CN113200083B - 一种用于南极天文设备运输的减振装置与方法 - Google Patents

一种用于南极天文设备运输的减振装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于南极天文设备运输的减振装置与方法，包括安装在南极天文设备运输平板台面底面和侧面的六个主动减振器、风速计和控制器，每个主动减振器均包括弹簧、磁流变作动器、加速度传感器和驱动器。控制器采集加速度传感器和风速计的信息，通过系统辨识、预测控制和滚动优化完成反馈控制，通过PD前馈控制补偿风速的干扰，前馈和反馈共同作用驱动磁流变作动器动作改变系统刚度和阻尼，从而削弱平板台面在两个维度的振动。本发明提出的减振装置和方法，不但提高了减振系统带宽和自适应性，而且对风速干扰进行了前馈补偿，提高了天文设备运输的稳定性和安全性。

Description

一种用于南极天文设备运输的减振装置与方法
技术领域
本发明涉及南极天文设备运输领域，特别是一种用于南极天文设备运输的减振装置与方法。
背景技术
中国南极昆仑站海拔高、气温低、大气视宁度好，是天文观测的绝佳台址。为了充分利用昆仑站优秀的观测环境，中国在南极昆仑站建造了一批望远镜。在昆仑站安装、运行和维护望远镜，需要把望远镜等精密的天文设备运输到现场。而把天文设备从中国运输到南极昆仑站，需要经过陆路、海上和南极内陆雪面的长途运输。其中，从南极中山站到昆仑站共1250公里路程，需要通过雪橇车运输天文设备。然而，由于南极地区的雪面硬度较大，同时雪面受到南极地形的影响会有较大的起伏，雪橇车因此会产生较大的振动，雪橇车产生的振动会传递到所运输的天文设备，强烈的振动会造成天文设备的结构变形、损坏甚至失效。在2011年中国第28次南极科考中，由于雪橇车强烈的振动导致阻尼减振器损坏，部分天文设备受损。因此，必须采取措施抑制雪橇车振动对天文设备的影响。此外，南极地区常年刮东风，而且风速较大，最大风速能够达到15米/秒。大的风速会引起运输集装箱的摇摆，从而加剧振动的级别。因此，在抑制天文设备因雪橇车引起振动影响的同时，还要考虑风速对振动的影响。
传统的减振方法是安装被动减振器和添加减振材料，将运输车辆与精密设备隔开，并通过阻尼器消耗振动能量，不断减弱振动强度。这种方式对高频振动的隔振效果较好，但是被动减振对低频振动的抑制效果不好，有时甚至会放大振动。而雪橇车由于雪面起伏产生振动具有较宽的频带，而且低频成分占主要成分且具有很大的振动能量，因此需要提出一种新的减振方法来保证南极精密设备的安全运输。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于南极天文设备运输的减振装置与方法，该用于南极天文设备运输的减振装置与方法能够实时监测天文设备的振动幅度，根据监测的振动信息对天文设备施加一个与振动方向相反的力，从而削弱振动的幅值。同时，针对南极强风对振动的影响，利用风速计检测风速信息并采用前馈的方式减少风对振动的影响。通过以上措施，不但可以削弱振动的幅值，而且具有减振频带宽和自适应强的特点，能够大幅提高天文设备运输的平稳性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于南极天文设备运输的减振装置，包括主动减振器、风速计和控制器。
南极天文设备放置在集装箱内，集装箱放置在运输车体上。
主动减振器包括至少两个X向主动减振器和至少三个Z向主动减振器。
所有X向主动减振器均安装在南极天文设备的侧面与集装箱的侧板内壁面之间，用于X向减振。其中，X向为运输车体的行驶方向。
所有Z向减振器均安装在南极天文设备底面和集装箱的底板内壁面之间，均用于竖直Z向的减振。其中有三个Z向主动减振器呈三角形布设。
每个主动减振器均包括弹性件、加速度传感器、作动器和驱动器。
弹性件和作动器平行并列布设在集装箱和南极天文设备之间，每个作动器连接一个驱动器。
加速度传感器安装在南极天文设备的侧面或底面上，用于检测对应作动器安装位置处的南极天文设备的加速度信号。
风速计用于检测运输车体行驶时的风速。
每个加速度传感器、每个驱动器和风速计均与控制器相连接。
X向主动减振器的数量为两个，平行布设。
Z向主动减振器的数量为四个，平行布设，且对应南极天文设备的底面四个边角。
每个加速度传感器均为单轴加速度传感器。每个作动器均为磁流变作动器。
运输车体为雪橇车，每个弹性件均为弹簧。
一种用于南极天文设备运输的减振方法，包括如下步骤。
步骤1、建立减振数学模型y(n)：在控制器内，通过系统辨识的方法，建立减振装置的数学模型y(n)；数学模型y(n)的输入值为待求解的所有作动器的控制量序列U，数学模型y(n)的输出值为天文设备位置信息序列Y′；其中，控制量序列U＝[u(k)、u(k+1)、L u(k+n)]，u(k)为当前时刻作动器的位移变化控制量；u(k+1)为k+1时刻作动器的位移变化控制量；u(k+n)为k+n时刻作动器的位移变化控制量；n≥3。
天文设备位置信息序列Y′＝[y(k)、Y]，其中，y(k)为当前k时刻的天文设备位置信息；Y为天文设备位置信息的预测值序列。
步骤2，采集加速度信号：每个加速度传感器均按照设定的采样周期，采集对应作动器安装位置处的南极天文设备的加速度信号，并将采集的加速度信号传输至控制器。
步骤3、获得主动减振器的预测位置：将步骤2采集的所有加速度信号，转换形成为当前k时刻的天文设备位置信息y(k)；然后，将y(k)作为数学模型y(n)的部分输出值，将待求解的所有作动器的控制量序列U作为数学模型y(n)的输入值，代入步骤1建立的减振数学模型y(n)中，得到天文设备在X向和Z向的位置信息的预测值序列Y；其中，每个预测值序列Y均为关于控制量序列U的函数；每个预测值序列均为Y＝[y(k+1)、y(k+2)、L y(k+n)]，其中，y(k+1)表示k+1时刻的天文设备预测位置；y(k+2)表示k+2时刻的天文设备预测位置；y(k+n)表示k+n时刻的天文设备预测位置。
步骤4、评价预测位置：对南极天文设备在X向和Z向的预测位置，分别采用目标评价函数min J进行评价，其中，目标评价函数min J为：
Figure BDA0003047030690000031
其中，r为南极天文设备在X向或Z向的目标位置；y(k+i)为南极天文设备在k+i时刻X向或Z向的预测位置；其中，1≤i≤n。
步骤5、求解最优控制量：采用梯度下降法对步骤4中的目标评价函数min J进行求解，得到最优的控制量序列U；然后，将最优控制量序列U中第一个位移变化控制量u(k)作为实际控制量；其中，u(k)包括X向控制量和Z向控制量。
步骤6、计算前馈量，具体包括如下步骤：
步骤61、采集风速信号：使用风速计按照设定的采样周期，采集运输车体在当前k时刻行驶时的风速信号，并将风速信号传递给控制器。
步骤62、计算风力值F：控制器根据步骤61提供的风速信号，计算运输车体在当前k时刻行驶时所受到的风力值F；接着，将风力值F分解为X、Y和Z三个方向的分风力值。
步骤63、计算前馈量：前馈量包括X向前馈量和Z向前馈量；将步骤62得到的X向分风力值，换算为运输车体在X向位移变化的X向前馈量；将步骤62得到的Z向分风力值，换算为运输车体在Z向位移变化的Z向前馈量。
步骤7、计算u(k)′：在X向，将步骤5中的X向控制量与步骤6中的X向前馈量相加，得到X向作动器的位移控制量u(k)′；将步骤5中的Z向控制量与步骤6中的Z向前馈量相加，得到Z向作动器的位移控制量u(k)′。
步骤8、作动器动作：控制器将步骤7计算的u(k)′传输给对应的驱动器，驱动器指令对应作动器动作。
步骤9、重复步骤1至步骤8，实现南极天文设备的连续减振运输。
步骤1中减振数学模型y(n)的建立方法，包括如下步骤：
步骤11、计算控制器的输出扫频正弦信号v，具体计算公式为：
v＝0.1*sin(2πft)
式中，f为控制器的输出扫频频率，t为系统辨识时间。
步骤12、控制器将步骤11计算的输出正弦扫频信号v给驱动器，驱动器驱动作动器动作；同时，控制器采集加速度传感器提供的加速度信号a。
步骤13、以输出扫频频率f为横坐标，以加速度信号a转换的位置信息和输出扫频正弦信号v的比值为纵坐标，建立减振装置的伯德图。
步骤14、根据步骤13建立的伯德图，通过最小二乘曲线拟合的方式建立整个减振装置的传递函数G(s)。
步骤15、根据传递函数G(s)建立减振数学模型y(n)，y(n)为差分方程。
步骤13中，加速度信号a的计算公式为：
Figure BDA0003047030690000041
式中，a1为加速度传感器的幅值，
Figure BDA0003047030690000051
为加速度传感器的相角。
步骤5中，采用梯度下降法求解目标评价函数min J的方法，包括如下步骤：
步骤51、建立关于作动器位移变化控制量序列U的梯度函数
Figure BDA0003047030690000052
具体为：
Figure BDA0003047030690000053
式中，J(u(k+i)+h)表示在位移变化控制量为u(k+i)+h时的目标评价函数；u(k+i)为k+i时刻作动器的位移变化控制量；h为迭代步长；Jc为第c次迭代的目标评价函数值。
步骤52、梯度下降：将目标评价函数min J按照步骤51建立的梯度函数
Figure BDA0003047030690000054
进行迭代。
步骤53、比较判断：在c+1次迭代后，与预设的停止条件进行判断；其中，预设停止条件为：迭代次数大于30次，或当前迭代完成后的目标评价函数值小于0.01；当符合预设停止条件时，停止迭代，将最后一次迭代的作动器位移变化控制量序列U作为所需求解的控制量序列；否则，进入步骤54。
步骤54、调整作动器位移变化控制量序列，具体调整公式为：
Figure BDA0003047030690000055
式中，Uc+1表示c+1次迭代所对应的作动器位移变化控制量序列，Uc表示c次迭代所对应的作动器位移变化控制量序列，μ为学习效率。
步骤55、重复步骤52至步骤54，直至满足预设的停止条件。
步骤62中，风力值F的计算公式为：
F＝C*q*A
Figure BDA0003047030690000056
式中，C为风载荷系数；q为动压头，V为风速，单位m/s，ρ为空气密度；A为集装箱的迎风面积。
步骤63中，X向或Z向分风力值，采用PD算法换算为运输车体在对应向位移变化的前馈量的计算公式为：
Figure BDA0003047030690000061
式中，u为前馈量；Kp为比例系数；Fi为风力在对应轴向的分风力值；KD为微分系数。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用主动减振和被动减振相结合的复合减振策略，并且采用多个主动减振器协调作用的减振架构，进而能够实时监测天文设备的振动幅度，根据监测的振动信息对天文设备施加一个与振动方向相反的力，从而削弱振动的幅值；故而，能在有效提高系统的低频减振性能的同时，提高了减振系统的带宽和适应性。
2、为适应天文设备运输惯量大和时滞严重的特点，采用模型辨识获得减振系统的数学模型，基于数学模型并采用模型预测和滚动优化的控制策略，实现有限时域内的最优控制。
3、针对南极风速对振动系统的影响，在减振系统中使用风速计检测风速和风向，并采用PD算法的前馈控制对风速扰动进行补偿，有效提升了减振系统的快速性和控制精度。故而，在不但能够削弱振动的幅值，而且具有减振频带宽和自适应强的特点，可以大幅提高天文设备运输的平稳性。
附图说明
图1为本发明所述减振系统的原理示意图。
图2为本发明所述主动减振器布置示意图。
图3为本发明所述主动减振器的原理示意图。
图4为本发明所述减振系统控制原理图。
图5为本发明所述反馈控制系统流程图。
图6为本发明的实施例中的Z轴方向的减振前的波形图。
图7为本发明的实施例中的Z轴方向的减振后的波形图。
其中有：
1.南极天文设备；2.主动减振器；3.集装箱；4.雪橇车；5.风速计；6.控制器；7.驱动器；8.弹簧；9.加速度传感器；10.磁流变作动器。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种用于南极天文设备运输的减振装置，包括主动减振器2、风速计5和控制器6。
南极天文设备放置在集装箱3内，集装箱放置(也可以固定)在运输车体上，本实施例中，运输车体优选为雪橇车4。
主动减振器包括至少两个X向主动减振器和至少三个Z向主动减振器。
所有X向主动减振器均安装在南极天文设备的侧面与集装箱的侧板内壁面之间，用于X向减振。其中，X向为运输车体的行驶方向。
本实施例中，X向主动减振器的数量为两个，平行布设。两个主动减振器的设置，能防止南极天文设备在水平方向上的扭转。
所有Z向减振器均安装在南极天文设备底面和集装箱的底板内壁面之间，均用于竖直Z向的减振。其中有三个Z向主动减振器呈三角形布设，能保证南极天文设备的底面处于同一平面，近似同一水平面。
在本实施例中，如图2所示，Z向主动减振器的数量为四个，平行布设，且对应南极天文设备的底面四个边角。
通过控制六个主动减振器的共同作用，能减弱X轴和Z轴两个自由度方向上的振动。其中X轴方向为平行集装箱底面并且与集装箱运行方向一致，Z轴方向为垂直于集装箱底面的方向，Y轴方向为平行于集装箱底面并垂直于集装箱运行方向。在南极内陆运输中，X轴和Z轴方向的振动很大，而Y轴的振动较小，因此只抑制X轴和Z轴方向的振动。
如图3所示，每个主动减振器均包括弹性件、加速度传感器9、作动器和驱动器7。
弹性件和作动器平行并列布设在集装箱和南极天文设备之间，每个作动器连接一个驱动器。弹性件作为被动减振器，本实施例中优选为弹簧8。
加速度传感器安装在南极天文设备的侧面或底面上，用于检测对应作动器安装位置处的南极天文设备的加速度信号。每个加速度传感器均优选为单轴加速度传感器，测量范围优选为±50g，频率范围0～3000Hz。
风速计优选安装在集装箱的顶部。风速计5测量范围优选为0～30m/s，输出优选为0～5V。风速计用于检测运输车体行驶时的风速，能够补偿风速对天文设备振动的影响。风速计信息传输到控制器中，在控制器中通过前馈控制磁流变作动器动作补偿风速干扰的影响，可大大提高风速补偿的快速性。
主动减振器中作动器是主动减振的核心部件，通常采用的作动器有音圈电机、压电陶瓷、电机、液压机构等，表1对比了不同作动器的特点，考虑南极天文设备运输过程中对能量消耗、系统带宽、位移量和出力范围等因素，在本发明中以磁流变为主动减振的作动器，作动器最大行程10mm，阻尼力3000N。
表1不同作动器及其特点
Figure BDA0003047030690000081
每个加速度传感器、每个驱动器和风速计均与控制器相连接。本发明中，控制器因要实时接收加速度传感器和风速计的信息，同时要执行复杂的控制算法，因此本系统的控制器是以FPGA为核心的控制器，充分利用FGPA可并行运算、执行速度快、接口丰富的特点。
上述驱动器7优选采用电压转电流的功率模块，功率模块输出电流范围0～5A，最大频率100Hz。整个减振系统的电源来自雪橇车的220VAC电源。
在雪橇车发生振动时，因为集装箱和雪橇车刚性连接，因此雪橇车的振动会直接传递给集装箱。集装箱的振动会通过主动减振器传递给平板台面。当平板台面发生振动时，与平板台面刚性连接的加速度传感器检测到平板台面的振动，振动信息传输到减振装置的控制器，控制器通过控制算法控制减振装置的驱动器，驱动器输出不同的电流来驱动磁流变作动器给平板台面施加一个与振动方向相反的振动，从而减弱振动对天文设备的影响。
一种用于南极天文设备运输的减振方法，包括如下步骤：
为了使减振系统具有良好的快速性、精度和稳定性，设计良好的控制算法至关重要。目前在减振系统中比较常用的控制算法包括PID控制、模糊PID控制、LQR最优控制等，但是对于天文设备运输的减振系统，系统对象具有惯量大，时滞性强的特点，为了补偿系统的大惯量和时滞，特提出模型预测控制策略应用在减振系统中，故而，需要首先建立对应的减振数学模型。
步骤1、建立减振数学模型y(n)。
在控制器内，通过系统辨识的方法，建立减振装置的数学模型y(n)；具体建立方法，包括如下步骤：
步骤11、计算控制器的输出扫频正弦信号v，具体计算公式为：
v＝0.1*sin(2πft)
式中，f为控制器的输出扫频频率，t为系统辨识时间。
步骤12、控制器将步骤11计算的输出正弦扫频信号v给驱动器，驱动器驱动作动器动作；同时，控制器采集加速度传感器提供的加速度信号a。
步骤13、以输出扫频频率f为横坐标，以加速度信号a转换的位置信息和输出扫频正弦信号v的比值为纵坐标，建立减振装置的伯德图。
其中，加速度信号a的计算公式为：
Figure BDA0003047030690000091
式中，a1为加速度传感器的幅值，
Figure BDA0003047030690000092
为加速度传感器的相角。
步骤14、根据步骤13建立的伯德图，通过最小二乘曲线拟合的方式建立整个减振装置的传递函数G(s)。
步骤15、根据传递函数G(s)建立减振数学模型y(n)，y(n)为差分方程。
上述减振数学模型y(n)建立完成后，在本申请的减振装置中使用时，将待求解的所有作动器的控制量序列U作为数学模型y(n)的输入值，将天文设备位置信息序列Y′作为数学模型y(n)的输出值。
上述控制量序列U＝[u(k)、u(k+1)、L u(k+n)]，n≥3，本实施例中，优选n＝5。
式中，u(k)为当前时刻作动器的位移变化控制量，其为控制器的输出信号，也即驱动器的输入信号，u(k)为矢量，是6个驱动器输入的集合。
u(k+1)为k+1时刻作动器的位移变化控制量。
u(k+n)为k+n时刻作动器的位移变化控制量。
天文设备位置信息序列Y′＝[y(k)、Y]，其中，y(k)为当前k时刻的天文设备位置信息；Y为天文设备位置信息的预测值序列。
为了保证X轴和Z轴平面不发生扭转，需要两轴上的多主动减振器协调动作，本发明把主动减振器上的加速度传感器采用双重积分转换为位置信息，通过位置信息来保证X轴和Z轴的主动减振器共面。
步骤2，采集加速度信号：每个加速度传感器均按照设定的采样周期，采集对应作动器安装位置处的南极天文设备的加速度信号，并将采集的加速度信号传输至控制器。
每个加速度传感器设定的采样周期和以下风速计设定的采样周期保持一致，本实施例中，该采样周期所对应的采样频率为50Hz。
步骤3、获得主动减振器的预测位置：将步骤2采集的所有加速度信号，转换形成为当前k时刻的天文设备位置信息y(k)；然后，将y(k)作为数学模型y(n)的部分输出值，将待求解的所有作动器的控制量序列U作为数学模型y(n)的输入值，代入步骤1建立的减振数学模型y(n)中，得到天文设备在X向和Z向的位置信息的预测值序列Y；其中，每个预测值序列Y均为关于控制量序列U的函数；每个预测值序列均为Y＝[y(k+1)、y(k+2)、L y(k+n)]，其中，y(k+1)表示k+1时刻的天文设备预测位置；y(k+2)表示k+2时刻的天文设备预测位置；y(k+n)表示k+n时刻的天文设备预测位置。
步骤4、评价预测位置：对南极天文设备在X向和Z向的预测位置，分别采用目标评价函数min J进行评价，其中，目标评价函数min J为：
Figure BDA0003047030690000111
其中，r为南极天文设备在X向或Z向的目标位置，如四个作动器共面的差异值为0等；y(k+i)为南极天文设备在k+i时刻X向或Z向的预测位置；其中，1≤i≤n。
步骤5、求解最优控制量。
假设评价函数min J以U为参数求导，而求导计算量比较大，为了使计算简单化，控制序列U的梯度用一阶差分进行近似，然后采用梯度下降法进行求解，得到最优的控制量序列U。
然后，将最优控制量序列U中第一个位移变化控制量u(k)作为实际控制量；其中，u(k)包括X向控制量和Z向控制量。
其中，采用梯度下降法求解目标评价函数min J的方法，包括如下步骤：
步骤51、建立关于作动器位移变化控制量序列U的梯度函数
Figure BDA0003047030690000112
具体为：
Figure BDA0003047030690000113
式中，J(u(k+i)+h)表示在位移变化控制量为u(k+i)+h时的目标评价函数；u(k+i)为k+i时刻作动器的位移变化控制量；h为迭代步长；Jc为第c次迭代的目标评价函数值。
步骤52、梯度下降：将目标评价函数min J按照步骤51建立的梯度函数
Figure BDA0003047030690000114
进行迭代。
步骤53、比较判断：在c+1次迭代后，与预设的停止条件进行判断；其中，预设停止条件为：迭代次数大于30次，或当前迭代完成后的目标评价函数值小于0.01；当符合预设停止条件时，停止迭代，将最后一次迭代的作动器位移变化控制量序列U作为所需求解的控制量序列；否则，进入步骤54。
步骤54、调整作动器位移变化控制量序列，具体调整公式为：
Figure BDA0003047030690000121
式中，Uc+1表示c+1次迭代所对应的作动器位移变化控制量序列，Uc表示c次迭代所对应的作动器位移变化控制量序列，μ为学习效率。
步骤55、重复步骤52至步骤54，直至满足预设的停止条件。
步骤6、计算前馈量，具体包括如下步骤：
步骤61、采集风速信号：使用风速计按照设定的采样周期，采集运输车体在当前k时刻行驶时的风速信号，并将风速信号传递给控制器。
步骤62、计算风力值F：控制器根据步骤61提供的风速信号，计算运输车体在当前k时刻行驶时所受到的风力值F；接着，将风力值F分解为X、Y和Z三个方向的分风力值。
其中，风力值F的计算公式为：
F＝C*q*A
Figure BDA0003047030690000122
式中，C为风载荷系数，优选取值1.8，q为动压头，V为风速，单位m/s，ρ为空气密度。A为集装箱的迎风面积。
本实施例中，基于风力的大小和风向，优选根据投影法把风力分解为三个方向的风力，具体为：Fx＝F cos α；Fy＝F cos β；Fz＝F cosγ；其中α，β，γ分别为风力与X轴，Y轴和Z轴的夹角。
步骤63、计算前馈量：前馈量包括X向前馈量和Z向前馈量；将步骤62得到的X向分风力值，换算为运输车体在X向位移变化的X向前馈量；将步骤62得到的Z向分风力值，换算为运输车体在Z向位移变化的Z向前馈量。
其中，X向或Z向分风力值，采用PD算法换算为运输车体在对应向位移变化的前馈量的计算公式为：
Figure BDA0003047030690000123
式中，u为前馈量；Kp为比例系数；Fi为风力在对应轴向的分风力值；KD为微分系数。
步骤7、计算u(k)′：在X向，将步骤5中的X向控制量与步骤6中的X向前馈量相加，得到X向作动器的位移控制量u(k)′；将步骤5中的Z向控制量与步骤6中的Z向前馈量相加，得到Z向作动器的位移控制量u(k)′。
步骤8、作动器动作：控制器将步骤7计算的u(k)′传输给对应的驱动器，驱动器指令对应作动器动作。
步骤9、重复步骤1至步骤8，实现南极天文设备的连续减振运输。
如图6和图7所示，为对Z轴方向单轴的减振测试曲线图，图6和图7中，横坐标是测试时间，单位是秒；纵坐标是振动的位移幅值，单位是mm。测试信号是扫频信号，频率范围为5～25Hz，测试信号的幅值保持不变。
从图6和图7中可以看出，当没有加入本发明的主动减振器时，振动幅度最大可达2.3mm，而加入本发明的主动减振器之后，振动幅度最大只有0.3mm，振动幅值减少达到87％。同时，减振装置消除了系统的1阶共振频率，提高系统的刚性和稳定性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、建立减振数学模型y(n)：在控制器内，通过系统辨识的方法，建立减振装置的数学模型y(n)；数学模型y(n)的输入值为待求解的所有作动器的控制量序列U，数学模型y(n)的输出值为天文设备位置信息序列Y′；其中，控制量序列U＝[u(k)、u(k+1)、…u(k+n)]，u(k)为当前k时刻作动器的位移变化控制量；u(k+1)为k+1时刻作动器的位移变化控制量；u(k+n)为k+n时刻作动器的位移变化控制量；n≥3；
天文设备位置信息序列Y′＝[y(k)、Y]，其中，y(k)为当前k时刻的天文设备位置信息；Y为天文设备位置信息的预测值序列；
步骤2，采集加速度信号：每个加速度传感器均按照设定的采样周期，采集对应作动器安装位置处的南极天文设备的加速度信号，并将采集的加速度信号传输至控制器；
步骤3、获得主动减振器的预测位置：将步骤2采集的所有加速度信号，转换形成为当前k时刻的天文设备位置信息y(k)；然后，将y(k)作为数学模型y(n)的部分输出值，将待求解的所有作动器的控制量序列U作为数学模型y(n)的输入值，代入步骤1建立的减振数学模型y(n)中，得到天文设备在X向和Z向的位置信息的预测值序列Y；其中，每个预测值序列Y均为关于控制量序列U的函数；每个预测值序列均为Y＝[y(k+1)、y(k+2)、…y(k+n)]，其中，y(k+1)表示k+1时刻的天文设备预测位置；y(k+2)表示k+2时刻的天文设备预测位置；y(k+n)表示k+n时刻的天文设备预测位置；
步骤4、评价预测位置：对南极天文设备在X向和Z向的预测位置，分别采用目标评价函数min J进行评价，其中，目标评价函数min J为：
Figure FDA0003446290300000011
其中，r为南极天文设备在X向或Z向的目标位置；y(k+i)为南极天文设备在k+i时刻X向或Z向的预测位置；其中，1≤i≤n；
步骤5、求解最优控制量：采用梯度下降法对步骤4中的目标评价函数min J进行求解，得到最优的控制量序列U；然后，将最优控制量序列U中第一个位移变化控制量u(k)作为实际控制量；其中，u(k)包括X向控制量和Z向控制量；
步骤6、计算前馈量，具体包括如下步骤：
步骤61、采集风速信号：使用风速计按照设定的采样周期，采集运输车体在当前k时刻行驶时的风速信号，并将风速信号传递给控制器；
步骤62、计算风力值F：控制器根据步骤61提供的风速信号，计算运输车体在当前k时刻行驶时所受到的风力值F；接着，将风力值F分解为X、Y和Z三个方向的分风力值；
步骤63、计算前馈量：前馈量包括X向前馈量和Z向前馈量；将步骤62得到的X向分风力值，换算为运输车体在X向位移变化的X向前馈量；将步骤62得到的Z向分风力值，换算为运输车体在Z向位移变化的Z向前馈量；
步骤7、计算u(k)′：在X向，将步骤5中的X向控制量与步骤6中的X向前馈量相加，得到X向作动器的位移控制量u(k)′；将步骤5中的Z向控制量与步骤6中的Z向前馈量相加，得到Z向作动器的位移控制量u(k)′；
步骤8、作动器动作：控制器将步骤7计算的u(k)′传输给对应的驱动器，驱动器指令对应作动器动作；
步骤9、重复步骤1至步骤8，实现南极天文设备的连续减振运输。
2.根据权利要求1所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：步骤1中减振数学模型y(n)的建立方法，包括如下步骤：
步骤11、计算控制器的输出正弦扫频信号v，具体计算公式为：
v＝0.1*sin(2πft)
式中，f为控制器的输出扫频频率，t为系统辨识时间；
步骤12、控制器将步骤11计算的输出正弦扫频信号v给驱动器，驱动器驱动作动器动作；同时，控制器采集加速度传感器提供的加速度信号a；
步骤13、以输出扫频频率f为横坐标，以加速度信号a转换的位置信息和输出正弦扫频信号v的比值为纵坐标，建立减振装置的伯德图；
步骤14、根据步骤13建立的伯德图，通过最小二乘曲线拟合的方式建立整个减振装置的传递函数G(s)；
步骤15、根据传递函数G(s)建立减振数学模型y(n)，y(n)为差分方程。
3.根据权利要求2所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：步骤13中，加速度信号a的计算公式为：
Figure FDA0003446290300000031
式中，a1为加速度传感器的幅值，
Figure FDA0003446290300000032
为加速度传感器的相角。
4.根据权利要求1所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：步骤5中，采用梯度下降法求解目标评价函数min J的方法，包括如下步骤：
步骤51、建立关于控制量序列U的梯度函数
Figure FDA0003446290300000033
具体为：
Figure FDA0003446290300000034
式中，J(u(k+i)+h)表示在位移变化控制量为u(k+i)+h时的目标评价函数；u(k+i)为k+i时刻作动器的位移变化控制量；h为迭代步长；Jc为第c次迭代的目标评价函数值；
步骤52、梯度下降：将目标评价函数min J按照步骤51建立的梯度函数
Figure FDA0003446290300000037
进行迭代；
步骤53、比较判断：在c+1次迭代后，与预设的停止条件进行判断；其中，预设停止条件为：迭代次数大于30次，或当前迭代完成后的目标评价函数值小于0.01；当符合预设停止条件时，停止迭代，将最后一次迭代的控制量序列U作为所需求解的控制量序列；否则，进入步骤54；
步骤54、调整控制量序列，具体调整公式为：
Figure FDA0003446290300000035
式中，Uc+1表示c+1次迭代所对应的控制量序列，Uc表示c次迭代所对应的控制量序列，μ为学习效率；
步骤55、重复步骤52至步骤54，直至满足预设的停止条件。
5.根据权利要求1所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：步骤62中，风力值F的计算公式为：
F＝C*q*A
Figure FDA0003446290300000036
式中，C为风载荷系数；q为动压头，V为风速，单位m/s，ρ为空气密度；A为集装箱的迎风面积；
步骤63中，X向或Z向分风力值，采用PD算法换算为运输车体在对应向位移变化的前馈量的计算公式为：
Figure FDA0003446290300000041
式中，u为前馈量；Kp为比例系数；Fi为风力在对应轴向的分风力值；KD为微分系数。
6.根据权利要求1所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：步骤1中，减振装置包括主动减振器、风速计和控制器；
南极天文设备放置在集装箱内，集装箱放置在运输车体上；
主动减振器包括至少两个X向主动减振器和至少三个Z向主动减振器；
所有X向主动减振器均安装在南极天文设备的侧面与集装箱的侧板内壁面之间，用于X向减振；其中，X向为运输车体的行驶方向；
所有Z向减振器均安装在南极天文设备底面和集装箱的底板内壁面之间，均用于竖直Z向的减振；其中有三个Z向主动减振器呈三角形布设；
每个主动减振器均包括弹性件、加速度传感器、作动器和驱动器；
弹性件和作动器平行并列布设在集装箱和南极天文设备之间，每个作动器连接一个驱动器；
加速度传感器安装在南极天文设备的侧面或底面上，用于检测对应作动器安装位置处的南极天文设备的加速度信号；
风速计用于检测运输车体行驶时的风速；
每个加速度传感器、每个驱动器和风速计均与控制器相连接。
7.根据权利要求6所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：X向主动减振器的数量为两个，平行布设。
8.根据权利要求6所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：Z向主动减振器的数量为四个，平行布设，且对应南极天文设备的底面四个边角。
9.根据权利要求6所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：每个加速度传感器均为单轴加速度传感器；每个作动器均为磁流变作动器。
10.根据权利要求6所述的用于南极天文设备运输的减振方法，其特征在于：运输车体为雪橇车，每个弹性件均为弹簧。
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