基于主动负刚度原理的大型精密仪器系统隔微振技术

发布时间：2017-07-17 11:08

  本文关键词：基于主动负刚度原理的大型精密仪器系统隔微振技术

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【摘要】：大型空气弹簧隔微振平台是大型超精密仪器及装备领域必不可少的核心装备,为了更好的隔离环境中的微振动干扰,需要隔振平台能够同时兼顾低固有频率与大阻尼比。目前最常见的解决方法是降低系统刚度并附加阻尼装置。由于地面脉动干扰的振动频率通常与空气弹簧隔振系统的固有频率接近,且常用的被动阻尼装置在地面脉动的微振动干扰下产生的阻尼力十分有限,使得被动隔振方法并不适用于隔离地面脉动干扰。因此如何在大承载、微振动干扰条件下进一步降低系统固有频率、提高系统阻尼比,成为大型精密仪器系统隔微振领域的前沿性课题。本论文针对以上问题,提出了一种基于洛伦兹力致动器主动负刚度的大型精密仪器系统隔微振控制方法,并将基于该控制方法的主动负刚度隔振装置与空气弹簧并联来进一步降低系统固有频率。另外,提出了一种基于洛伦兹力致动器主动阻尼的大型精密仪器系统隔微振控制方法,进一步改善系统的阻尼特性。论文在上述方面进行了深入的理论和实验研究,主要内容和结果如下:1.为解决大型空气弹簧隔振平台在被动控制下难以进一步降低固有频率的问题,提出了一种基于洛伦兹力致动器主动负刚度的大型精密仪器系统隔微振控制方法。首先通过分析负刚度弹性元件的力与位移特性,基于洛伦兹力原理,提出了能够使洛伦兹力致动器产生等效负刚度的主动控制方法;然后分析了弹性系统中刚度与稳定性的关系,明确了各独立自由度中总刚度必须大于零;最后建立了基于主动负刚度控制的洛伦兹力致动器与空气弹簧并联的正、负刚度并联隔振系统模型,通过对该模型的振动传递率进行建模仿真,表明该方法能够有效降低系统的固有频率,扩大振动衰减频带。2.为解决被动阻尼装置在微振动干扰下无法产生足够阻尼力的问题,提出了一种基于洛伦兹力致动器主动阻尼的大型精密仪器系统隔微振控制方法。首先通过控制洛伦兹力致动器的输出力与负载速度成反比,使洛伦兹力致动器能够等效为主动阻尼装置;然后在分析了空气弹簧隔振系统的被动阻尼特性的基础上,建立了基于主动阻尼控制方法的主、被动阻尼隔振系统模型,并对该模型的振动传递率和阻尼比进行了仿真,验证了该方法能有效提高隔振系统的阻尼比;最后基于线性二次型最优控制方法对洛伦兹力致动器的主动控制输出力进行了优化。3.主动负刚度控制方法和主动阻尼控制方法是建立在单自由度隔振系统上的主动控制方法,无法直接应用在含有振动耦合的多自由度隔振系统上,针对这一问题,首先建立了隔振平台的六自由度振动模型并进行简化,对该模型的耦合固有频率和耦合度等进行了推导和仿真,然后建立了基于洛伦兹力致动器的主动解耦控制模型并进行了仿真,结果表明主动解耦控制方法能够有效降低耦合自由度间的耦合度,从而为主动负刚度控制方法和主动阻尼控制方法在大型气浮隔振平台各自由度上的应用打下了基础。4.对本文提出的主动控制方法和仿真结果进行了实验验证。在大型气浮隔振平台上,分别在主动负刚度控制方法和主动阻尼控制方法下对隔振平台进行了冲击响应实验,实验结果表明,隔振平台短轴向、长轴向和垂向的固有频率分别从被动控制时的0.53Hz、0.50Hz和0.66Hz,降为主动负刚度控制时的0.47Hz、0.47Hz和0.59Hz,表明主动负刚度控制方法能够有效降低系统固有频率;隔振平台短轴向、长轴向和垂向的阻尼比从被动控制时的13.76%、14.32%和14.10%,分别提高到主动阻尼控制时的14.38%、15.74%和15.50%,表明主动阻尼控制方法能够有效提高系统阻尼比。最后在主动负刚度控制方法和主动阻尼控制方法的联合控制下,对隔振平台进行了环境随机振动激励响应实验,实验结果表明,隔振平台短轴向、长轴向和垂向的时域速度有效值分别从被动控制时的4.07μm/s、4.28μm/s和3.69μm/s降为主动控制后的2.84μm/s、2.39μm/s和1.85μm/s,验证了主动负刚度控制方法和主动阻尼控制方法对最终降低大型气浮隔振平台振动速度的有效性。
【关键词】：隔微振 固有频率 阻尼比 主动负刚度 主动阻尼
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH703.6
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-33
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义15-16
• 1.2 大型精密仪器系统隔振装置的研究现状16-20
• 1.3 负刚度隔振技术的研究现状20-27
• 1.3.1 倒立摆负刚度装置20-23
• 1.3.2 欧拉压杆负刚度装置23-25
• 1.3.3 基于可变阻尼器的负刚度装置25
• 1.3.4 基于磁力的负刚度装置25-27
• 1.4 主动变阻尼技术研究现状27-31
• 1.4.1 变孔径流体阻尼器28-29
• 1.4.2 磁流变液阻尼器29-30
• 1.4.3 半主动摩擦阻尼器30-31
• 1.5 本研究领域存在的关键技术问题31
• 1.6 本文的主要研究内容31-33
• 第2章 基于洛伦兹力致动器的主动负刚度隔振技术33-50
• 2.1 引言33
• 2.2 主动负刚度控制方法分析33-37
• 2.3 负刚度隔振系统的稳定性分析37-39
• 2.4 空气弹簧刚度特性分析39-42
• 2.4.1 垂向刚度特性39-41
• 2.4.2 横向刚度特性41-42
• 2.5 正负刚度并联隔振系统的模型与分析42-49
• 2.5.1 绝对位移反馈主动负刚度控制方法44-47
• 2.5.2 相对位移反馈主动负刚度控制方法47-49
• 2.6 本章小结49-50
• 第3章 基于洛伦兹力致动器的主动阻尼隔振技术50-65
• 3.1 引言50
• 3.2 主动阻尼控制方法分析50-52
• 3.3 空气弹簧隔振系统的阻尼特性52-56
• 3.4 基于主动阻尼技术的空气弹簧隔振系统的模型与分析56-60
• 3.4.1 绝对速度反馈主动阻尼控制方法57-59
• 3.4.2 相对速度反馈主动阻尼控制方法59-60
• 3.5 主动阻尼隔振系统的线性二次型最优控制设计60-64
• 3.6 本章小结64-65
• 第4章 基于洛伦兹力致动器的主动解耦技术65-85
• 4.1 引言65
• 4.2 大型气浮隔振平台六自由度振动模型65-69
• 4.3 弹性支承相对两个垂直坐标面对称的振动模型分析69-76
• 4.3.1 重心的Z向位置变化对耦合固有频率的影响分析69-72
• 4.3.2 重心的Z向位置变化对耦合度的影响分析72-73
• 4.3.3 地面平动干扰下的隔振平台响应分析73-76
• 4.4 基于洛伦兹力致动器的隔振平台主动解耦技术76-84
• 4.4.1 主动解耦控制对耦合固有频率和耦合度的影响分析78-80
• 4.4.2 绝对位移和绝对速度反馈控制的系统传递率分析80-82
• 4.4.3 相对位移和相对速度反馈控制的系统传递率分析82-84
• 4.5 本章小结84-85
• 第5章 基于主动隔微振技术的隔振平台实验研究85-109
• 5.1 引言85
• 5.2 大型气浮隔振平台控制系统设计85-94
• 5.2.1 气动系统设计及刚度特性分析87-89
• 5.2.2 被动控制系统设计89-91
• 5.2.3 主动控制系统设计91-94
• 5.3 实验研究94-107
• 5.3.1 隔振效果的评价标准95-96
• 5.3.2 主动解耦技术实验研究96-99
• 5.3.3 主动负刚度隔振技术实验研究99-101
• 5.3.4 主动阻尼隔振技术实验研究101-103
• 5.3.5 环境随机振动激励响应实验103-107
• 5.4 本章小结107-109
• 结论109-112
• 参考文献112-121
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果121-123
• 致谢123-124
• 个人简历124

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：553283