六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此,基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后,采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型,包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数,采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统,并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型,为后续的控制奠定了良好的基础。

基于压电陶瓷的并联六自由度平台的位姿控制模型与验证

针对传统电机驱动的小型Stewart平台无法达到纳米级定位的问题,设计了一种基于压电陶瓷的并联六自由度平台。该平台采用球副连接、对称分布及单层结构的设计,起到提升小型Stewart平台的定位精度的目的。通过分析并联六自由度平台定位原理,构建了6个自由度的位姿控制模型。通过仿真软件进行有限元分析,同时,在实体样机上进行实验分析,验证位姿控制模型的正确性。分析结果显示:并联六自由度平台沿X、Y和Z方向的行程均为-13.48~13.99μm,沿U、V方向的行程均为-616.59~639.17μrad,沿W方向的行程为-406.02~391.68μrad。目标位移与实验结果的最大误差为3.71%,验证了位姿控制模型的正确性。

六自由度主被动一体隔振平台的动力学实验建模

实验建模是摸清物理现象本质的一种有效手段,而针对六自由度主被动一体隔振平台,它的实验建模是实现隔振的主动控制的前提,也是能否达到满意控制效果的关键。通过对物理空间到传感器坐标空间变换的推导,给出了传感器在布置上应该满足的条件。结合六自由度主被动一体隔振平台的先验理论知识,从测试所得信号出发,利用最小二乘估计的递推算法建立起了作动器到传感器的动力学模型,为隔振平台的振动主动控制打下了基础。

六自由度微动隔振平台的物理参数辨识

针对六自由度隔振平台的物理参数辨识问题,根据支撑空气弹簧力学特性简化后六自由度间的耦合关系,并考虑到测试隔振系统的传递函数时需要用到待辨识的平台垂向重心位置参数,提出一种基于单点激励法的频响函数分组测试、垂向重心位置迭代辨识和各子系统物理参数分别辨识的方法,有效地解决垂向重心位置未知的平台物理参数辨识问题。在此基础上分析各子系统激励自由度的选择依据,并通过实验辨识隔振平台系统的物理参数。

一种六自由度准零刚度隔振平台

针对多向低频隔振难题,提出了一种六自由度准零刚度隔振平台。设计了一种含凸轮-滚珠-簧片梁负刚度机构的压杆,通过静力学分析和参数设计实现了准零刚度特性。基于准零刚度压杆构造了六自由度隔振平台,并分析了其静力学特性,结果表明,隔振平台在六个自由度上均具有准零刚度特性。建立了隔振平台的动力学模型,分析了各方向上的力传递率,评估了平台的隔振性能,并讨论了压杆倾角对隔振性能的影响。结果表明,准零刚度平台在各方向上的隔振性能明显优于相应的线性隔振平台,实现了六自由度低频隔振。

并联六自由度主动减振平台解耦控制策略研究

并联六自由度主动减振平台可有效隔离外界低频微振动对加速器BPM及光束线站等精密设备的影响,由于并联六自由度主动减振平台具有很强的耦合特性,需对平台的耦合特性进行分析研究。本文以压电陶瓷驱动器构建并联六自由度主动减振平台,在平台运动学的基础上,采用Newton-Euler法建立了平台的动力学模型。分析了平台各通道间的耦合特性,设计了一种通用的平台解耦控制策略。搭建了实验验证平台,开展次级通道参数测量与减振实验研究。实验结果表明,设计的多通道解耦控制策略是有效的,平台对低频微振动有良好的减振效果。

基于SimMechanics的六自由度隔振系统的仿真模型

精密仪器设备的使用需考虑六自由度隔振问题,从研究弹性支撑方式下的六自由度振动方程出发,推导出了四点正交弹性支撑与四点径向斜交弹性支撑情况下的固有频率计算公式;利用Matlab/SimMechanics建立起了弹性支撑动力学仿真模型,在Simulink仿真环境下进行了模态仿真测试,仿真结果与理论推导所得的固有频率、模态吻合。

六自由度压电微动平台测量系统开发

针对精密机械以及精密加工等领域需要纳米级的定位精度,开发出由三组二自由度高精度测量模组组成的六自由度压电微动平台。该平台通过NI软硬设备的有效整合,改变压电制动器移动量,调整微动平台六自由度实现定位。通过三组二自由度测量模组输出的二维光点坐标,测量六轴微动平台位移参数。同时对各模组的安装误差采用正角度补偿和雷射角度补偿,以满足平台高精度需求。经过综合测试表明,系统线性解析度达到10nm,角度解析度为0.1arcsec,系统位移跳动量0.022μm,角度跳动量为0.06 arcsec,能达到即时精确定位。

基于压电致动器的微动隔振平台系统

为实现微仪器隔振平台的自适应控制,对第三代压电致动器顶杆部件进行了改进,并将其直接应用于微隔振系统,隔振效果不是很理想。为此,对致动器进行了系统在线建模,从理论上分析了导致结果不理想的原因,给出了一种改进方法,通过理论建模分析和试验研究,结果表明:该方法虽然降低了致动器位移增益,但具有较好的隔振效果。

六自由度微位移定位平台的设计与试验

压电叠堆与柔性机构构成了微位移的基本形式,其行程与精度、输出力的矛盾需要结合应用要求对结构进行综合设计。针对所构建的超精密加工工具对六自由度微位移的需求,提出了一种以压电叠堆作为驱动元件,以柔性铰链和楔形机构作为传动机构的空间六自由度微位移定位平台。由于压电叠堆需要一定的预紧力才能发挥其微位移精度和输出力的优势,通过静力分析,得出了微位移平台各个自由度驱动力和位移输出关系的表达式及刚度表达式,对结构进行了优化。试验表明,各自由度的行程与分辨率如下:x,y,z方向的最大位移分别为7.48,8.33和4.14μm,分辨率为0.01μm;沿θx,θy,θz方向的最大旋转角度均为0.13°,分辨率为0.01°,满足所构建的超精密加工工具定位的精度要求。试验获得了微位移定位平台的激励电压与各自由度位移输出曲线,为平台的运动、定位控制提供了依据,也为柔性铰链机构和楔形机构在其他结构中的应用提供了理论依据和试验基础。

微隔振平台的压电致动器设计

为实现微隔振平台的自适应控制,选择具有驱动和传感功能的压电陶瓷材料,在对单片压电陶瓷进行分析的基础上建立压电堆动态模型,设计了一种驱动器。该致动器不仅具有驱动与传感功能,而且具有简单、易加工等特点。通过试验研究,对压电致动器的预压进行标定,并选择合适的预压弹簧,完成对致动器的成品化。结果表明:该压电致动器的位移量大、重复性好,适用于微隔振平台的控制。

基于压电陶瓷驱动的六自由度空间光学拼接系统

由于加工工艺的限制,大口径空间光学系统通常由多个子镜拼接而成。为了保证系统的成像质量,每个子镜都需要在毫米级范围内实现微米级精度的运动调节。提出了一种串并混联的、由压电陶瓷(PZT)驱动的六轴高精度定位系统。与常见的Steward平台相比,该方案具有结构紧凑、运动学简单等特点。为了同时实现大行程和高分辨率,采用桥式放大器对PZT行程进行放大,采用柔性铰链消除运动过程中的摩擦和间隙,分析了放大器在两种外部负载下的性能,并根据实际应用情况对放大器进行了设计。此外,还发现了在执行机构的输出端必须使用位移传感器,以消除柔性机构中常见的输入耦合现象。设计的可行性通过有限元分析和实验研究进行了验证。

用于微隔振平台的压电致动器设计与研究

为实现微隔振平台的自适应控制,选择具有驱动和传感功能的压电陶瓷设计了一种驱动器。从其本构关系出发,对单片压电陶瓷进行了分析,在此基础上建立了压电堆动态模型。设计出的压电致动器,不仅具有驱动与传感功能,而且具有简单、易加工等特点,然后通过试验研究,对压电致动器的预压进行了标定,并选择了合适的预压弹簧,完成了对致动器的成品化。最后对压电致动器的迟滞、线性、重复性进行了初步研究,为微隔振平台的控制打下了基础。

基于新型压电致动器的微隔振平台系统

为实现微隔振平台的自适应控制,设计了具有驱动和传感功能的第三代压电致动器,针对其直接应用于微隔振系统隔振效果不是很理想的现状,从理论上分析了导致结果不理想的原因,提出一种改进方法,通过理论建模分析和试验研究,结果表明:该方法虽然降低了致动器位移增益,但具有较好的隔振效果。

一种全金属六自由度隔振平台的研究

某航空器的高精度测量器件对振动非常敏感,其隔振系统可在高真空、极端温度环境下实现多自由度的隔振。文中提出了一种全金属六自由度隔振平台,该平台利用一种筏式金属橡胶阻尼器作为Steward机构的滑动副,实现了全金属的六自由度隔振性能。研究者采用动态增量非线性分析系统计算了这种隔振系统的随机振动响应特性,仿真结果验证了其原理的正确性。研发了原型机并测试了其性能指标,测试结果表明:在40~2000 Hz的宽频域内,该原型机能够有效衰减X、Y、Z三轴向的随机振动能量,各轴向随机振动的总均方根加速度由2.2 g衰减到1 g以下,该原型机也可衰减三个轴向的角振动能量。研究成果可解决目前多自由度隔振系统对极端环境适应性差的技术难题,成果可直接应用于特殊环境下的隔振技术领域。

基于压电堆与橡胶的主被动一体化隔振器研究

针对临近空间飞行器敏感设备的隔振要求,结合主动振动控制与被动控制方法,提出一种新型压电堆橡胶主被动一体化组合隔振器。对压电堆作动器和橡胶隔振器进行结构设计,建立主被动一体化隔振系统的动力学模型。采用前馈反馈复合控制对二级隔振系统进行主动控制算法设计,基于经典Stewart隔振平台,设计一种新型临近空间飞行器主被动一体化隔振平台。采用Matlab/Simulink联合仿真技术对各种激励信号进行数值仿真分析。仿真结果显示,所设计的隔振器在全频段能够有效隔离源自基础的位移激励,这表明所设计的隔振平台在理论上是有效和可行的,为进一步的实验研究奠定了基础。

基于Stewart平台的空间光学仪器主动隔振系统研究

随着空间光学仪器的精度不断提高,对航天器产生的振动干扰变得更加敏感,必须对其进行振动控制。以压电陶瓷杆作为激励器,采用立方Stewart平台的结构形式对六自由度主动隔振系统进行研究,分别以被动、单层主动和双层复合反馈控制分别对单杆建立动力学模型,并且对六自由度系统进行系统级建模分析。分析结果表明,采用双层前馈和反馈复合控制的策略系统隔振性能较好,有效隔振频段范围更大。

一种单自由度低频隔振器的设计与仿真

本文针对直升机中精密仪器设备及驾驶舱中存在的低频振动问题,基于折叠梁结构和压电纤维作动器设计出一种单自由度低频主动隔振平台,利用有限元理论推导出该主动隔振平台的主动控制方程,并通过ANSYS软件进行了验证,最后利用模糊PID高级控制算法对该隔振器的隔振性能进行仿真研究。仿真结果表明该主动隔振器在不同激励载荷下都具有较好的隔振效果。文中设计的隔振器在低频振动环境中具有较好的隔振效果且易于加工等优点,将会在直升机低频隔振领域中具有较大的应用价值和发展前景。

精密隔振平台主动阻尼系统的低频微振动测量研究

阐述了精密气垫式隔振平台的主动阻尼关键技术之一的低频微振动测量问题,着重分析了压电传感器在低频、微幅振动测量的条件下的电荷变换单元的电路参数,并介绍了实际研究结果及其在上述主动阻尼系统中的使用效果。

压电堆作动器微振动控制平台控制效果评估与控制力效率分析

微振动控制平台可安装在楼层上来消减源自地面的振动,在振动控制实验中,地面的激励无法复现,使用实验中测得的地面激励,计算隔振平台与楼层固连情况下的响应,用计算和实测平台响应的速度谱评价振动控制效果;根据实测的结构响应和压电堆作动器的力平衡方程计算作动器的实际输出力,与实测数据的对比表明,所用方法可较好地模拟作动器输出力;对比作动器输出的有效控制力和产生的电场力,讨论作动器控制力的效率。