基于多传感器频带融合的主动隔振算法研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sbt200905
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在尖端科学实验以及超精密加工制造领域,环境微振动是影响实验精度、加工制造精度的关键因素,环境微振动幅值小、频带宽、多为随机信号的特点为环境微振动的有效隔离带来了挑战。主动隔振技术是实现环境微振动隔离的有效手段,其在被动式隔振装置的基础上引入了传感器、执行器,通过传感器采集振动信息,利用执行器出力削弱负载的残余振动,进一步提升隔振效果。对于主动隔振系统而言,如何利用各振动传感器的信号,构建高效的主动隔振算法,是进一步扩展主动隔振系统隔振频带,降低隔振系统振动传递率的有效途径。本文针对主动隔振系统中制约隔振性能提升的传感器噪声展开了研究,本文主要研究内容如下:首先,针对主动隔振系统反馈控制回路中,单一传感器难以获取全频段且低噪声负载振动信息的问题,根据位移传感器与速度传感器自噪声谱分布的差异,提出了基于频带拼接的多传感器融合反馈控制方法。对多种形式的直接反馈控制方法进行了理论分析,为多传感器融合反馈控制方法提供理论基础;在传感器噪声获取部分,利用三传感器互相关法获取位移传感器、速度传感器的自噪声谱;根据两传感器的自噪声谱分布特性,设计互补滤波器,对两传感器信号进行频带拼接;通过仿真验证了基于频带拼接的多传感器融合反馈控制方法的有效性。然后,针对主动隔振系统难以兼顾地面振动抑制以及减小传感器噪声扰动的问题,提出基于多传感器融合的H∞控制算法。首先对主动隔振系统进行动力学建模与分析,建立传统控制模型;将传统控制模型向H∞控制模型转化,得到主动隔振系统的广义被控对象矩阵,建立主动隔振系统的H∞控制模型;根据隔振系统各项扰动分布特性以及隔振性能的需求,完成权函数设计,进一步采用riccati方程法完成H∞控制器的求解,得到控制器结果;通过频域以及时域仿真验证了基于多传感器融合的H∞控制算法的有效性。最后,为验证本文所提出的两种控制方法的有效性,搭建了精密主动隔微振实验系统,开展了控制方法验证实验。实验结果表明,基于频带拼接的多传感器融合反馈控制方法虽然增大了隔振系统的固有频率,但是提供了一定程度的低频振动衰减,三个轴向低频振动传递率约为:x轴向-5.2d B,y轴向-4.5d B,z轴向-6.5d B,达到预期低频隔振效果,验证了该方法的有效性。基于多传感器融合的H∞控制方法提供了低频段以及固有频率附近的振动衰减。三个轴向低频振动传递率约为:x轴向-5.1d B,y轴向-7.8d B,z轴向-4.8d B,与预期的低频振动传递率-6d B较为相近。三个轴向固有频率处振动传递率为:x轴向-5.5d B,y轴向-9.1d B,z轴向1.1d B,仅z轴向结果与预期的-6.5d B有所差异,考虑是系统建模环节存在误差导致效果有所差异。x、y轴向的负载残余振动速度达到VC-G标准,z轴向的负载残余振动速度达到VC-F标准,验证了该主动隔振方法的有效性。
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