CN102705431A - 无角位移主被动复合式减振系统及其方法 - Google Patents

Abstract

无角位移主被动复合式减振系统及其方法涉及一种光电精密仪器检测领域，该系统包括：主被动减振器、加速度传感器、位移传感器、数据处理单元、控制单元和功率放大单元；主被动减振器和位移传感器放置在载体上，设备放置在主被动减振器上端，加速度传感器放置在设备上方；加速度传感器和位移传感器分别与数据处理单元连接，数据处理单元与控制单元连接，控制单元与功率放大单元连接，功率放大单元与主被动减振器连接。本发明通过主动减振和被动减振相结合的方式降低载体传递到光电精密测量设备的振动，通过位移控制使设备的安装点与载体间的相对距离相同，消除设备的相对角位移。并且结构简单，体积较小，使用简易。

Description

无角位移主被动复合式减振系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种光电精密仪器检测领域，特别涉及无角位移主被动复合式减振系统及其方法。

背景技术

安装在飞机、车辆、船舶等运动载体上的光电精密测量设备为确保正常工作和测量精度，对振动环境的要求非常高。一方面，载体传递到设备的振动要控制在允许范围内；另一方面，必须避免载体振动引起的设备角姿态变化，使设备的光轴始终稳定在被测量目标上，从而保证设备测量精度。

目前，光电精密测量设备的减振主要采用被动减振方法，即使用弹簧、阻尼被动减振器隔离载体传递到设备的振动。被动减振对高频振动具有较好的隔离效果，但对低于系统固有频率的低频振动无减振效果，甚至产生放大振动的负效果。主动减振方法引入反馈或自适应前馈控制，通过提取设备的振动信息，并按照设计的主动减振算法计算出控制量，经功率放大等环节后驱动主动减振器，在设备上产生一个与振动力幅值、频率相同、相位相反的作用力，从而抵消设备的振动，实现主动减振的目的。与被动减振相比，主动减振可以有效减小载体传递到设备的低频振动，提高振动隔离度。

目前，光电精密测量设备多通过四个被动减振器与载体连接，由于每个减振器的参数存在差异，载体振动力在减振器安装位置的分布也不相同，造成各位置处载体和设备间相对距离不相同，使设备产生了相对角位移，影响了设备的测量精度。有学者和工程技术人员尝试通过限制减振器其它方向的运动自由度，仅保留z向平移自由度的方式解决角位移问题，但在载体振动大、分布不均的情况下，减振器作用杆会受到很大的扭曲力，出现变形、弯曲等情况，存在设备损坏的风险。

基于平面连杆机构原理的平行四边形机构无角位移减振器，以及中国发明专利1640704A公开的摇杆滑块机构无角位移减振器，能够避免复杂振动环境下光电精密测量设备产生相对角位移，但结构复杂、体积较大，使用和维护不易。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种无角位移主被动复合式减振系统及其方法，该系统结构简单，同时具备设备减振和避免角位移的功能，使设备光轴始终稳定在被测量目标上，保证了测量精度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

无角位移主被动复合式减振系统，该系统包括：主被动减振器、加速度传感器、位移传感器、数据处理单元、控制单元、功率放大单元和载体；主被动减振器产生主动减振力，在被动减振的基础上进一步降低载体传递到被减振设备的振动；加速度传感器测量被减振设备的加速度；位移传感器测量载体和被减振设备间的相对距离；数据处理单元接收加速度传感器和位移传感器的发出的加速度信号和位移信号后，传递给控制单元，控制单元输出信号经功率放大单元驱动主被动减振器，带动被减振设备移动到设定位置；主被动减振器和位移传感器放置在载体上，被减振设备放置在主被动减振器上端，加速度传感器放置在被减振设备上方；加速度传感器和位移传感器分别与数据处理单元连接，数据处理单元与控制单元连接，控制单元与功率放大单元连接，功率放大单元与主被动减振器连接。

无角位移主被动复合式减振系统的减振方法，减振方法包括如下步骤：

步骤一：设定被减振设备的期望振动加速度为0，实际加速度由加速度传感器测量；设定载体和被减振设备的期望相对距离为固定值，实际距离由位移传感器测量；

步骤二：实际加速度和期望振动加速度之差，经由数据处理单元处理后，传输到控制单元；期望相对距离和实际距离之差经由数据处理单元处理后，传输到控制单元；

步骤三：控制单元利用两路输入信号产生控制信号并输出，经功率放大器放大后驱动主被动减振器，主被动减振器在被减振设备上产生主动减振力，抵消或减小载体传递到被减振设备上的振动力，并带动被减振设备移动到设定位置。

本发明的有益效果是：本发明通过主动减振和被动减振相结合的方式降低载体传递到光电精密测量设备的振动，通过位移控制使设备的安装点与载体间的相对距离相同，消除设备的相对角位移。并且结构简单，体积较小，使用简易。

附图说明

图1本发明无角位移主被动复合式减振系统的结构图。

图2本发明无角位移主被动复合式减振系统的三维空间布置图。

图3本发明无角位移主被动复合式减振系统主被动减振器的主视剖视图。

图4本发明无角位移主被动复合式减振系统的工作示意图。

图5本发明无角位移主被动复合式减振系统的主被动复合减振系统与被动减振系统的振动力传递率曲线对比。

图6本发明无角位移主被动复合式减振系统的光电精密测量设备在四个安装位置的振动加速度曲线。

图7本发明无角位移主被动复合式减振系统的载体和光电精密测量设备在四个安装位置处的相对距离曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

无角位移主被动复合式减振系统，如图1所示，该系统包括：主被动减振器10、加速度传感器12、位移传感器13、数据处理单元14、控制单元15、功率放大单元16和载体17；所述主被动减振器10产生主动减振力，在被动减振的基础上进一步降低载体17传递到被减振设备11的振动；加速度传感器12测量被减振设备11的加速度；位移传感器13测量载体17和被减振设备11间的相对距离；数据处理单元14接收加速度传感器12和位移传感器13的发出的加速度信号和位移信号后，传递给控制单元15，控制单元15输出信号经功率放大单元16驱动主被动减振器10，带动被减振设备11移动到设定位置；所述主被动减振器10和位移传感器13放置在载体17上，被减振设备11放置在主被动减振器10上端，加速度传感器12放置在被减振设备11上方；所述加速度传感器12和位移传感器13分别与数据处理单元14连接，数据处理单元14与控制单元15连接，控制单元15与功率放大单元16连接，功率放大单元16与主被动减振器10连接。

无角位移主被动复合式减振系统的三维空间布置图参见图2，在本实施例中，质量为40kg的光学精密测量设备通过四只主被动减振器10安装在载体17上，四只主被动减振器10的分别承担10kg重量；刚度分别为80N/mm、85N/mm、90N/mm和95N/mm，阻尼比均为0.1，对应的主被动减振器10固有频率分别为14.2Hz、14.7Hz、15.1Hz和15.5Hz；四只加速度传感器12分别与四只主被动减振器10对位安装在设备11上，测量设备11在四个主被动减振器10安装点的振动加速度；四只非接触处式位移传感器13安装在载体17和设备11之间，分别测量四个主被动减振器10安装处它们间的相对距离。

减振器采用主被动复合式的紧凑型设计，将被动减振单元和主动减振单元集成在一起，同时具备了设备支撑、被动减振和主动作用力输出功能，其结构如图3所示。被动减振单元由碟簧6和橡胶阻尼块2构成，碟簧6提供了z方向的支撑力和弹性力，限制了其它方向的运动自由度，碟簧6中心处上端面与作用杆7连接；橡胶阻尼块2布置于凹形磁钢1与骨架4之间，通过与骨架4的干摩擦提供阻尼力。作用杆7与设备11之间通过球头8连接，作用杆7只有z方向的平动自由度，由4个主被动减振器10支撑的设备11除具有z向的平动自由度以外，还具有x、y方向两个方向的转动自由度，避免了4个主被动减振器10振幅不相同时作用杆7受扭曲力弯曲变形。

主动减振单元采用直线音圈电机，由稀土永磁体3和磁钢板9构成封闭磁路，线圈5缠绕在骨架4之上，置于磁钢板9间的气隙匀强磁场中；骨架4上端与碟簧6中心处下端面相连，下端与橡胶阻尼块2接触；线圈5通入交变电流后，在磁场作用下带动作用杆7上下往复运动，在设备11上产生主动作用力，骨架4下端与橡胶阻尼块2摩擦产生阻尼力。

如图4所示，本发明独立控制四只主被动减振器10，即控制系统由四个单输入单输出子系统组成，子系统间无耦合。采用无角位移主动减振算法，算法由主动减振算法和位移控制算法组成。主动减振器采用振动加速度负反馈，其基本原理是：设备11的期望振动加速度为0，实际加速度由振动加速度传感器12测量，两者之差作为振动加速度传感器12的输出信号，采用双积分PI算法设计，控制单元15输出信号经功率放大等环节后驱动音圈电机，带动作用杆7在设备11上产生主动减振力，抵消或减小载体17传递到设备11上的振动力；双积分PI算法的形式如下：

$f_a\left(t\right)=k_{m}e\left(t\right)+k_c{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+k_k{\∫}_0^t{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λd\τ}$

其中，e(t)是振动加速度误差信号，f_a(t)是控制器输出信号，k_m是控制器质量系数，k_c是控制器阻尼系数、k_k是控制器弹性系数。

采用位移负反馈控制方法使载体17和设备11在四个安装点的相对距离相同，从而消除它们之间的相对角位移，其基本原理是：载体17和设备11在四个安装点的期望相对距离设定为相等的固定常值，实际距离分别由对应的非接触式位移传感器13测量，两者之差经过带宽为0.1Hz的二阶低通滤波器提取直流信号分量后，作为位移传感器13的输出信号，采用PI控制，控制单元输出信号经功率放大等环节后驱动音圈电机，带动设备11移动到设定位置。即当载体17产生振动，经主被动减振器10传递到设备11上，振动加速度传感器12测量设备11的振动加速度，位移传感器13测量载体17和设备11间的相对距离，位移传感器13的供电和数据采集由数据处理单元14完成，并将数据传送到控制单元15，按照设计的无角位移主动减振算法计算出控制信号，输出经功率放大器放大后驱动主被动减振器10中的主动减振单元，在设备11上产生主动减振力，抵消或减小设备11振动，同时移动设备11到设定位置，消除载体17与设备11间的相对角位移。

本发明的无角位移主动减振控制算法结构依据图2所示实例的参数，设计双积分PI主动减振控制器，其频域表达式为：

$F_a\left(s\right)=(30+\frac{1000}{s}+\frac{3\×{10}^5}{s^2})A_m\left(s\right)$

其中，F_a(s)是主动减振控制信号的频域形式，A_m(s)是设备振动加速度信号的频域形式。

依据图2所示实例的参数，设计PI位移控制器，并将载体17和设备11间的相对距离设定为5mm，PI控制器的频域表达式为：

$F_p\left(s\right)=5\×{10}^5(1+\frac{1}{s})X\left(s\right)$

其中，F_p(s)是位移控制信号的频域形式，X(s)是载体17、设备11间相对距离信号的频域形式。

图5给出了主被动复合式减振系统与被动减振系统的振动力传递曲线对比，其中虚线表示1~1000Hz频段内的载体17振动经过本发明的主被动复合式减振系统后，传递到设备11上的振动力幅值与载体17振动力幅值的比值，以对数形式表达；实线表示主动减振单元关闭，同频段载体17振动经被动减振后传递到设备11上的振动力幅值与载体17振动力幅值的比值，以对数形式表达。对比曲线，本发明的主被动复合式减振系统对全频段载体17振动的隔离能力比被动减振系统高20dB以上，系统谐振频率处的谐振峰比被动减振系统平缓，且谐振峰高度降低，在谐振频率处的减振能力比被动减振系统高28dB，谐振抑制能力更强。

图6给出了载体17振动频率为15Hz时，安装在光学精密测量设备11上的4只振动加速度传感器12测量的加速度曲线，此时系统处于谐振状态，振动环境最恶劣。在0~10s时间段内，四只主被动复合式减振器的主动减振单元均关闭，仅被动减振单元起作用；10s以后，打开主动减振单元，执行主被动复合减振。从加速度曲线可以看出，10s之后设备11的振动加速度幅值显著降低，说明本发明的主被动复合式减振系统在谐振频率处的振动抑制能力要优于被动减振系统，克服了被动减振谐振抑制能力差的缺点，更有利于对机载等复杂振动环境中工作的光学精密测量设备的保护。

本实施例中，载体17和光学精密测量设备11之间的期望相对距离设定为50mm，四只减振器的原始高度均为60mm，承载设备11产生静压缩变形后的高度分别为58.78mm、58.85mm、58.91mm和58.97mm。图7给出了载体17振动频率为15Hz时，4只非接触式位移传感器13测量的载体17、设备11间距离和期望相对距离的差值。在0~10s时间段内，主动减振单元关闭；10s之后，打开主动减振单元，实施位移控制。从图6曲线可以看出，10s之后载体17、设备11间四个测点的相对距离与期望距离逐渐接近，并最终到达期望距离，消除了由载体17振动引起的设备11相对角位移。

Claims (9)

1.无角位移主被动复合式减振系统，其特征在于，该系统包括：主被动减振器（10）、加速度传感器（12）、位移传感器（13）、数据处理单元（14）、控制单元（15）、功率放大单元（16）和载体（17）；所述主被动减振器（10）产生主动减振力，在被动减振的基础上进一步降低载体（17）传递到被减振设备（11）的振动；加速度传感器（12）测量被减振设备（11）的加速度；位移传感器（13）测量载体（17）和被减振设备（11）间的相对距离；数据处理单元（14）接收加速度传感器（12）和位移传感器（13）的发出的加速度信号和位移信号后，传递给控制单元（15），控制单元（15）输出信号经功率放大单元（16）驱动主被动减振器（10），带动被减振设备（11）移动到设定位置；所述主被动减振器（10）和位移传感器（13）放置在载体（17）上，被减振设备（11）放置在主被动减振器（10）上端，加速度传感器（12）放置在被减振设备（11）上方；所述加速度传感器（12）和位移传感器（13）分别与数据处理单元（14）连接，数据处理单元（14）与控制单元（15）连接，控制单元（15）与功率放大单元（16）连接，功率放大单元（16）与主被动减振器（10）连接。

2.如权利要求1所述的无角位移主被动复合式减振系统，其特征在于，所述主被动减振器（10）包括：底座、阻尼块（2）、永磁体（3）、骨架（4）、线圈（5）、碟簧（6）、作用杆（7）、球头（8）、磁钢板（1）和凹形磁钢（9）；所述凹形磁钢（9）位于底座上，永磁体（3）固定在凹形磁钢（9）的中心，阻尼块（2）固定在凹形磁钢（9）的内周两侧；所述骨架（4）为倒U型，其置于永磁体（3）的上端，两下脚分别与阻尼块（2）接触；凹形磁钢（9）上端面放置一磁钢板（1），碟簧（6）放置在磁钢板（1）上，线圈（5）缠绕在永磁体（3）上方的骨架（4）上，骨架（4）通过作用杆（7）与球头（8）连接。

3.如权利要求2所述的无角位移主被动复合式减振系统，其特征在于，所述磁钢板（1）、凹形磁钢（9）和永磁体（3）构成封闭磁路。

4.如权利要求2所述的无角位移主被动复合式减振系统，其特征在于，所述阻尼块（2）的材料为橡胶。

5.如权利要求2所述的无角位移主被动复合式减振系统，其特征在于，所述永磁体（3）的材料为稀土。

6.如权利要求1所述的无角位移主被动复合式减振系统，其特征在于，所述主被动减振器（10）、加速度传感器（12）和位移传感器（13）的安装位置与载体（17）间的相对位置相等。

7.基于权利要求1所述的无角位移主被动复合式减振系统的减振方法，其特征在于，所述减振方法包括如下步骤：

步骤一：设定被减振设备（11）的期望振动加速度为0，实际加速度由加速度传感器（12）测量；设定载体（17）和被减振设备（11）的期望相对距离为固定值，实际距离由位移传感器（13）测量；

步骤二：实际加速度和期望振动加速度之差，经由数据处理单元（14）处理后，传输到控制单元（15）；期望相对距离和实际距离之差经由数据处理单元（14）处理后，传输到控制单元（15）；

步骤三：所述控制单元（15）利用两路输入信号产生控制信号并输出，经功率放大器放大后驱动主被动减振器（10），主被动减振器（10）在被减振设备（11）上产生主动减振力，抵消或减小载体（17）传递到被减振设备（11）上的振动力，并带动被减振设备（11）移动到设定位置。

8.如权利要求7所述的减振方法，其特征在于，所述步骤二中实际加速度的方向为竖直方向；实际距离的方向为竖直方向。

9.如权利要求7所述的减振方法，其特征在于，所述步骤三中所述控制算法采用双积分PI控制算法。

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