CN112923012A - 一种基于智能压电阵列的微振动抑制平台及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于智能压电阵列的微振动抑制平台，包括上平台、下平台以及均布在上平台、下平台之间的主阻尼器和副阻尼器；主阻尼器、副阻尼器呈倾斜状，主阻尼器轴线延长线相交于上平台上方一点；所述阻尼器包括外套筒、位于阻尼器中轴线的主轴杆和设于外套筒中部的压电叠堆阵列，压电叠堆阵列至少包括两个压电叠堆，各压电叠堆相对于主轴杆对称分布，该阵列的中心为空心。本发明实现对微振动信号在6个自由度上的控制与抑制，从而实现了对来自各个方向和运动维度的微振动信号的全面抑制，极大提高了振动抑制平台的可靠性。对具有低频、各向异性和随机性较大的微振动信号，实现了在各个方向和维度上的精准抑制。

Description

一种基于智能压电阵列的微振动抑制平台及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种平台及其控制方法，尤其涉及一种基于智能压电阵列的微振动抑制平台及其控制方法。
背景技术
光学通信技术、航空航天技术、生物医学技术、超精密加工等高新技术的飞速发展，迫切需要高精度、高稳定性的精密机械系统，而微振动的控制问题已经成为制约系统精度和稳定性的重要瓶颈技术之一。微振动是指振动幅值小(一般≤10微米)、频带宽(0.1Hz～200Hz)的微小扰动。微振动的产生原因十分复杂，既有可能来自于系统内部耦合产生，也有可能来自于系统外部的激励而产生。在机械系统中，尤其是精密机械系统中，微振动的存在极大的影响到系统终端执行器的作动精度及其稳定性。比如，在光学精密工程领域中，目前我国用于光纤封装定位的六自由度定位平台，其定位精度达到了100nm，远低于美国NEWPORT公司光纤定位平台20nm的定位精度。相关研究表明，精密定位平台的微振动和外部干扰是影响其定位精度的主要因素。微振动的显著特点是频率低(甚至是超低)、频域宽、振幅微小、多自由度、随机且各向异性。微振动对高精密系统的精度和稳定性影响十分巨大，微振动的控制已经成为包括精密机械系统在内的高端技术装备的关键基础问题之一。
传统的振动控制方法主要采用隔振装置、阻尼减振器或滤波模块等手段实现对振动信号的抑制与控制，仅适用于振幅较大、频段集中的振动信号，对振动速度、安装空间体积等有较高要求。精密机械系统中安装隔振装置的空间一般很有限，且微振动具有微振幅、宽频域和多自由度的特性，传统的振动检测技术和控制方法难以满足精密机械系统高精度和高稳定性的性能要求。为此，有必要面向微振动控制探索和研究更加有效的控制方法。目前研究较多的智能材料包括压电陶瓷材料、电(磁)流变体、磁致伸缩材料及形状记忆合金等。压电陶瓷材料综合性能优越，具有工作频带宽，响应速度快，作动精度高，性能稳定，控制简单等优点。利用压电陶瓷材料的传感特性和作动特性设计压电智能结构，并应用于振动控制，越来越受到国内外研究学者的青睐。但是，现有采用压电材料的阻尼器内部只设置一个压电叠堆，适用范围小，对低频、各项异性及随机性大的微振动信号感应抑制效果不好。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种基于智能压电阵列的全面、高效、精准的微振动抑制平台及其控制方法。
技术方案：本发明的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，包括上平台、下平台以及均布在上平台、下平台之间的主阻尼器和副阻尼器；主阻尼器、副阻尼器呈倾斜状，主阻尼器与副阻尼器交错排布，主阻尼器轴线延长线相交于上平台上方一点，该点在上平台的投影与上平台圆心重合；所述阻尼器包括外套筒、位于阻尼器中轴线的主轴杆和设于外套筒中部的压电叠堆阵列，压电叠堆阵列两端各设有两个主轴杆；所述压电叠堆阵列至少包括两个压电叠堆，各压电叠堆相对于主轴杆对称分布，该阵列的中心为空心。
所述主阻尼器和副阻尼器设置四根，其中六根为运动杆，主阻尼器和副阻尼器交错分布。
副阻尼器轴线在下平台上的投影线与其中一根相邻主阻尼器轴线在下平台上的投影线平行，与另一根相邻主阻尼器轴线在下平台表面上的投影线垂直。
所述压电叠堆阵列的两端与主轴杆端部之间设有第一挡块，所述主轴杆与外套筒之间设有直线轴承和第二挡块；直线轴承设于主轴杆的端部，第二挡块设于主轴杆的中部，第二挡块和直线轴承之间设有预紧弹簧。
所述阻尼器包括被动隔振段，所述被动隔振段一端抵靠外套筒的端部，另一端抵靠第二挡块。
所述第一挡块背向压电叠堆阵列的表面设有凹弧，主轴杆的端部为与该凹弧形状对应的凸弧。
所述主轴杆包括端部的膨胀段和主体段，膨胀段直径大于主体段直径。
所述直线轴承设于膨胀段与外套筒之间，预紧弹簧一端抵靠膨胀段突出的平台处。
所述主轴杆末端伸出外套筒，末端设有连接盘；所述上、下平台上设有用于固定连接盘的连接座；所述连接盘与主轴杆垂直，所述连接座表面呈倾斜状。
所述上平台下表面设有检测单元以及控制单元；
所述检测单元包括与阻尼器数量对应的加速度传感器，用于检测振动信号；
所述控制单元包括压电叠堆驱动器、压电叠堆控制器及工控机；工控机根据接收的振动信号和内部的控制算法输出控制信号，控制压电叠堆驱动器；压电叠堆驱动器将接收到的控制信号处理后输出驱动信号，驱动运动杆内的压电叠堆工作。
本发明的基于智能压电阵列的微振动抑制平台的控制方法，基于所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，所述控制方法基于多目标模糊控制算法，具体包括以下步骤：
(1)以各压电叠堆实际位置与其期望位置之间的偏差和偏差变化率为输入，以所述压电叠堆专用控制器输入电压变化量为输出；
(2)采用模糊约束的梯形分布隶属函数实现对各输入量和输出量的模糊化处理；建立因素集和评判集，通过因素集到评判集的模糊映射建立单因素模糊评判矩阵；
(3)针对因素集建立权重集，最终建立模糊综合评价集，依此建立模糊输入量与输出量之间的模糊关系；
(4)根据该模糊关系采用模糊推理得出控制器输出量的模糊值；
(5)通过解模糊器将模糊量转化为精确量输出给所述压电叠堆控制器，实现各压电叠堆的精确控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明采用8连杆并联结构，能够实现上平台的6个自由度，实现对微振动信号在6个自由度上的控制与抑制，从而实现了对来自各个方向和运动维度的微振动信号的全面抑制；振动抑制平台采用了8连杆并联，比传统的6连杆多出了两根连杆作为冗余备份，通过冗余驱动控制方法实现了冗余功能：当8杆中任意1杆或2杆发生压电叠堆失效或被破坏时，冗余的连杆即可发挥功能，确保整个平台的功能与性能不受影响，极大提高了振动抑制平台的可靠性。对具有低频、各向异性和随机性较大的微振动信号，实现了在各个方向和维度上的精准抑制。
(2)本发明采用主阻尼器和副阻尼器相结合的方式，可以实现对微振动信号在6个自由度上的控制与抑制，主阻尼器和副阻尼器在各个自由度方向上对微振动信号的控制与抑制效率各不相同，通过主阻尼器和副阻尼器的相互弥补，提高了该微振动抑制平台在6个自由度方向的运动效率，提高了对微振动抑制的灵敏度。
(3)本发明的阻尼器采用被动隔振与主动隔振相结合的方式，提高了对振动抑制效果；在连接盘受到振动，使得主轴杆发生位移时，主轴杆受到橡胶阻尼模块的摩擦力，抵消掉一部分振动信号位移，以此来实现被动隔振；同时安装在并联平台的所述加速度传感器，将测量到的振动信号传给所述工控机，控制压电叠堆来推动主轴杆，以此来使并联平台产生运动，来抵消微振动，以此来实现主动隔振，以上过程可以实现对微振动的抑制。
(4)本发明所述的后挡块背向压电叠堆组件的另一表面设置成内凹弧形状、主轴杆的膨大连接头的端部设置成与内凹弧形状的弧度适配的外凸弧形状，则后挡块和主轴杆采用相切的方式连接，因此有效保护压电叠堆的可靠性，避免压电叠堆受到剪切力而损坏。
(5)本发明所述的主轴杆在连接盘与外套筒之间的部分，因为其直径小，所以类似于一个柔性铰链结构，因此，具有无摩擦、无磨损特点，能够实现高灵敏度微幅位移传递与输出，本阻尼器结构两端采用了对称式柔性铰链结构，能够有效提高该智能结构的通用性，面向高频、中频和低频微振动信号均能够响应并抑制，确保了在微振动干扰下精密仪器性能的稳定性与可靠性。
(6)考虑到微振动信号具有多自由度且各向异性特点，本结构采用了压电阵列智能结构替代传统的单个压电叠堆；采用3个压电叠堆构成环形阵列智能结构，能够有效的提高来自各个方向的、具有多自由度特点的微振动信号，从而提高了微振动的抑制效果。
(7)考虑到平台的压电叠堆数量较多，而且同一所述主被动一体式阻尼器内部的压电叠堆之间存在同步关系，不同的所述主被动一体式阻尼器的压电叠堆之间还存在耦合关系，针对其控制复杂，采用本发明所述的多目标模糊控制算法，可以有效地满足对压电叠堆的控制，较好的实现对微振动的主动控制。
附图说明
图1是本发明的前视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明所述主被动一体式阻尼器的内视图；
图4是本发明所述主动隔振的控制过程示意图；
图5是本发明所述主被动一体式阻尼器中压电叠堆组件布置示意图；
图6是本发明与常见的微振动抑制平台的仿真对比的控制模型图；
图7是本发明在平移干扰信号激励下的仿真结果对比图；
图8是本发明在平移干扰信号激励下的仿真结果对比图的局部放大图；
图9是本发明与常见的微振动抑制平台在旋转干扰信号激励下的仿真结果对比图；
图10是本发明与常见的微振动抑制平台在旋转干扰信号激励下的仿真结果对比图的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图2所示，在本实施例中，本发明包括上平台11、下平台13及八根均布在上平台11、下平台13的阻尼器10，阻尼器10分为四个主阻尼器和四个副阻尼器，主、副阻尼器交错分布。
上平台11的直径小于下平台13的直径。各阻尼器10的一端安装在上平台11，另一端安装在下平台13。
八根阻尼器10分为四根主阻尼器和四根副阻尼器，四根主阻尼器和四根副阻尼器分别为轴对称关系。其中四根主阻尼器均匀分布一周，其间距角为90°。四根主阻尼器的轴线延长线相交于一点，该相交点在上平台表面上投影点与上平台的圆心相重合。四根副阻尼器均匀分布一周，其间距角为90°，与四根主阻尼器间隔分布。副阻尼器轴线在下平台13表面上的投影线与其中一根相邻主阻尼器轴线在下平台13表面上的投影线平行，与另一根相邻主阻尼器轴线在下平台13表面上的投影线垂直。副阻尼器轴线的延长线与其中一根相邻主阻尼器轴线的延长线相交于一点。四根主阻尼器与四根副阻尼器相互弥补能够提高平台在6个自由度方向上的运动效率，以提高对微振动抑制的灵敏度。因此，本发明将八个阻尼器在空间上采用聚拢型的结构，当上平台受到振动时，连接盘受到振动，使得主轴杆发生位移时，主轴杆受到橡胶阻尼模块的摩擦力，抵消掉一部分振动信号位移，以此来实现被动隔振；同时安装在并联平台的振动传感器，将测量到的信号传给控制器，控制器通过控制算法，输出驱动信号，传给压电叠堆专用的功率放大器，功率放大器将控制信号放大后来驱动压电叠堆，压电叠堆将接收到的电信号转换为输出位移，来推动主轴杆，以此来使并联平台产生运动，来抵消微振动，以此来实现主动隔振，以上过程可以实现对微振动的抑制。
本实施例中的阻尼器为主被动一体式阻尼器，包括外套筒9、压电叠堆阵列8、被动隔振段3、直线定位轴承6、预紧弹簧5、主轴杆2、连接盘1、第一挡块7以及第二挡块4。
压电叠堆阵列8采用压电叠堆进行主动隔振，内置于外套筒9的中部位置处。压电叠堆阵列8和位于压电叠堆阵列8两端的第一挡块7共同构成阻尼器的主动隔振段。压电叠堆阵列8包括三个呈环形阵列分布的压电叠堆。本发明采用三个压电叠堆构成环形阵列智能结构，替代传统的单个压电叠堆，能够有效的抑制来自各个方向且具有多个自由度的微振动信号。
主轴杆2，设有两根，对称地分设在压电叠堆阵列8的两侧，并与外套筒9的中轴线同轴设置，一端抵靠第一挡块7，一端伸出外套筒9。每一根主轴杆2的一端依次穿过被动隔振段3、外套筒9的端盖后，与连接盘1固定。主轴杆2另一端则为膨大连接头，包括膨胀段22与主体段21，膨胀段22直径大于主体段21。主轴杆的膨胀段22通过直线轴承6支撑在外套筒9内，采用直线轴承能够减小摩擦力，提高精度。
第一挡块7背向压电叠堆阵列8的表面设置成内凹弧形状，而主轴杆2的膨胀段22端部设置成与内凹弧形状的弧度适配的外凸弧形状。第一挡块7和主轴杆端部采用相切的方式连接，有效保护压电叠堆的可靠性，避免压电叠堆受到剪切力而损坏。
主轴杆2的主体段21外设有预紧弹簧5，预紧弹簧5一端抵靠在膨胀段22与主体段21之间因变径突出的平台处，一端抵靠第二挡块4。主轴杆2的膨胀段22在预紧弹簧5的回复力作用下，能够始终与主动隔振段相抵。由此可知，本发明采用预紧弹簧对压电叠堆进行预压紧固，防止出现滑动或松动。
主轴杆2与连接盘1之间采用活动连接，可采用柔性铰链进行连接，该结构提高了该阻尼器10能够响应到的微振动的频带宽度和位移幅度，提高了该阻尼器的通用性。
被动隔振段3为橡胶阻尼模块，设于主体段21和外套筒9之间，橡胶阻尼模块的一端顶紧外套筒9的端盖设置，另一端则与外套筒内所配装的第二挡块4顶紧。
第二挡块4通过螺钉与外套筒9固定，连接盘1通过周向均布螺钉与主轴杆2固定，且连接盘1的外周均匀设置有用于连接上平台/下平台的螺纹紧固件。上、下平台上设有用于固定连接盘1的连接座12。连接盘1与主轴杆2垂直，所述连接座12表面呈倾斜状，倾斜角度能够使阻尼器10满足上述布置方式的要求。
上述阻尼器的内部结构均采用相对于压电叠堆阵列8的对称布置，便于控制，且能够实现连杆在使用过程中无需区分输入端输出端，便于安装。
平台及阻尼器使用时，两端连接盘受到振动，使得主轴杆发生位移时，主轴杆受到橡胶阻尼模块的摩擦力，抵消掉一部分振动信号位移，以此来实现被动隔振；同时安装在并联平台的所述加速度传感器，将测量到的振动信号传给所述工控机，所述工控机根据接收的振动信号，通过所述控制算法输出控制信号，控制信号传输给所述压电叠堆专用控制器，所述压电叠堆专用控制器再根据接收的控制信号，控制所述压电叠堆专用驱动器，所述压电叠堆专用驱动器将接收到的控制信号处理后输出驱动信号给压电叠堆，压电叠堆将接收到的电信号转换为输出位移，来推动主轴杆，以此来使并联平台产生运动，来抵消微振动，以此来实现主动隔振，以上过程可以实现对微振动的抑制。
本发明还包括检测部分以及控制部分。检测部分包括加速度传感器，控制部分包括压电叠堆驱动器、压电叠堆控制器及工控机。八根阻尼器中，六根是运动杆，能够实现上平台的六个运动自由度，另两根主被动一体式阻尼器是冗余备份杆。当其中一根或两根主被动一体式阻尼器发生失效或者压电叠堆被破坏的情形，则冗余备份杆发挥作用，继续保证上平台的6个运动自由度，从而确保振动抑制平台能够正常实现对微振动信号的抑制，提高了性能的可靠性。
检测部分包括加速度传感器，加速度传感器的数量和所述阻尼器数量相同。加速度传感器安装在上平台的下表面，沿着上平台的外圈均匀布置；所述加速度传感器与所述阻尼器在上平台的一端间隔布置，即两根连续的所述阻尼器在上平台的一端之间安装一个所述加速度传感器。所述加速度传感器检测振动信号，振动信号通过所述加速度传感器配套的处理器进行去噪、放大等处理后，将信号输入到所述工控机。
控制部分包括压电叠堆专用驱动器、压电叠堆专用控制器及工控机，工控机根据接收的振动信号，通过所述控制算法输出控制信号，控制信号传输给所述压电叠堆控制器，所述压电叠堆控制器再根据接收的控制信号，控制所述压电叠堆驱动器，所述压电叠堆驱动器将接收到的控制信号处理后输出驱动信号给压电叠堆阵列。
控制算法为多目标模糊控制算法，多目标模糊控制算法以各压电叠堆实际位置与其期望位置之间的偏差和偏差变化率为输入，以所述压电叠堆专用控制器输入电压变化量为输出；采用模糊约束的梯形分布隶属函数实现对各输入量和输出量的模糊化过程；建立因素集和评判集，通过因素集到评判集的模糊映射建立单因素模糊评判矩阵，针对因素集建立权重集，最终建立模糊综合评价集，以此建立模糊输入量与输出量之间的模糊关系，根据该模糊关系采用模糊推理得出控制器输出量的模糊值；通过解模糊器将模糊量转化为精确量输出给所述压电叠堆专用控制器，以实现各压电叠堆的精确控制。
如图6，两个平台采用相同的PID控制算法，引入相同的加速度干扰信号，通过将加速度信号进行两次积分得到位移信号，然后将加速度信号和位移信号同时输入到平台的动力学模型中，输出平台的加速度，将其显示并反馈到PID控制模型，最终完成整个微振动抑制的过程。
如图7，在平移干扰信号的激励下，加速度干扰信号最大值约为7(图中的加速度均采用相对值计算，故没有单位，下同)，经两个平台抑制后，加速度的最大值约为1，其抑制效果接近86％，由此可见本发明所述并联8连杆结构微振动抑制平台和常见的微振动抑制平台都能对微振动起到抑制的效果。
如图8，在平移干扰信号的激励下，本发明所述并联8连杆结构微振动抑制平台和常见的微振动抑制平台都能对微振动起到抑制的效果，对本发明在平移干扰信号激励下的仿真结果对比图进行局部放大，可以发现本发明所述并联8连杆结构微振动抑制平台对微振动的抑制效果更好。
如图9，在旋转干扰信号的激励下，加速度干扰信号最大值约为6.9，经两个平台抑制后，加速度的最大值约为0.9，其抑制效果接近87％，由此可见本发明所述并联8连杆结构微振动抑制平台和常见的微振动抑制平台都能对微振动起到抑制的效果。
如图10，在旋转干扰信号的激励下，本发明所述并联8连杆结构微振动抑制平台和常见的微振动抑制平台都能对微振动起到抑制的效果，对本发明在平移干扰信号激励下的仿真结果对比图进行局部放大，可以发现本发明所述并联8连杆结构微振动抑制平台不仅对微振动的抑制效果更好，而且响应更快。

Claims (10)

1.一种基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，包括上平台(11)、下平台(13)以及均布在上平台(11)、下平台(13)之间的阻尼器(10)，阻尼器(10)包括主阻尼器和副阻尼器；阻尼器(10)呈倾斜状，主阻尼器与副阻尼器交错排布；所述阻尼器(10)包括外套筒(9)、位于阻尼器(10)中轴线的主轴杆(2)和设于外套筒中部的压电叠堆阵列(8)，压电叠堆阵列(8)两端各设有两个主轴杆(2)；所述压电叠堆阵列(8)至少包括两个压电叠堆，各压电叠堆相对于主轴杆(2)对称分布，该阵列的中心为空心。
2.根据权利要求1所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，副阻尼器轴线在下平台上的投影线与其中一根相邻主阻尼器轴线在下平台上的投影线平行，与另一根相邻主阻尼器轴线在下平台表面上的投影线垂直。
3.根据权利要求1所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述压电叠堆阵列(8)的两端与主轴杆(2)端部之间设有第一挡块(7)，所述主轴杆(2)与外套筒(9)之间设有直线轴承(6)和第二挡块(4)；直线轴承(6)设于主轴杆(2)的端部，第二挡块设于主轴杆(2)的中部，第二挡块(4)和直线轴承(6)之间设有预紧弹簧(5)。
4.根据权利要求3所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述阻尼器(10)包括被动隔振段(3)，所述被动隔振段(3)一端抵靠外套筒(9)的端部，另一端抵靠第二挡块(4)。
5.根据权利要求3所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述第一挡(7)块背向压电叠堆阵列(8)的表面设有凹弧，主轴杆(2)的端部为与该凹弧形状对应的凸弧。
6.根据权利要求1所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述主轴杆(2)包括端部的膨胀段(22)和主体段(21)，膨胀段(22)直径大于主体段(21)直径。
7.根据权利要求6或3所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述直线轴承(6)设于膨胀段(22)与外套筒(9)之间，预紧弹簧(5)一端抵靠膨胀段(22)突出的平台处。
8.根据权利要求1所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述主轴杆(2)末端伸出外套筒(9)，末端设有连接盘(1)；所述上、下平台上设有用于固定连接盘(1)的连接座(12)；所述连接盘(1)与主轴杆(2)垂直，所述连接座(12)表面呈倾斜状。
9.根据权利要求1或2所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，其特征在于，所述上平台(11)下表面设有检测单元以及控制单元；
所述检测单元包括与阻尼器数量对应的加速度传感器(14)，用于检测振动信号；
所述控制单元包括压电叠堆驱动器、压电叠堆控制器及工控机；工控机根据接收的振动信号和内部的控制算法输出控制信号，控制压电叠堆驱动器；压电叠堆驱动器将接收到的控制信号处理后输出驱动信号，驱动运动杆内的压电叠堆工作。
10.一种基于智能压电阵列的微振动抑制平台的控制方法，其特征在于，基于权利要求1～9任一项所述的基于智能压电阵列的微振动抑制平台，所述控制方法基于多目标模糊控制算法，具体包括以下步骤：
(1)以各压电叠堆实际位置与其期望位置之间的偏差和偏差变化率为输入，以所述压电叠堆专用控制器输入电压变化量为输出；
(2)采用模糊约束的梯形分布隶属函数实现对各输入量和输出量的模糊化处理；建立因素集和评判集，通过因素集到评判集的模糊映射建立单因素模糊评判矩阵；
(3)针对因素集建立权重集，最终建立模糊综合评价集，依此建立模糊输入量与输出量之间的模糊关系；
(4)根据该模糊关系采用模糊推理得出控制器输出量的模糊值；
(5)通过解模糊器将模糊量转化为精确量输出给所述压电叠堆控制器，实现各压电叠堆的精确控制。
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