊控制的优势互补。计算机仿真与试验结果表明,所设计的微制造平台模糊广义预测控制系统具有良好的鲁棒稳定性、抗干扰能力和时域性能,可在非常宽的频率范围内将由干扰所引起的微制造平台的振动在被动隔振的基础上减少80%左右,效果显著。     

磁流变弹性体隔振器的设计与振动特性分析

磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支,兼有磁流变液和弹性体的优点,在结构振动的主被动一体控制中有着广泛的应用前景.利用磁流变弹性体的可控刚度和阻尼特性,基于挤压式受力方式,设计一种磁流变弹性体隔振器,并对其在不同外加控制电流和激励频率下的振动响应特性进行了相关试验测试,分析和研究外加控制电流和激励频率对隔振器的振动响应特性和隔振效果的影响.试验结果发现,在外加电流的作用下,磁流变弹性体能有效增大结构阻尼,改变隔振器振动响应谱峰值的频率和幅值,提高系统的隔振效果.结果表明所设计的磁流变弹性体隔振器能在外加电流的控制下,实现对结构振动响应峰值的移频和减幅作用,具有较好的主被动一体减振效果.     

航天器微振动一体化建模与控制研究

为实现航天器载荷的高精高稳控制,研究了航天器微振动一体化集成建模与控制方案。首先,根据航天器典型微振动源构建航天器本体微振动的动力学与控制集成模型,并对其进行姿态控制仿真。然后进一步构建包含载荷-本体隔振界面的航天器微振动集成动力学与控制模型,为比较分析被动控制隔振与主被动控制隔振,分别仿真了对载荷被动隔振以及主被动混合隔振两种方案下的姿态控制。结果证实主被动控制混合隔振可有效提高载荷姿态精度和稳定度2个数量级,实现了航天器载荷的高精度高稳定度控制。     

平置板式主动浮筏系统的隔振研究

建立了浮筏系统的主被动联合控制模型,推导了多机组、多扰动源的平置板式复杂浮筏隔振系统的各个子系统的导纳矩阵表达式,实现了浮筏隔振系统的主动控制和被动控制的统一数学描述。阐释了机器控制、浮筏控制和全控制等各种控制形式的概念,研究了最小功率流控制策略下不同控制形式的主动浮筏隔振系统的功率流传递特性,并给出了主动浮筏系统隔振设计的基本准则。     

光电平台新型隔振机构设计

振动会严重影响动载体光电平台的成像质量和跟踪精度,必须采取隔振措施。分析了振动对光电平台成像质量的影响,提出了一种新型隔振机构设计方案,设计了两种新型金属橡胶隔振器,应用线阵CCD二维动态测角仪对光电平台的动态角位移进行了测量。光电平台振动扫频试验结果显示,内外隔振器组合的隔振机构能够衰减3个正交方向20 Hz以上的振动。测角结果显示,平台最大角位移为5.5″,小于8″的设计要求。隔振机构不但有效隔离了中高频振动,而且实现了平台无角位移运动,为动载体光电平台的研究提供了理论支持,并具有重要军事意义。