隔振平台的自适应主动隔振控制——滤波—XLMS算法的应用研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.77MB 69 页 15积分

中文摘要

ABSTRACT

第1章绪论 .......................................................................................................................................... 1

1.1 课题的来源 ............................................................................................................................. 1

1.2 主动隔振控制产生背景、发展及应用研究 .........................................................................2

1.3 平台主动隔振控制的应用、现有技术及发展方向 ............................................................ 5

1.4 本论文研究目的、意义及方法 .............................................................................................6

第2章振动平台建模和动力学分析 ..................................................................................................7

2.1 平台隔振三自由系统力学示意图 .........................................................................................7

2.2 平台隔振三自由度系统动力学分析 .....................................................................................7

2.3 平台的（角）位移、（角）速度、（角）加速度测量 ........................................................ 9

2.4 平台三自由度隔振系统数学模型 .......................................................................................12

2.5 本章小结 ..............................................................................................................................12

第3章隔振技术理论基础 ................................................................................................................14

3.1 引言 ...................................................................................................................................... 14

3.2 被动隔振 ..............................................................................................................................14

3.2.1 单级被动隔振系统 ....................................................................................................14

3.2.2 两级被动隔振系统 ....................................................................................................17

3.3 主动隔振 ..............................................................................................................................20

3.3.1 主动隔振系统 ............................................................................................................20

3.4 本章小结 ..............................................................................................................................22

第4章X－LMS 自适应算法理论及在平台隔振中应用和仿真 ................................................... 23

4.1 控制策略的设计 ...................................................................................................................23

4.2 系统辨识及实现 ...................................................................................................................26

4.2.1 系统辨识问题的阐述及分类 ....................................................................................26

4.2.2 参数估计方法 ............................................................................................................28

4.2.3 最小二乘理论 ............................................................................................................28

4.2.4 惯序最小二乘估计 ....................................................................................................30

4.2.5 用最小二乘辨识隔振平台线性参数模型 ............................................................... 33

4.3 LMS 自适应滤波器原理 .......................................................................................................40

4.4 自适应逆控制原理 ...............................................................................................................44

4.5 X-LMS 自适应算法 .............................................................................................................. 45

4.6 X-LMS 自适应算法在隔振主动控制中的应用 ..................................................................47

4.7 X-LMS 自适应滤波控制算法仿真 ...................................................................................... 49

4.8 本章小结 ..............................................................................................................................54

第5章平台主动隔振系统设计 ........................................................................................................55

5.1 引言 ...................................................................................................................................... 55

5.2 TMS320LF240x 系列 DSP 控制器 ...................................................................................... 55

5.2.1 基于控制领域的应用 ................................................................................................55

5.2.2 提高开发效率 ............................................................................................................55

5.2.3 TMS320LF240x 系列 DSP 的特点和资源 ............................................................... 56

5.3 平台主动隔振硬件设计 .......................................................................................................57

5.3.1 TMS320LF2407 外围电路 .........................................................................................58

5.3.2 传感器 ........................................................................................................................58

5.3.3 信号调理电路 ............................................................................................................61

5.3.4 D/A 转换模块 .............................................................................................................62

5.3.5 功率放大 ....................................................................................................................62

5.3.6 作动器 ........................................................................................................................63

5.3.7 电源设计 ....................................................................................................................63

5.4 主动隔振控制器的软件设计概要 .......................................................................................64

5.5 本章小结 ..............................................................................................................................64

第6章结论 ........................................................................................................................................ 66

参考文献 ............................................................................................................................................ 67

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 ......................................................................................68

致谢 ................................................................................................................................................ 69

第1章绪论

1.1 课题的来源

振动无所不在。路过的卡车，电梯，人们的活动，附近电机设备都存在振动，

某些振动给人们的生产和研究带来了某些负面的影响。计算机和 IT 业的迅猛发

展，对半导体加工制造业的发展提供了前所未有的契机。随着半导体材料加工精

度与产量的提高，必然要求其加工设备有高精度的隔振环境。上述特殊的精密仪

器和设备允许基础振动振幅为微米级，而且要求隔离的频率范围较宽，尤其是对

于低频振动信号的隔离，采用传统的被动隔振技术是无法实现的，只能采用主动

隔振技术加以实现，去降低振动幅度或者改变系统固有频率来改善系统性能，主

动隔振平台就是应用于那些需要较高稳定性的场合的设备。主动隔振技术需要性

能优异的传感器和作动器。一方面，要求传感器低频特性良好、性能价格比高;

另一方面，作动器应能够满足半导体加工制造业等特殊的隔振环境，具有无油液

污染、体积小、承载能力强、响应速度快等特点，而且要求性能价格比高、实用

性强。

传统的被动隔振尽管在高于 4Hz 的频率可以将地面信号以 40dB 衰减，或者说

在频率段更高的（>30Hz）信号其衰减幅度更大，具有效果较好，但在 1.4 – 4Hz

之间的信号或者更低的频率信号却因为处于台面和气隔的固有频率而使地面振幅

放大 3 倍甚至更多。所以我们开始考虑如何让低频段的信号也满足技术要求进行

振动衰减，使加工研究满足必要的指标，从而提高精度。现在我们采用主动控制

方式去设计减振系统。所谓主动隔振就是在被动隔振的基础上，并联能产生满足

一定要求的作动器，或者用作动器代替被动隔振装置的部分或全部元件，通过适

当控制作动器的运动，达到减振的目的。它特别适用于超低频隔振和高精度隔振。

电动主动隔振的特点包括：一.在被动隔振条件下，同时应用主动隔振；二.

主动隔振可进一步降低谐振峰频率，提高ζ，提高隔振平台的性能；三.主动控制

的控制算法灵活，能适应不同的要求。本研究课题的内容是将采用在噪声消除应

用较广的基于自适应滤波的前馈控制技术，以抵消外扰动引起的受控对象振动响

应为出发点，减少振动幅度，提高系统性能。

主动隔振控制的研究及产品的出现，有利于创造更稳定的实验生产环境，利

于现代生产加工精度的提高。随着研究深入以及不断的探索，主动隔振控制将在

各个领域得到更广泛的应用，包括汽车等行业。

隔振平台的自适应主动隔振控制—滤波-XLMS 算法的应用研究

1.2 主动隔振控制产生背景、发展及应用研究

主动隔振是目前世界上最先进、性能高于气囊被动隔振技术一个级别的隔振

技术。随着科学技术的发展，隔振平台的应用已从传统的天平微重计量，光干涉，

光全息领域向固体材料，微电子和生物医药、航空、航天等高新技术领域延伸。

因此对平台的隔振性能提出了更高的要求。

主动隔振采用主动系统来降低物体或结构之间的振动传递，更广一点的定义

也可以包括采用主动吸振器来减小机器或结构的振动。在本文的分析中，假定激

励源为常力（或有无穷大阻抗），也就是说，假定激励力与结构无关并且如果结构

的动态特性改变，激励不会产生显著变化。尽管这种理想状态在实际中并不常见，

但常力假设简化了理论分析，而且获得的结果和许多实际情况相符合。

主动隔振系统通常比相应的被动系统复杂、昂贵。被动系统由弹簧（钢或橡

胶）和阻尼器结构(如图 1.1(a))，并且已经用了许多年。因此人们非常想知道到底

主动系统有何优点，其昂贵的价格和复杂性是否实用。当然，主动隔振系统的主

要优点是被支承设备有更好的静态稳定性和动态性能，尤其在低频，主动系统在

许多情况下是唯一可行的选择。主动系统也可用来使柔性支承结构在离隔振器连

接点一定距离的临界点处的振动最小，在某些应用中，这是一个明显的优点。主

动系统还有不需要外部干预而适应机器工作条件改变的能力。主动系统的另一重

要的优点是不但能耗散能量而且还能提供能量，尽管该系统相应的最大缺点除价

格和复杂性增加外，还需要外部能量源，而且在许多情况下需要大量的传感器和

作动器，由此带来可靠性问题。

主动隔振系统已经用于光学系统来隔离支承结构的振动；用于车厢来隔离由

于地面不平而引起轮胎振动；用于太空望远镜来隔离驱动设备的振动；用于车辆

来隔离发动机产生的振动；用于直升机机舱来隔离转子和齿轮箱振动；用于地面

来隔离重型机械的振动等。于是，在某些情况下，需要隔离某一设备的振动传递

给支承结构，而在另外的一些情况下需要隔离由振动的支承结构传递到设备的振

动，后者通常称之为支承运动。

有时，主动系统与被动隔振器并联或串联应用，这样的系统常称为半主动系

统。半主动系统有两种主要的形式，第一种经常应用于豪华车辆的悬挂系统，通

常是通过改变液压阻尼器的溢流孔大小来控制系统的阻尼(图1.1(b)所示为单自由

度系统的应用)。半主动系统的第二种类型采用由控制系统驱动的力作动器。如图

1.1 所示，共有四种途径来实施这个类型的控制。从图中可以看出，控制力可和被

动元件串联或并联。控制力即可以作用于振动体，也可以作用于支承结构，图中

每一种半主动系统都需要控制系统来驱动，但为了清晰起见，在图中忽略了控制

系统。

第1章绪论

弹簧阻尼可变阻尼

力作动器

（a）（b）（c）

惯性质量

力作动器

惯性质量

弹簧阻尼中间质量

力作动器

（d）（e）（f）

力作动器

弹簧阻尼

（g）

图1.1 被动和半主动隔振系统（a）常规的弹簧、阻尼器被动系统；（b）

可变阻尼器的半主动系统；（c）控制力作用于振动体和支承结构的半主动系

统；（d）控制力仅作用于振动体的半主动系统；（e）控制力仅作用于需隔振

结构的半主动系统；（f）力作动器和被动元件串联的半主动系统；（g）半主动

吸振器

图1.1 中所描述的每一种系统都有相应的优缺点。可变阻尼器系统（图(b)）

的优点是结构相对简单，所需费用低，在某些情况下，它的性能可与具有作动器

的系统相比拟，但在许多情况下，这种系统的性能不够好。图（c）系统低频性能

振动体

惯性质量

隔振平台的自适应主动隔振控制—滤波-XLMS 算法的应用研究

改善所带来的效果，有时会被高频性能的降低所抵消，这是由于力作动器的带宽

有限，高频信号可以通过力作动器传递，从而降低系统的高频性能，采用液压作

动器时尤为显著。在实际应用中，低频性能也经常受到限制即要求力作动器具有

大位移，因此该作动器通常不便采用磁致伸缩和压电陶瓷材料，而采用气动、液

压或电磁作动器，随之而来的是重要问题，气动或液压驱动还有流体供应不方便

的问题。当力作动器作用于振动体或作用于支承结构时，由于系统最差的情况等

效于一被动系统，因此，高频性能的损失便不再是一个问题。但是，大的设备隔

振，需要配备巨大的惯性质量的作动器来提供所需的控制力，在某些情况下，这

是不可行的。但如果期望控制的频率范围限制在很低的频率下或非常窄的带宽内，

所需的驱动力就会显著的减小（Tanaka and Kikushima,1998），在许多情况下，以

这样应用为最佳，这是因为实际应用的力作动器具有相对高的力性能和较低的位

移能力。

图1.1（f）的机构即使采用有限带宽的力作动器也不会产生高频性能损失，

但是力作动器必须要大到能支承整个振动设备和被动悬挂系统。这种结构的最大

优点是主动系统和支承结构的动态特性隔离，如果支承结构是非刚性的，从控制

系统稳定性的角度看，这是一个很大的优点。

如果要限制特定设备或结构的单频振动，可安装主动吸振器（图 1.1(g)）。主

动吸振器和传统被动吸振器相比的优点是可以调节主动吸振器以跟踪由于设备速

度变化引起的激励频率的改变。

全主动系统不包括被动元件，通常有图 1.2 所示的两种实现方法。

惯性质量

（a）（b）

图1.2 主动隔振：（a）力作动器仅作用于振动设备支承架；（b）作动器位于振动

设备和支承结构之间并支承设备的全部重量

图1.2 所示的两种配置结构可用来降低从机器设备到支承结构的振动传递，也

可用来减小支承结构到固定在它上面的设备（例如显微镜和望远镜等光学设备）

的振动传递。本文讨论的主要内容是属于后者。

图1.2（a）所示系统的优点是设备可被刚性支承，没有被移动的危险，并且

力作动器

设备支承腿

力作动器

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