基于主動負(fù)剛度原理的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振技術(shù).pdf

1、大型空氣彈簧隔微振平臺是大型超精密儀器及裝備領(lǐng)域必不可少的核心裝備，為了更好的隔離環(huán)境中的微振動干擾，需要隔振平臺能夠同時兼顧低固有頻率與大阻尼比。目前最常見的解決方法是降低系統(tǒng)剛度并附加阻尼裝置。由于地面脈動干擾的振動頻率通常與空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率接近，且常用的被動阻尼裝置在地面脈動的微振動干擾下產(chǎn)生的阻尼力十分有限，使得被動隔振方法并不適用于隔離地面脈動干擾。因此如何在大承載、微振動干擾條件下進(jìn)一步降低系統(tǒng)固有頻率、提高系統(tǒng)阻

2、尼比，成為大型精密儀器系統(tǒng)隔微振領(lǐng)域的前沿性課題。
　　本論文針對以上問題，提出了一種基于洛倫茲力致動器主動負(fù)剛度的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法，并將基于該控制方法的主動負(fù)剛度隔振裝置與空氣彈簧并聯(lián)來進(jìn)一步降低系統(tǒng)固有頻率。另外，提出了一種基于洛倫茲力致動器主動阻尼的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的阻尼特性。論文在上述方面進(jìn)行了深入的理論和實驗研究，主要內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.為解決大型空氣彈簧隔振平臺在

3、被動控制下難以進(jìn)一步降低固有頻率的問題，提出了一種基于洛倫茲力致動器主動負(fù)剛度的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法。首先通過分析負(fù)剛度彈性元件的力與位移特性，基于洛倫茲力原理，提出了能夠使洛倫茲力致動器產(chǎn)生等效負(fù)剛度的主動控制方法；然后分析了彈性系統(tǒng)中剛度與穩(wěn)定性的關(guān)系，明確了各獨立自由度中總剛度必須大于零；最后建立了基于主動負(fù)剛度控制的洛倫茲力致動器與空氣彈簧并聯(lián)的正、負(fù)剛度并聯(lián)隔振系統(tǒng)模型，通過對該模型的振動傳遞率進(jìn)行建模仿真，表明該方

4、法能夠有效降低系統(tǒng)的固有頻率，擴(kuò)大振動衰減頻帶。
　　2.為解決被動阻尼裝置在微振動干擾下無法產(chǎn)生足夠阻尼力的問題，提出了一種基于洛倫茲力致動器主動阻尼的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法。首先通過控制洛倫茲力致動器的輸出力與負(fù)載速度成反比，使洛倫茲力致動器能夠等效為主動阻尼裝置；然后在分析了空氣彈簧隔振系統(tǒng)的被動阻尼特性的基礎(chǔ)上，建立了基于主動阻尼控制方法的主、被動阻尼隔振系統(tǒng)模型，并對該模型的振動傳遞率和阻尼比進(jìn)行了仿真，驗證了該

5、方法能有效提高隔振系統(tǒng)的阻尼比；最后基于線性二次型最優(yōu)控制方法對洛倫茲力致動器的主動控制輸出力進(jìn)行了優(yōu)化。
　　3.主動負(fù)剛度控制方法和主動阻尼控制方法是建立在單自由度隔振系統(tǒng)上的主動控制方法，無法直接應(yīng)用在含有振動耦合的多自由度隔振系統(tǒng)上，針對這一問題，首先建立了隔振平臺的六自由度振動模型并進(jìn)行簡化，對該模型的耦合固有頻率和耦合度等進(jìn)行了推導(dǎo)和仿真，然后建立了基于洛倫茲力致動器的主動解耦控制模型并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明主動解耦控制

6、方法能夠有效降低耦合自由度間的耦合度，從而為主動負(fù)剛度控制方法和主動阻尼控制方法在大型氣浮隔振平臺各自由度上的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
　　4.對本文提出的主動控制方法和仿真結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證。在大型氣浮隔振平臺上，分別在主動負(fù)剛度控制方法和主動阻尼控制方法下對隔振平臺進(jìn)行了沖擊響應(yīng)實驗，實驗結(jié)果表明，隔振平臺短軸向、長軸向和垂向的固有頻率分別從被動控制時的0.53Hz、0.50Hz和0.66Hz，降為主動負(fù)剛度控制時的0.47Hz、0.

7、47Hz和0.59Hz，表明主動負(fù)剛度控制方法能夠有效降低系統(tǒng)固有頻率；隔振平臺短軸向、長軸向和垂向的阻尼比從被動控制時的13.76％、14.32%和14.10%，分別提高到主動阻尼控制時的14.38%、15.74%和15.50%，表明主動阻尼控制方法能夠有效提高系統(tǒng)阻尼比。最后在主動負(fù)剛度控制方法和主動阻尼控制方法的聯(lián)合控制下，對隔振平臺進(jìn)行了環(huán)境隨機振動激勵響應(yīng)實驗，實驗結(jié)果表明，隔振平臺短軸向、長軸向和垂向的時域速度有效值分別從被