CN114035627A - 基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统及方法，涉及微振动控制技术领域，该系统包括：前馈传感器，安装在基础平台上，用于采集基础平台的地基前馈信号；反馈力传感器，安装第二连接件上，用于采集负载平台的反馈振动信号；主动复合控制器，用于基于地基前馈信号和反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将复合控制输出信号发送至主动作动器以抑制振动。本发明将前馈信号与反馈信号相结合，共同确定控制主动作动器的控制信息，以提高隔振性能。

Description

基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统及方法

技术领域

本发明涉及微振动控制技术领域，特别是涉及一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统及方法。

背景技术

精密设备在工作时会受到一些外界微振动的干扰，这极大地影响了精密设备的工作运行情况，甚至长期的振动环境还会对精密设备内部造成损坏。因此，对精密设备微振动控制技术的研究势在必行。此时，被动隔振控制技术依托弹性元件得到了广泛的应用。虽然被动隔振控制技术呈现出可靠、成本低等特点，但是其隔振性能不足，已经越来越无法满足目前精密设备的隔振需求。

当前，利用主动控制元件(例如音圈电机、压电作动器、磁流变液阻尼器等)和测量传感器来搭建主动控制回路已经成为振动控制的热门研究方向。主主动控制回路主要利用各种控制算法进行振动，反馈控制和前馈控制是最为典型的两种主动控制方法。反馈控制可以有效抑制系统振动，但是在控制时存在一定的延迟；前馈控制在振动响应未到达系统前就施加作用力抵消振动，但是前馈控制信号也可能作为振动信号传入系统，导致系统失稳。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统及方法，通过主动复合控制提高隔振性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，包括：主动复合控制器、反馈力传感器、前馈力传感器和单自由度隔振平台；所述单自由度隔振平台包括负载平台、基础平台、被动弹性元件以及主动作动器；

所述基础平台通过第一连接件与所述主动作动器的一端连接，所述主动作动器的另一端与所述被动弹性元件的一端连接，所述被动弹性元件的另一端通过第二连接件与所述负载平台连接；

所述前馈传感器，安装在所述基础平台上，用于采集所述基础平台的地基前馈信号；

所述反馈力传感器，安装所述第二连接件上，用于采集所述负载平台的反馈振动信号；

所述主动复合控制器，用于基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

可选的，所述主动复合控制器包括反馈控制器、前馈控制器和融合模块；

所述反馈控制器用于采用积分力反馈控制算法对所述反馈振动信号进行处理，得到反馈控制输出信号；

所述前馈控制器用于采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号进行处理，得到前馈控制输出信号；

融合模块用于将所述反馈控制输出信号和所述前馈控制输出信号进行主动复合控制计算，得到复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

可选的，所述前馈控制器，用于：

采用RBF神经网络对所述地基前馈信号进行开环系统响应辨识，得到期望响应；

采用带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号和所述期望响应进行处理，得到前馈控制输出信号。

可选的，所述反馈控制器为积分力反馈控制器。

可选的，所述被动弹性元件为弯曲片弹簧；所述弯曲片弹簧用于提供刚度，且所述弯曲片弹簧的弯曲结构用于保证振动的轴向传递。

可选的，所述基础平台用于传递外界激励信号；所述前馈传感器用于采集所述外界激励信号所产生的地基前馈信号。

可选的，所述前馈传感器为前馈加速度传感器。

可选的，所述第一连接件和所述第二连接件均为柔性铰链。

一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制方法，包括：

采集所述基础平台的地基前馈信号；

采集所述负载平台的反馈振动信号；

基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

可选的，所述基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动，具体包括：

采用积分力反馈控制算法对所述反馈振动信号进行处理，得到反馈控制输出信号；

采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号进行处理，得到前馈控制输出信号；

将所述反馈控制输出信号和所述前馈控制输出信号进行主动复合控制计算，得到复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

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：

本发明将前馈信号与反馈信号相结合，共同确定控制主动作动器的控制信息，以提高隔振性能。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统的结构示意图；

图2为现有技术隔振原理图；图2(a)为被动隔振原理示意图；图2(b)为反馈控制隔振原理示意图；

图3为本发明中主动复合控制的原理示意图；

图4为本发明主动复合控制方法的原理框图；

图5为本发明积分力反馈控制的原理示意图；

图6为本发明中FIR滤波器内部原理图；

图7为本发明RBF神经网络结构；

图8为现有技术和本发明主动控制下的传递率曲线对比图；

图9为基于单自由度隔振平台的主动复合控制方法的流程示意图。

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基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统及方法，通过搭建反馈控制器与前馈控制器从而设计了一种主动复合控制器，以提高隔振性能。

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。

实施例一

图1为本发明基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统的示意图，主要包括主动复合控制器8、反馈力传感器5、前馈传感器9和单自由度隔振平台；其中，单自由度隔振平台包括一个负载平台7、一个基础平台1、一个被动弹性元件4以及一个主动作动器3。优选地，本实施例所述的被动弹性元件4为弯曲片弹簧；本实施例所述的主动作动器3为压电作动器。

所述基础平台1通过第一连接件2与所述主动作动器3的一端连接，所述主动作动器3的另一端与所述被动弹性元件4的一端连接，所述被动弹性元件4的另一端通过第二连接件6与所述负载平台7连接。

所述前馈传感器9，安装在所述基础平台1上，用于采集所述基础平台的地基前馈信号。所述反馈力传感器5，安装所述第二连接件6上，用于采集所述负载平台的反馈振动信号。所述主动复合控制器8，用于基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

优选地，所述第一连接件2和所述第二连接件6均为柔性铰链。所述前馈传感器9为前馈加速度传感器。

基础平台1用来传递外界激励信号，前馈加速度传感器9用来检测前馈加速度信号，并传递至主动复合控制器8。反馈力传感器5检测反馈力信号，并传递至主动复合控制器8。负载平台7可以用来承担重载。主动复合控制器8将检测到的前馈加速度信号以及反馈力信号进行复合主动控制作用，并将最后的复合控制输出信号传递给压电作动器，抑制振动。压电作动器3获得复合控制输出信号进行振动抑制，弯曲片弹簧4作为弹性元件提供刚度，且通过特殊的弯曲设计可以保证振动的轴向传递。

图2(a)为被动隔振原理示意图，其中，基础平台的质量为m_b，负载平台(又称为隔振平台)质量为M_p，隔振系统的刚度为k，系统的阻尼为c。在进行被动隔振时，振动的衰减完全依靠被动弹性元件，控制方式具有很强的局限性，且控制效果不佳。隔振平台在被动控制下的微分方程为：

图2(b)为传统的反馈控制隔振原理示意图，与图2(a)相比，其系统多了一个主动作动器，该主动作动器可以产生作用力f₁以对振动进行抵消。在负载平台一侧贴有反馈传感器，用以获取反馈信号并传递至控制器，进行反馈控制。隔振平台在反馈控制下的微分方程为：

图3为本发明的主动复合控制系统，与传统隔振系统相比，在负载平台一侧贴有反馈传感器，用以获取负载平台的反馈振动信号。在基础平台一侧贴有前馈加速度传感器，用以获取基础平台的地基前馈信号。通过在单自由度主动反馈控制系统上加入了地基前馈控制，形成主动复合控制。

图4为本发明主动复合控制方法的原理框图。在一个额外的外界激励信号作用下，前馈信号x(n)通过RBF神经网络进行开环系统响应辨识后得到信号x'(n)，并作为带有横向滤波器的RLS(最小二乘)自适应前馈控制的期望响应。带有时变抽头权值的FIR滤波器C(z^-1)可以根据前馈信号x(n)来调节权值，从而不断地对期望响应进行估计，并将生成的前馈控制信号u_FF(n)作用到隔振系统上，产生第一响应误差。反馈控制信号u_FB(n)是反馈信号经过反馈控制器的输出结果，其对第一响应误差进行反馈补偿，反馈补偿的结果就是负载平台最终的残余振动误差y(n)，即第二响应误差。

图5为积分力反馈控制的原理示意图。m_b和M_p分别为基础平台质量和负载平台质量，k为隔振系统的等效刚度，在基础平台和负载平台之间额外添加了一个主动作动器，其输出力为f_IIF。C_FB为积分力反馈控制器，其输入为负载平台动态力信号F_P，并通过积分计算补偿后，将控制量输出到主动作动器，形成积分-力反馈系统。基本原理可以看作是在负载平台和天空之间添加了一个绝对阻尼器，实现天棚阻尼作用。在单自由度隔振系统中，积分力反馈的动力学方程为：

图6为本发明中FIR滤波器内部原理图。FIR滤波器的优势在于其会保留一段时间内的输入数据，通过最小二乘法使代价函数进行梯度下降，从而不断地去更新抽头权值w(n)，让可变参数实时保持最优值。该算法需要初始化一个K阶时变抽头权向量w(n)，并由n-1时刻的抽头权向量w(n-1)的最小二乘估计，对n时刻的抽头权向量w(n)进行更新。通过FIR滤波器可以得到期望响应

那么，第n时刻的估计误差可以表示为：

图7为RBF神经网络结构。RBF神经网络是一种局部逼近的神经网络。其基本思想是：将输入向量通过由高斯基函数所搭建的隐含层空间，并且无需权连接，实现低维到高维空间的非线性映射。本发明所设计的主动复合控制器引入了RBF神经网络环节，目的在于对前馈信号的开环传递响应进行辨识，将结果输出给RLS自适应前馈算法，完成整个前馈控制环路。经过线性加权后，RBF神经网络的输出为：

y_m(k)＝w₁h₁+w₂h₂++w_mh_m。

基于以上内容，反馈控制器为采用积分力反馈控制算法对反馈力传感器采集的信号进行处理，得到反馈控制输出信号，并且可以通过调节反馈增益来改变反馈特性的控制器，反馈控制器可以实现对单自由度隔振平台的误差补偿。

前馈控制器为采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对前馈加速度传感器检测到的信号进行处理，得到前馈控制输出信号的控制器，前馈控制器采用带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法，可以在信号未传递至系统时，提前控制主动作动器对地基振动进行响应。

故本实施例所述主动复合控制器包括反馈控制器、前馈控制器和融合模块；所述反馈控制器用于采用积分力反馈控制算法对所述反馈振动信号进行处理，得到反馈控制输出信号；所述前馈控制器用于采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号进行处理，得到前馈控制输出信号；融合模块用于将所述反馈控制输出信号和所述前馈控制输出信号进行主动复合控制计算，得到复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

在外界激励的作用下，前馈信号在滤除无用噪声后，还需要进行系统响应辨识。这是因为当整个系统处于主动控制时，是无法得到系统的开环响应结果，这将使得前馈控制效果无法正常作用在隔振系统上，故在进行RLS自适应前馈控制时，先将采用RBF神经网络对前馈加速度传感器检测到的信号进行处理，然后采用带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对处理后的信号进行二次处理。

所以本实施例所述的前馈控制器，用于：

采用RBF神经网络对所述地基前馈信号进行开环系统响应辨识，得到期望响应；采用带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号和所述期望响应进行处理，得到前馈控制输出信号。

图8为被动隔振和本发明主动控制下的传递率曲线对比图。从图中可以发现，在被动控制下，振动峰值较高，当进行主动反馈控制时，峰值得到了明显的降低。在开启了主动复合控制后，可以发现系统的共振峰值得到进一步降低，同时系统的固有频率也得到了前移，可见本发明所提出的主动复合控制技术更具有优越性。

实施例二

本实施例提供了一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制方法，主要包括反馈控制算法与前馈控制算法，从而实现微振动闭环控制回路。本发明通过采集单自由度隔振平台的反馈力传感器信号，并对反馈力传感器信号进行积分力反馈作用，实现天棚阻尼效果。通过采集基础平台的前馈加速度传感器信号，并对前馈加速度传感器信号进行RLS自适应前馈控制，在振动信号未传递至系统时进行抵消。

如图9所示，本实施例提供的应用于实施例一所述系统的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制方法，主要包括以下步骤。

步骤100：采集基础平台的地基前馈信号。

步骤200：采集所述负载平台的反馈振动信号。

步骤300：基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

其中，步骤300具体包括：

1)采用积分力反馈控制算法对所述反馈振动信号进行处理，得到反馈控制输出信号。

2)采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号进行处理，得到前馈控制输出信号。

3)将所述反馈控制输出信号和所述前馈控制输出信号进行主动复合控制计算，得到复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动，实现主动控制隔振。

步骤1)中进行积分力反馈控制方法过程具体如下：

所述反馈控制器为积分力反馈控制器，该积分力反馈控制器的积分增益项为k_i，控制律可以进行如下表示：

1.1)反馈力传感器采集的动态力信号为q(i)，传递给积分力反馈控制器后进行反馈控制计算，可以得到反馈控制输出信号，即反馈控制电压输出信号u(i)＝q(i)·C_FB。

1.2)根据步骤1.1)可以得出单自由度隔振平台在积分力反馈作用下的传递函数为：

其中，c为单自由度隔振系统的等效阻尼，k为单自由度隔振系统的等效刚度，M_p为负载平台的质量。当积分增益系数k_i远大于等效阻尼c时，系统的等效阻尼可以忽略。

单自由度隔振系统在积分力反馈作用下的阻尼比可以进行如下表示：

从上式可以发现，单自由度隔振系统在积分力反馈控制下的阻尼比与积分增益系数成正比，通过增大积分增益系数可以有效地降低固有频率处的共振峰峰值，实现天棚阻尼效果。过大的增益系数会导致系统的稳定性误差，使得隔振系统失稳。

步骤2)中进行自适应前馈控制过程如下：

在外界激励的作用下，前馈信号在滤除无用噪声后，通过RBF神经网络进行系统响应辨识。这是因为当整个系统处于主动复合控制时，是无法得到系统的开环响应结果，这将使得前馈控制效果无法正常作用在隔振系统上。

整个控制过程与自适应前馈控制类似，由RBF神经网络对输入信号通过高斯基函数进行非线性映射，然后通过连接权值得到输出结果，并将误差信号进行反向传播，利用梯度下降法对连接权向量进行更新。

自适应前馈控制设计了一个带有时变抽头权值的横向FIR滤波器，特点在于会保留一段时间内的输入数据，通过最小二乘法使代价函数进行梯度下降，从而不断更新抽头权值w(n)，让可变参数实时保持最优值。

2.1)当前馈加速度信号x(n)传递给横向FIR滤波器，可以得到输出信号

2.2)当前馈加速度信号x(n)传递给RBF神经网络，可得到期望信号d(n)。

2.3)通过输出信号

与期望信号d(n)进行最小二乘估计，可以得到代价函数：

其中，λ作为遗忘因子，取值范围为0＜λ＜1。这里λ^n-i是呈指数衰减的加权系数，其作用是为了时间间隔较长的数据对计算结果的影响，确保可以实时更新最新的数据。并且，

通过自适应前馈控制后，控制电压信号可以作用到作动器上，可以实现对前馈振动信号的抵消。

本发明所述的主动复合控制方法实现原理简单，在单自由度隔振平台上减振性能较好，鲁棒性强。

本发明通过搭建反馈与前馈控制器设计了一种主动复合控制器，反馈控制器对负载平台的振动信号进行补偿，前馈控制器提前对地基振动进行抵消。反馈控制器为积分力反馈控制，由反馈力传感器采集反馈信号进行积分力运算输出。前馈控制器为RLS自适应前馈控制，采用RBF神经网络进行系统响应辨识，前馈信号由加速度传感器采集。所提出的主动复合控制方法实现简单，隔振效果较好，可以有效降低系统的共振峰峰值。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (10)

1.一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，包括：主动复合控制器、反馈力传感器、前馈力传感器和单自由度隔振平台；所述单自由度隔振平台包括负载平台、基础平台、被动弹性元件以及主动作动器；

所述基础平台通过第一连接件与所述主动作动器的一端连接，所述主动作动器的另一端与所述被动弹性元件的一端连接，所述被动弹性元件的另一端通过第二连接件与所述负载平台连接；

所述前馈传感器，安装在所述基础平台上，用于采集所述基础平台的地基前馈信号；

所述反馈力传感器，安装所述第二连接件上，用于采集所述负载平台的反馈振动信号；

所述主动复合控制器，用于基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

2.根据权利要求1所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，所述主动复合控制器包括反馈控制器、前馈控制器和融合模块；

所述反馈控制器用于采用积分力反馈控制算法对所述反馈振动信号进行处理，得到反馈控制输出信号；

所述前馈控制器用于采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号进行处理，得到前馈控制输出信号；

融合模块用于将所述反馈控制输出信号和所述前馈控制输出信号进行主动复合控制计算，得到复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

3.根据权利要求2所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，

所述前馈控制器，用于：

采用RBF神经网络对所述地基前馈信号进行开环系统响应辨识，得到期望响应；

采用带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号和所述期望响应进行处理，得到前馈控制输出信号。

4.根据权利要求2所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，所述反馈控制器为积分力反馈控制器。

5.根据权利要求1所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，所述被动弹性元件为弯曲片弹簧；所述弯曲片弹簧用于提供刚度，且所述弯曲片弹簧的弯曲结构用于保证振动的轴向传递。

6.根据权利要求1所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，所述基础平台用于传递外界激励信号；所述前馈传感器用于采集所述外界激励信号所产生的地基前馈信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，所述前馈传感器为前馈加速度传感器。

8.根据权利要求1所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件均为柔性铰链。

9.一种应用于权利要求1-8任意一项所述的基于单自由度隔振平台的主动复合控制系统的方法，其特征在于，包括：

采集所述基础平台的地基前馈信号；

采集所述负载平台的反馈振动信号；

基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

10.根据权利要求9所述的一种基于单自由度隔振平台的主动复合控制方法，其特征在于，所述基于所述地基前馈信号和所述反馈振动信号，确定复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动，具体包括：

采用积分力反馈控制算法对所述反馈振动信号进行处理，得到反馈控制输出信号；

采用RBF神经网络和带有横向滤波器的RLS自适应前馈控制算法对所述地基前馈信号进行处理，得到前馈控制输出信号；

将所述反馈控制输出信号和所述前馈控制输出信号进行主动复合控制计算，得到复合控制输出信号，并将所述复合控制输出信号发送至所述主动作动器以抑制振动。

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