CN203038025U - 一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，属于光学仪器领域，包括两个激振装置，以及PZT作动器和空气弹簧，系统依次将信号采集模块、信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块依次连接；所述功率放模块分别与一对PZT作动器连接。本系统提出了被动抗振和主动抗振相结合的混合抗振控制，其中主动抗振采用智能控制策略，克服了由模型和干扰所引起的不确定性，使得抗振控制系统能够有效地抑制不确定性和振动的干扰，在外部环境振动的干扰下具有较好的稳定性和控制精度，同时也能较好的抑制高低频振动，大大提高了光学移相干涉仪的测试精度。

Description

一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种提高光学移相干涉仪抗振性能的智能抗振控制系统，尤其是一种能减少外界环境振动对光学移相干涉仪测量影响的抗振控制系统，属于光学仪器领域。

背景技术

光学移相干涉术(PSI)是一种高精度、高灵敏度、非接触式光学测试方法，易受外界环境振动的影响，外界环境振动是移相干涉仪测量误差的主要来源之一。 由于环境振动是移相干涉仪测量误差的主要来源之一，国际上一些科学家提出了不同的解决方法。近几十年来，抗振技术得到了不断发展，电磁悬浮、压电作动器、空气弹簧、电液伺服、非线性理论等各种新技术都陆续被应用到抗振领域，根据振动控制机理的不同，可以划分为两大类，即被动抗振技术和主动抗振技术。

1.被动抗振一般采用附加子系统（弹簧和阻尼器）将振源与需抗振的结构或系统隔离，以减小结构或系统的振动。它是目前国内外较为成熟的、传统的抗振技术。虽然被动抗振技术具有结构简单和工作可靠等优点，但它很难有效地隔离低频和超低频振动信号，特别是含有超低频分量的宽频带随机激励信号，因为被动抗振装置的固有频率不能无限止地降低，因此，被动抗振技术一般不能满足处于复合激励环境下的精密装置的抗振设计要求。所以，被动抗振技术只能称为隔振技术。

2.主动抗振控制是指采用由作动器和控制器组成的控制系统（通常为闭环控制）以抑制结构或系统的振动，它在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，具有很高的抗振精度，尤其在隔离超低频振动信号方面，因而引起了人们的重视。

但是，主动抗振技术仍有很大的局限性，主要有以下几个方面原因：

一是主动抗振系统需要设计一套较复杂的自动控制系统，还要有一套支持控制系统工作的能源机构，系统稳定性和可靠性差；

二是主动抗振装置一般造价过于昂贵，而不能得到广泛应用。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，为了使光学移相干涉测试平台在振动的干扰下具有较好的稳定性和控制精度，也同时具有良好的振动抑制效果。本实用新型提供一种新型的光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，该光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统不仅能有效的提高光学移相干涉测试平台在外界环境振动干扰下的稳定性和控制精度，而且能弥补主动抗振装置和被动抗振装置的不足。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，在所述实验平台的一侧设置有两个激振装置，所述两个激振装置能产生不同频率的振动干扰信号，所述智能控制系统包括信号采集模块、信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块、一对PZT作动器以及一对空气弹簧；其中，所述一对空气弹簧固定于地面，分别支撑实验平台底面的两端；所述PZT作动器分别对称设置在空气弹簧的旁边，所述信号采集模块设置于实验平台的上表面，用于采集振动信号；所述信号采集模块的输出端依次与信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块连接；所述功率放模块分别与一对PZT作动器连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括一小波数据处理模块，所述小波数据处理模块的输入端与A/D转换模块的输出端连接，小波数据处理模块的输出端与控制模块的输入端连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述激振装置采用交流电机和偏心轮组成。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述信号采集模块采用一种HBA-L1型超低频测振仪。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述信号放大模块为INV306D智能信号采集处理分析仪。

针对外界环境振动对移相干涉仪产生的测量误差，本实用新型将被动抗振和主动抗振相结合的混合控制技术应用于光学移相干涉仪抗振平台智能控制系统中，采用被动抗振和主动抗振相结合的智能混合控制技术的抗振系统结构，将空气弹簧作为被动抗振元件, 将压电作动器（PZT）作为主动抗振元件，空气弹簧具有一般弹性支承的低通滤波特性，其主要作用是隔离较高频率的振动，并支承平台。同时，采用小波处理模块将随机振动信号进行时频分析后得到低频全局信息，同时，本实用新型应用H∞控制理论和μ控制理论构造控制器。通过以上技术来达到提高光学移相干涉仪的抗振效率和系统测量的精度。

采用压电陶瓷片组成的晶体堆作为作动器，既避免了使用过高的电压，又容易保证获得我们所需要的电致位移量，其主要作用是有效隔离较低频率振动。激振装置采用交流电机和偏心轮组成，通过调节变频器的脉冲频率调节交流电机的转速，从而改变偏心轮的转速，最终得到不同频率的周期性振动干扰信号。信号采集模块采用HBA-L1型超低频测振仪，其是一种用于超低频或低频振动测量的多功能仪器，它主要用于地面和结构物的脉动测量，一般结构物的工业振动测量，高柔结构物的超低频大幅度测量和微弱振动测量，其采用了无源闭环伺服技术，以获得良好的超低频特性，可提供测点的加速度、速度或位移参量，并可提供不同频带和不同滤波陡度，该仪器具有功耗低、精度高、可靠性好、分辨率高、动态范围大等特点。信号放大模块通过INV303P-5261D数据采集卡和DASP软件包实现的微机卡式自动测试分析仪，具有数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、噪声与振动测量、动力有限元计算等多种功能。

本实用新型设计的光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统提出了被动抗振和主动抗振相结合的混合抗振控制，其中主动抗振采用智能控制策略，该方法克服了由模型和干扰所引起的不确定性，使得抗振控制系统能够有效地抑制模型的不确定性和振动的干扰。在外部环境振动的干扰下具有较好的稳定性和控制精度，同时也能较好的抑制高低频振动，大大提高了光学移相干涉仪的测试精度。

附图说明

图1是本实用新型的光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统的结构图。

图2是本实用新型的光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统的实验检测框图。

其中标号解释：1-HBA-L1型超低频测振仪，2-PZT作动器，3-空气弹簧。

图3是红色激振装置单独开启时得到的低频振动信号。

图4是蓝色激振装置单独开启时得到的高频振动信号。

图5是激振装置同时开启时得到的混合振动信号。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述：

   如图1所示，本实用新型设计的一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，在所述实验平台的一侧设置有两个激振装置，所述两个激振装置能产生不同频率的振动干扰信号，所述智能控制系统包括信号采集模块、信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块、一对PZT作动器以及一对空气弹簧；其中，所述一对空气弹簧固定于地面，分别支撑实验平台底面的两端；所述PZT作动器分别对称设置在空气弹簧的旁边，所述信号采集模块设置于实验平台的上表面，用于采集振动信号；所述信号采集模块的输出端依次与信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块连接；所述功率放模块分别与一对PZT作动器连接。其中，各模块相对独立，系统的位移为                                                

，底座的运动位移为

。

   本实用新型的光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统中将空气弹簧作为被动抗振元件, 将压电作动器（PZT）作为主动抗振元件。空气弹簧具有一般弹性支承的低通滤波特性，其主要作用是隔离较高频率的振动，并支承平台；而采用压电陶瓷片组成的晶体堆作为作动器，既避免了使用过高的电压，又容易保证获得我们所需要的电致位移量，其主要作用是有效隔离较低频率振动。主被动抗振系统相结合可有效地隔离整个频率范围内的振动。本实用新型提出了被动抗振和主动抗振相结合的混合抗振控制技术，其中主动抗振采用智能控制策略，该方法克服了由模型和干扰所引起的不确定性，使得抗振控制系统能够有效地抑制模型的不确定性和振动的干扰。仿真结果表明，将鲁棒H∞控制理论和 

控制理论能使光学移相干涉仪抗振平台在振动的干扰下具有较好的鲁棒稳定性和控制精度，也同时具有良好的振动抑制效果。

如图2所示，光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统采用HBA-L1型超低频测振仪作为信号采集模块对抗振平台的振动进行测量，信号放大模块采用INV303P-5261D数据采集卡进入INV306D智能信号采集处理分析仪进行分析并A/D转换模块转换为数字量，然后数据进入控制模块的主控PC机中进行算法处理后，再经过D/A转换模块转换为电压信号输出，再经功放系统放大，控制压电作动器产生驱动力和位移，来抵消外界的振动干扰，从而达到主动抗振控制的目的。

INV306D智能信号采集处理分析仪是用微机通过INV303P-5261D数据采集卡和DASP软件包实现的微机卡式自动测试分析仪。具有数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、噪声与振动测量、动力有限元计算等多种功能。INV303P-5261D数据采集卡是一款高性能快速的多功能PCI数据采集卡，应用于各种工厂和实验室中，利用它能够进行数据的采集、处理、自动检测以及转换输出等。其主要特点是：16位分辨率；90dB动态范围；5.0到204.8kS/s采样速率；2路同步采样模拟输入通道；超载检测；AC/DC耦合。

DASP软件包是INV306D系统中为解决工程动静态测试中的波形和数据记录、波形分析、模态分析、故障诊断、结构灵敏度分析、结构动力修改等方面的实际问题而设计的。软件基本功能：数据采集器，16通道虚拟示波器，数字滤波器，数据编辑器，波形和频谱分析仪，频率计，振幅计，转速表，电压表，瞬态记录仪，多通道实时监控仪，振动测试分析仪，动态信号分析等。

HBA-L1型超低频测振仪是一种用于超低频或低频振动测量的多功能仪器，它主要用于地面和结构物的脉动测量，一般结构物的工业振动测量，高柔结构物的超低频大幅度测量和微弱振动测量，其采用了无源闭环伺服技术，以获得良好的超低频特性，可提供测点的加速度、速度或位移参量，并可提供不同频带和不同滤波陡度，该仪器具有功耗低、精度高、可靠性好、分辨率高、动态范围大等特点。测量范围：位移分辨率为0.04μm，频率范围：0.25Hz-1000Hz，可直接与各种记录器及数据采集系统配接，信号输出为AC输出，满量程为2V，输出阻抗600欧。本抗振平台的激振源采用交流电机和偏心轮组成，激振装置放置于抗振平台一侧的地面上，通过调节变频器的脉冲频率调节电机的转速，从而改变偏心轮的转速，最终得到不同频率的周期性振动干扰信号，同时，本抗振平台同时采用两套激振装置同时工作，以此获得不同频率的振动干扰信号。

本实用新型的工作过程如下：开启两台交流电机激振源，将其中的一个设定为红色交流电机激振装置，其转速设为100r/min，另一个设定为蓝色交流电机的激振装置，其转速设为3000r/min，通过测振仪对平台基底的振动进行采集测量并经INV306D智能信号采集处理分析仪分析得到基础振动信号波形；当开启红色交流电机时，得到低频振动信号如图3所示，当开启蓝色交流电机时，得到高频振动信号如图4所示，当同时开启两个交流电机时，得到混合振动信号如图5所示。

 光学移相干涉仪智能抗振实验平台能有效的隔离高频和低频振动干扰，尤其是主动抗振部分的PZT作动器的采用使得低频振动得到了主动抑制，整个抗振平台将振动干扰信号的振幅由1.5μm通过被动抗振和主动抗振的方法降低到0.2μm－0.3μm，得到了不同程度的衰减。采用H_∞控制算法模块，其抗振效率

，采用μ控制算法模块，其抗振效率

。实验结果与仿真结果基本一致，但仍有很小的差异，两种控制算法的抗振效率都有5％的下降，综上所述，鲁棒H∞控制理论和

控制理论能使光学移相干涉仪抗振平台在振动的干扰下具有较好的鲁棒稳定性和控制精度，也同时具有良好的振动抑制效果。

Claims (5)

1.一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，在所述实验平台的一侧设置有两个激振装置，所述两个激振装置能产生不同频率的振动干扰信号，其特征在于：所述智能控制系统包括信号采集模块、信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块、一对PZT作动器以及一对空气弹簧；其中，所述一对空气弹簧固定于地面，分别支撑实验平台底面的两端；所述PZT作动器分别对称设置在空气弹簧的旁边，所述信号采集模块设置于实验平台的上表面，用于采集振动信号；所述信号采集模块的输出端依次与信号放大模块、A/D转换模块、控制模块、D/A转换模块、低通滤波模块、功率放大模块连接；所述功率放模块分别与一对PZT作动器连接。

2.根据权利要求1所述的一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，其特征在于：所述信号采集模块为HBA-L1型超低频测振仪。

3.根据权利要求1所述的一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，其特征在于：所述信号放大模块为INV306D智能信号采集处理分析仪。

4.根据权利要求1所述的一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，其特征在于：还包括一小波数据处理模块，所述小波数据处理模块的输入端与A/D转换模块的输出端连接，所述小波数据处理模块的输出端与控制模块的输入端连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种光学移相干涉仪抗振实验平台智能控制系统，其特征在于：所述激振装置由交流电机和偏心轮组成。

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