CN107422721A - 一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台，包括：力传感器、支承板、浮动板、作动器、直线轴承、轴支座、刚度组件、激振器和控制器，刚度组件包括：竖直轴、第一弹簧、第二弹簧、挡环及螺母；支承板的下表面设置有力传感器，上表面设置有作动器及两个轴支座，在作动器上设置有浮动板，激振器对应浮动板设置，浮动板上设置有直线轴承，各竖直轴依次穿过第一弹簧、直线轴承、第二弹簧、挡环及轴支座与支承板连接，螺母通过与竖直轴螺接使两个弹簧处于压缩状态；控制器与力传感器和作动器连接，根据力传感器检测的残余力确定补偿信号，并根据补偿信号调整作动器输出的作动力。本发明的实验平台能对不同的主动控制方法的隔振效果进行实验验证。

Description

一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台

技术领域

本发明涉及振动检测领域，特别是涉及一种用于实验验证与比较评估主动控制方法隔振效果的通用实验平台。

背景技术

振动是工业生产和人们生活中极其常见的物理现象，随着科学技术尤其是超精密设备的发展，人们对振动环境、产品与结构的振动特性的要求越来越高。振动主动控制是指在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，把系统的振动水平限制在最小限度或最小允许程度。由于其抑制振动效果好、适应性强等优点，正越来越受到人们的重视。

对于振动系统主动控制的研究大多集中在对隔振系统的主动控制算法的研究和开发，大部分算法停留在模拟与仿真的层面上，没有进行实验的验证。然而在工程应用中由于各种噪声干扰以及未知量的存在，实际隔振效果未必理想。

采用通用实验平台对各种主动控制方法进行测试是比较评估不同方法的有效途径。在同一个实验平台上验证各种控制方法达到的隔振效果，不仅能够激发对各种技术的优势、局限性和发展的讨论，而且可以帮助工程人员根据测试和评估结果选择自己需要的算法，有利于算法的应用和推广。

现有的主动控制隔振实验平台，从设计上是为了某一个确定的应用环境而设计的，目标是达到最优的减振效果，不适合作为通用实验平台，对不同算法进行实验验证与比较评估。如常见的多自由度耦合的主动隔振平台，其机械结构复杂，对算法有较高的要求，多自由度耦合的特性导致其仅适用于一些特定的主动控制算法，并不适用于各算法之间效果的对比。现有的单自由度的隔振器，为了达到最优的隔振效果，大多数隔振器采用主被动一体的方式，在系统中加入了被动减振的装置，比如橡胶垫等阻尼元件，最终获得的隔振效果是被动减振装置和主动隔振算法共同作用的结果，因此，现有的单自由度的隔振器也不适用于验证不同算法的隔振效果。而且现有的隔振器所用元件一般是为保证工程实用而选，比较复杂，而且线性度不高，存在未知量，虽然针对这种非线性、未知系统已经设计了很多算法比如模糊控制等，但用这种系统作为通用实验平台去评价各种算法是不合适的。

因此，如何设计一个通用的实验平台，对不同的主动控制算法的隔振效果进行实验验证，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台，能够对不同的主动控制算法的隔振效果进行实验验证。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台，所述实验平台包括：力传感器、支承板、浮动板、作动器、直线轴承、轴支座、刚度组件、激振器和控制器，其中，

所述刚度组件包括：竖直轴、第一弹簧、第二弹簧、挡环及螺母；

所述支承板的下表面设置有所述力传感器，所述支承板的上表面设置有所述作动器，在所述支承板的上表面以所述作动器为中心对称设置有两个所述轴支座，在所述作动器上设置有所述浮动板，所述激振器对应所述浮动板设置，所述激振器输出的扰动力作用到所述浮动板上，在所述浮动板上对应所述轴支座的位置分别设置有所述直线轴承，各所述竖直轴依次穿过所述第一弹簧、所述直线轴承、所述第二弹簧、所述挡环及所述轴支座，并与所述支承板固定连接，在各所述竖直轴的顶端设置有螺纹，螺母通过与所述竖直轴螺接使所述第一弹簧和所述第二弹簧均处于压缩状态；

所述控制器分别与所述力传感器和所述作动器连接，所述控制器用于根据所述力传感器检测的残余力确定补偿信号，并根据所述补偿信号调整所述作动器输出的作动力，其中，所述残余力为所述激振器发出的扰动力与所述作动器发出的作动力相互抵消后支承板所受的残余力。

可选的，所述控制器还用于根据所述残余力确定所述支承板的振动等级。

可选的，所述作动器为音圈电机。

可选的，所述音圈电机的定子与所述支承板固定连接，所述音圈电机的动子与所述浮动板固定连接。

可选的，所述实验平台还包括固定底座，所述力传感器设置在所述固定底座上。

可选的，所述实验平台还包括驱动器，所述驱动器分别与所述控制器和所述作动器连接，用于产生与所述补偿信号对应的驱动电流，并将所述驱动电流输送给所述作动器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的实验平台，直线轴承导向的两根对称设置的竖直轴可保证实验平台在竖直方向的刚度较小，而其他方向的安装刚度很大，即其他方向的振动不容易耦合到所要隔离的竖直振动里面，从而保证实验平台的单自由度。而且，实验平台中没有设置被动减振装置，采用的是全主动控制方式，克服了现有技术中单自由度的隔振器不适用于验证不同算法的隔振效果的问题。本发明提供的实验平台，传感器采用单个力传感器，不仅适用于验证单输入单输出的控制算法，其他算法可以解耦成单输入单输出算法从而应用本发明提供的实验平台进行验证，因此本实验平台通用性强，便于推广应用。此外，本实验平台结构简单，各组件线性度高，干扰和未知量少，有利于算法验证评估。综上可见，本发明提供的实验平台能够用于验证各种主动控制算法的隔振效果，为不同的算法提供一个通用的评价标准，根据实验结果，可以帮助工程人员选择适合应用环境的主动控制算法，从而大大的提高新算法的推广应用速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中实验平台的结构框图；

图2为本发明实施例中实验平台机械结构的三维图；

图3为本发明实施例中实验平台机械结构的正视图；

图4为本发明实施例中实验平台机械结构的剖视图；

图5为本发明实施例中音圈电机的磁铁线圈布置图；

图6为验证youla参数化算法预期得到的振动信号时域图；

图7为验证youla参数化算法预期得到的振动信号的功率谱密度图；

图8为验证自适应补偿算法预期得到的振动信号时域图；

图9为验证自适应补偿算法预期得到的振动信号的功率谱密度图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台，能够对不同的主动控制算法的隔振效果进行实验验证。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～图4所示，一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台包括：力传感器101、支承板102、浮动板103、作动器104、直线轴承105、轴支座106、刚度组件107、激振器108、控制器109和固定底座110、驱动器111和功率放大器112，其中，

所述刚度组件107包括：竖直轴1071、第一弹簧1072、第二弹簧1073、挡环1074及螺母1075；

本实施例中的作动器104为音圈电机，具体型号为武汉微搏科技有限公司的VCLF100-2音圈电机；选用copley公司的ACJ-055-18驱动器作为音圈电机的驱动器。功率放大器112选择上海铸瑞科技的GF-20W型功率放大器。激振器108选择上海铸瑞科技的JZ-2模态激振器。轴支座106、挡环1074和直线轴承105选用米思米公司的产品，其他机械零件均为标准件或定制加工件。

本实验平台的固定底座110用于实验平台的安装与固定，所述固定底座110上设置有力传感器101，本实施例的力传感器101选用ATI公司的Delta系列中圆柱形状的SI-330-30传感器。支承板102安装在力传感器101的上表面，音圈电机的固定座设置在支承板102上，音圈电机的定子设置在固定底座110上，动子上接浮动板103，所述激振器108输出的扰动力作用到所述浮动板103的上表面。同时，两根竖直轴1071对称设置在音圈电机104的两侧。轴支座106设置在支承板102上，通过轴支座106将竖直轴1071的一端锁紧。第一弹簧1072和第二弹簧1073套在竖直轴1071上，一端顶住轴承，另一端分别顶在挡环1074和螺母1075上。挡环1074锁紧在竖直轴1071上，竖直轴1071顶端有外螺纹，螺母1075旋在竖直轴1071一端的外螺纹上。直线轴承105设置在浮动板103上，并可沿竖直轴上下滑动。螺母1075用于调整弹簧的预压力，从而改变浮动板103高度，将音圈电机104的动子调整到最佳出力位置。本发明设置的双螺母结构可以防松。通过调整挡环1074的位置，即使弹簧刚度或长度差别较大，也可以保证浮动板103的初始位置能够调整到最佳。因此，本发明提供的实验平台，可以通过挡环定位的粗调以及螺母旋入的微调，来改变浮动板的初始位置，从而调整作动器动子和定子的相对位置，使作动器正常工作。

可见，本发明中支承板102的受力包括两条路径：激振器108产生的外扰力作用在浮动板103上，通过弹簧传递到与竖直轴1071固定连接的挡环1074上，最终通过轴支座106作用于支承板102，为第一路径；第二路径是音圈电机出力，反力作用在支承板102上。

本发明采用钢螺旋弹簧提供刚度，结构简单，线性度高，有利于简化系统，适合在算法评估的通用实验平台中使用。

本实施例中，控制器109具体包括：计算机1091、模拟输入数据采集卡1092和模拟输出数据采集卡1093。NI公司的PCI-6123数据采集卡同时具备模拟输出功能和模拟输入功能，因此本实施例选用PCI-6123数据采集卡作为模拟输入数据采集卡1092和模拟输出数据采集卡1093。其中，计算机1091通过模拟输入数据采集卡1092与力传感器101连接，计算机1091通过模拟输出数据采集卡1093分别与所述功率放大器112和驱动器111连接，所述驱动器111与所述作动器104连接，所述功率放大器112与所述激振器108连接。所述控制器109用于根据所述力传感器101检测的支承板102所受残余力确定补偿信号，并将补偿信号输入到驱动器111，经由驱动器111转换成对应的驱动电流，驱动所述作动器104输出作动力。其中，所述残余力为所述激振器108发出的扰动力与所述作动器104发出的作动力相互抵消后的残余力，控制器109还用于根据所述残余力确定所述支承板102的振动等级。控制器109可控制激振器108的出力，生成不同的扰动力，比如冲击力扰动，正弦扰动，噪声干扰，或者可以模拟实际应用环境中的干扰。不同的干扰代表了不同的应用环境，选择主动控制算法的时候也要考虑应用环境中干扰力的情况。试验中，根据控制器109中存储的激励的特征信息，通过模拟输出数据采集卡输出模拟电压信号，经过功率放大器放大后形成驱动电流，从而驱动激振器108输出干扰力。实验完成后，计算机1091可以将对应的实验条件和结果，包括控制算法信息，激励信息，以及最终达到的隔振效果显示在计算机的屏幕上，方便查看。在实验过程中，也可以通过计算机实时查看算法运行时的数据。计算机会将实验条件、实验过程中的数据以及实验结果等相关信息存档，方便日后查阅分析。

如图5所示，音圈电机包括：永磁体1041、线圈盒1042、设置在线圈盒1042中的线圈1043、磁轭1044，磁力线1045通过磁轭1044形成回路，电流通过柔性好的屏蔽双绞电缆通入。所述音圈电机的定子与所述支承板102固定连接，所述音圈电机的动子与所述浮动板103固定连接。

目前主动隔振装置中常用的作动器有如下几种，压电作动器、气动/液压作动器、磁致伸缩作动器。压电作动器主要缺点是作动力小，变形量小。气动/液压作动器缺点在于体积大、重量大，辅助设备复杂、控制精度不高。磁致伸缩作动器比较适合在高频、大作动力的场合应用，不过其价格非常昂贵。基于这些作动器的隔振平台不适合用作通用实验平台来评价算法。

音圈电机是一种将电能直接转化为直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，这使得整个隔振装置结构简单、噪声低、散热好、体积小、重量轻。更重要的是，音圈电机具有无滞后、高加速度、力特性好等优点，有利于提高隔振系统线性度，适合在通用实验平台中使用。

本实施例中，传感器采用单个力传感器，单输入单输出的反馈算法可以方便的应用到实验平台，其他算法也可以解耦成单输入单输出算法，从而应用到本实验平台中，因此也可以看出本实验平台通用性强。力传感器直接支撑平台，简化了系统的结构，减少了干扰。

振动主动控制主要应用主动闭环控制，其基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。控制规律的设计几乎涉及到控制理论的所有分支，如极点配置、最优控制、自适应控制、鲁棒控制、智能控制以及遗传算法等。

下面采用本发明的实验平台验证youla参数化算法、自适应补偿算法的隔振效果：

(1)youla参数化算法：

采用三种不同的扰动信号去激励，得到的被隔离对象(即支承板)的时域振动信号如图6所示，力为支承板受到的残余力。图6中的(a)为简单步骤测试，即扰动信号由三个单频信号叠加组成，测试时间内保持不变。图6中的(b)为频率阶跃变化测试，即组成扰动的三个单频信号，在测试时间内发生数次阶跃变化。图6中的(c)为调频测试，即组成扰动的三个单频信号，在测试时间内线性变化。图6中的开环表示未使用隔振的主动控制算法，图6中的闭环表示使用隔振主动控制算法。图7为采用三个单频信号叠加作为扰动信号，并在测试时间内保持不变，得到被隔离对象(即支承板)的振动信号的功率谱密度图。

(2)自适应补偿算法：

采用三种不同的扰动信号去激励，得到的被隔离对象(即支承板)的时域振动信号如图8所示，力为支承板受到的残余力。图8中的(a)为简单步骤测试，即扰动信号由三个单频信号叠加组成，测试时间内保持不变。图8中的(b)为频率阶跃变化测试，即组成扰动的三个单频信号，在测试时间内发生数次阶跃变化。图8中的(c)为调频测试，即组成扰动的三个单频信号，在测试时间内线性变化。图8中的开环表示未使用隔振的主动控制算法，图8中的闭环表示使用隔振主动控制算法。图9为采用三个单频信号叠加作为扰动信号，并在测试时间内保持不变，得到被隔离对象(即支承板)的振动信号的功率谱密度图。

现有的隔振实验平台由于各自的性能不同，实验条件也有差异，很难比较不同算法在隔振性能上的优劣。也就是说，在为特定的隔振系统选择主动控制算法时，由于缺乏统一的判断标准，因此找不到一个合适的依据来判断优劣，从而选择合适的算法，这对各振动主动控制算法的推广和应用都造成了不利影响。

本发明提供的单自由度隔振系统的实验平台，能够为各种振动主动控制算法的验证提供了一个通用实验平台，将不同的控制算法输入实验平台的控制器，根据实验条件以及其实际达到的隔振效果，为不同的算法提供一个通用的评价标准。工程人员选择算法的时候，可以根据自己需要的应用环境去生成干扰力，然后使用不同的主动控制算法去隔振，比较不同算法的隔振效果，选出最优的隔振控制算法。从而大大提高新算法的推广应用速度，也能够迅速发现算法中存在的问题并及时改进，推动控制科学与工程的发展。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种验证主动控制方法隔振效果的实验平台，其特征在于，所述实验平台包括：力传感器、支承板、浮动板、作动器、直线轴承、轴支座、刚度组件、激振器和控制器，其中，

所述刚度组件包括：竖直轴、第一弹簧、第二弹簧、挡环及螺母；

所述支承板的下表面设置有所述力传感器，所述支承板的上表面设置有所述作动器，在所述支承板的上表面以所述作动器为中心对称设置有两个所述轴支座，在所述作动器上设置有所述浮动板，所述激振器对应所述浮动板设置，所述激振器输出的扰动力作用到所述浮动板上，在所述浮动板上对应所述轴支座的位置分别设置有所述直线轴承，各所述竖直轴依次穿过所述第一弹簧、所述直线轴承、所述第二弹簧、所述挡环及轴支座与所述支承板固定连接，在各所述竖直轴的顶端设置有螺纹，螺母通过与所述竖直轴螺接使所述第一弹簧和所述第二弹簧均处于压缩状态；

所述控制器分别与所述力传感器和所述作动器连接，所述控制器用于根据所述力传感器检测的残余力确定补偿信号，并根据所述补偿信号调整所述作动器输出的作动力，其中，所述残余力为所述激振器发出的扰动力与所述作动器发出的作动力相互抵消后支承板所受的残余力。

2.根据权利要求1所述的实验平台，其特征在于，所述控制器还用于根据所述残余力确定所述支承板的振动等级。

3.根据权利要求1所述的实验平台，其特征在于，所述作动器为音圈电机。

4.根据权利要求3所述的实验平台，其特征在于，所述音圈电机的定子与所述支承板固定连接，所述音圈电机的动子与所述浮动板固定连接。

5.根据权利要求1所述的实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括固定底座，所述力传感器设置在所述固定底座上。

6.根据权利要求1所述的实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括驱动器，所述驱动器分别与所述控制器和所述作动器连接，用于产生与所述补偿信号对应的驱动电流，并将所述驱动电流输送给所述作动器。