（控制理论与控制工程专业论文）微制造平台隔振控制理论及应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 本学位论文结合国家自然科学基金项目“精密装置仿生隔振系统理论及基础技术研 究”( n o 5 0 0 7 5 0 7 8 ) ，从理论分析和实验研究两方面，对s m r 模型的功率传递特性、微制 造隔振平台控制理论和主动振动控制技术进行了深入、系统的研究。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，微机电系统( m e m s ) 技术是一个迅速发展的新兴的科学技术 领域。微机电系统研究的涉及微机械学、微电子学、微光学、流体力学、自动控制、物理、 化学、生物学以及材料科学等学科，是一个多学科交叉的、高技术的边缘学科，越来越被 世人所重视。微机电系统一般是由若干毫米级、微米级甚至纳米级的光、机、电器件组成 的。因此，对于这些微机电系统器件的制造技术提出了很高的要求，在制造、测量这些微 小器件时，需要一个非常稳定的精密的操作平台，包括深入研究并解决微制造平台隔振控 制理论和基础技术。 本论文在分析大量国内外相关方面的论文，基于s m r 模型的功率流传递分析方法t 对 微制造隔振平台控制系统进行了仿真研究。仿真研究表明：该方法可以降低微制造平台的 设计复杂度，且保证微制造平台的较好的隔振性能。同时，研究表明：主、被动控制技术 相结合的控制系统的性能比只有主动控制或者只有被动控制的控制系统要好。 综合了s m r 模型的的功率流传递特性研究和啄木鸟头部的隔振机理和生理结构的研 究，再结合仿生学的原理设计了微制造隔振平台。作者建立了相关的数学模型及动力学方 程。 作者利用m a t l a b 对隔振控制算法进行了仿真研究，比较了无隔振控制、被动隔振控 制和主动隔振控制方法之间的差剐。实验研究表明主动隔振控告4 在低频阶段相对其他方法 有明显的效果，与本文理论分析基本吻合。 关键字：微制造隔振平台仿生学s m r 主动隔振控制 p l 塑堑奎堂堡圭堂些丝苎 a b s t r a c t t 1 1 i st b e s i si s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a in a m r a ia n ds c i e n c ef o u n d a t i o nt h en u m b e ro ft h ef u n di s n o5 0 0 7 5 0 7 8t i f f sp r o j e c tn m n ei s “b a s i ct e c h n i q u er e s e a r c ha n dv i b r a t i o ni s o l a t i o nt h e o r yw i t hb i o n i c m e c h a n i s mf o rd e v i c e so f h i g hp r e c i s i o n ”t h i st h e s i si sm a i n l yi nt w oa s p e c t s ：t h e o r e t i c a la a a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i t i s c o m p o s e do ft h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e rt r a n s m i s s i o nb a s e do nt h es m r m o d e l ，c o n t r o lt h e o r yo f v i b r a t i o ni s o t a t i o nf o rm i c r o - m a n u f a c t u r i n gp l a t f o r m m e m s t e c h n o l o g yi s an e w l yf a s td e v e l o p i n ga r e ai nt h el a s t2 0y e a r si ti s h i g h - t e c hi n t e r d i s c i p l i n a r y a n dc o v e r s m i c r o - m e c h a n i c s ，m i c r o - e l e c t r o n i c s ，m i c r o o p t i c s ，f l u i dm e c h n a n i c s ，a u t o m a t i c c o n t r 0 1 p h y s i c s ，c h e m i s t r y , v i o l o g y , a n dm a t e r i a ls c i e n c e ，e t c a n di th a sb e e na t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o na r o u n d t h ew o r l du s u a l l yt h ed i m e n s i o no f t h i ss y s t e mi so n l ys e v e r a lm i c r o n s ，e v e n j u s ts o m en a n o m e t e r s a n d i ti s u s a l l yc o m p o s e d o f o p t i c a l ，m e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i c p a a st h e r e f o r , t h e d e m a n d sf o r l n a n u f a c m r i n gs u c hm e m s d e v i c e sa r ev e r yc r i t i c a l d r u i n gt h em a n u f a c t u r i n go rm a s r u i n gs u c hd e v i c e s ， w en e e dav e r ys t a b l ew o r k i n gp l a t f o r m ，t h a ti s ，m a k i n gad e e p e rr e s e a r c ho nt h eb a s i ct e c h n o l o g ya n d c e n t r e lt h e o r yo f v i b r m i o na n di s o l a t i o nf o rt h e p l a t f o r m a f t e rr e a d i n gm a n yr e l a t e dp a p e r s ，t h i st h e s i sf i r s t l yp r e s e n t sa na n a l y s i sm e t h o do f p o w e rt r a n s m i s s i o n a n dd o e ss o m es i m u l a t i o n st h er e s u l t so ft i l es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h et h ea n a l y s i sm e t h o do fp o w e r t r a n s m i s s i o nc a nr e d u c et h ec o m p l e x i t yw h e nd e s i g n i n gt h ep l a t f o r ms t r u c t u r ea n dg u a r a n t e ea g o o d v i b r a t i o ni s o l a t i o nc a p a b i l i t yo ft h em i c r o - m m m f a t c u r i n gp l a t f o r m m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c ha l s os h o w s t h a tas y s t e mw i t ht h ea c t i v ec o n t r o lc o m b i n e dw i t hp a s s i v ec o n t r o li sb e t t e rt h a nt h o s es y s t e m sw i t ho n l y a c t i v ee l p a s s i v ec o n t r o l s y n t h e s i z i n gt h er e s u l t so ft i l e r e s e a r c ho fp o w e rt r a n s m i s s i o no fs m r m o d e l ，t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o n m e c h a n i s ma n dt h es t r u c t u r eo fa w o o d p e c k e r s h e a da n db i o n i c m e c h a n i s m ，w ed e s g n t h e m i c r o m a n u f a c t u r i n gp l a t f o r m ，t h e nw e e s t a b l i s hi t sm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dd y n a m i c e q u a t i o n s t h ea u t h o ru s e sm a t l a bt os i m u l a t ec o n t r o la l g o r i t h m sf o rv i b r a t i o ni s o l a t i o na n dc o m p a r e st h e d i f f e r e n c e so f1 1 0 一c o n t r o l ：p a s s i v ec o n t r o la n da c t i v ec o n t r 0 1 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t e ss h o wt h a ta c t i v e v i b r a t i o ni s o l a t i o nc o n t r o li sb e t t e rt h a no t h e rm e t h o d sa tt h el o wf r e q u e n c i e s a n dt h er e s u l t e sa r ev e r y c l o s et ot h et h e o r e r i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：m i c r o - m a n u f a c t u r i n gv i b r a t i o n - i s o l a t i n gp l a t f o r m b i o n i c ss m r a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o nc e n t r e l 一 塑垩茎兰堡主兰垡笙奎 一 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 随着人类文明的发展和科学技术的日新月异，人类逐步探索微观世界所必须的基本知识和物质手 段，其中近年来出现的微米纳米测量技术、各种微细加工技术，特别是微机电系统 ( m i c r o ，e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) ，就是一个例证。在此基础上，1 9 5 8 年第一块集成电路的诞 生，1 9 6 0 年硅平面工艺和外延技术的出现，1 9 8 1 年第一台扫描隧道显微镜( s t m ) 的发明，1 9 8 8 年世 暴第一台微电机的转动成功标志着微观领域中的电子技术革命和机械制造业革命的开始。之后，处理速 度惊人的大型微处理器，大容量的数据存储器，全球定位系统( g p s ) 和微型通信装置层出不穷 2 4 。 与微电子技术革命相呼应，同时伴随着精密仪器仪表、精密测量、精密加工等技术的发展，微机电系统 ( m e m s ) 应运而生，而且它正在以微观领域制造技术独有的小型、灵活、廉价、批量制造的优势而深刻 地改变着我们的生产和生活方式。早在二十世纪五十年代，诺贝尔奖获得者f e y n m a m 就已经提出微机 械的概念 2 5 。在二十世纪六十年代，出现微小器件的先驱硅微压力传感器。继而用硅加工的方法 开发出微米级的齿轮、泵、传动轮等微型器件。二十世纪八十年代，转子直径为6 0 , u r n 1 2 0 y m 的硅 微静电电机在美国加州大学伯克利分校向世，从而促进了微机电系统研究的全面开展。当人类进入新的 千年之际，数百克重的微型卫星进入了太空，标志着当代先进的微机电系统技术的又一新成果。微机电 系统技术使得人们在认识世界、改造世界方面，又进入了一个崭新的层次，它标志若人类对微观领域的 探索又迈出了新的一步，它的发展将引起一场新的工业革命，并将深刻地影响着人们的生活方式 迄今为止，国际上对微机电系统尚无明确的定义。美国人使用微型电子机械系统( m i c r o e l e c w o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 这一技术术语。a i e ) l i s 侧重于用制造集成电路的方法，加工微型元 器件，把微电子和微机械集成在一起，组成微机电系统。曰本人采用“微型机械”( m i c r o - m a c h i n e ) 一 词，来表征体积不大于i o t a 3 的微型机械。欧洲则采用微系统( m i c r o - s y s t e m s ，m s t ) 这一术语，将微 系统定义为一种智能的微小系统，它具有传感、信号处理、传动及动力机构等功能 2 4 。国际电技术委 员会m ? r p a t i 。月a l e l e o t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 则将微系统定义为：“微系统是微米量级内的设计和制 造技术。它集成了多种元件，并适于以低成本大量生产。” 微机电系统研究的领域涉及微机械学、微电子学、微光学、流体力学、自动控制、物理、化学、生 物学以及材料科学等学科，是一个多学科交叉的、高技术的新兴学科。当微型器件和系统的特征尺寸达 到微、纳米级时，许多宏观的规律就不再适用，因此，微机电系统研究提出了许多新的科学问题，从而 浙江大学硕士学位论文 也推动着科学技术的发展与进步 2 4 。微尺度效应理论、材料技术、设计技术、微制造技术、微通信技 术、微测试技术、微控制技术等，都是微系统技术研究不可或缺的组成部分 2 6 ； 2 7 。一般来说，微机 电系统必要技术大致可分为三娄：基础技术、机能装置技术和系统化技术而其中堆基本且最重要的是 基础技术，主要包括加工、材料、设计、检测、评价、装配等技术 2 s 。 由于m e m s 的微型性和精密性方面的要求，基础技术中加工、检测和装配等工作必须在一个具有 良好隔振性能的微制造隔振平台进行，否则任何微小的振动，如由说话的声音和人的走动所引起的振动 都会对其产生影响。所有这一切对环境的振动和冲击提出了更严格的要求，解决稍密设备、仪器仪表的 隔振和抗冲击问题是一项迫切的任务。例如，实现纳米加工离不羽：纳米测控技术，纳米级驱动技术又是 实现纳米级洲控的关键。纳米级微动试验台用于纳米级驱动试验，其中的纳米级微驱动装置1 作时的针 尖与样鼎间距一般小于1 r i m ，因此，任何微小的振动，都会对仪器的稳定性产生影响。许多样品特别 是金属样品，在其恒电流扫描模式中，观察到的起伏通常为o o l n m ，因此，一般由振动所引起的隧道 间距变化必须小1 二o 0 0 1 n m ：航空机载光学设备是装载在航空飞行器上拍摄地裁景物来获取地表或大 气层信息的一种精密装置，由于装载在飞行器上，飞行器的振动直接通过航空机载设备的座架固定点传 到光学系统上，影响设备的成像质量，要想获得高质量的准确信息就必须对该精密装置进行精密隔振 2 2 ；装载在军用越野车方舱里的精密电子设备，由于其所处的恶劣环境，为了保证电子设备系统能够 i e 常工作。必须进行隔振和抗冲击i 殳i , - i - 2 9 ：高精度惯性仪表的校准要求具有振动加速度控制在1 0 “g 以内的环境 4 。司以这么说，投有高精度的微制造隔振平台一切只能是纸上谈兵。 设计微制造隔振平台的精密隔振系统，需要考虑复杂的环境微振动干扰，不仅有来自地面传来的振 动，还有台而试验仪器的运动干扰以及太i 1 3 4 1 月球引潮力的干扰等。环境微振动干扰主婴包括：大地脉 动型地面振动频率主要在0 1 h z ；房屋骨架、墙壁尊地板般易在1 5 2 5 h z 产生与剪切和弯曲有关 的振动：实验室：i ：作人员走动所引起的振动频率在1 3 娩；通风管道、变压器和马达所引起的振动在 6 6 5 t z 之间建筑物本身一般在1 0 1 0 0 h z 频率之间摆动 3 0 因此，微制造隔振平台隔扳系统的 设计需要考虑| 1 勺振动频率范围为0 1 0 0 h z ，这就要求设计的隔振系统不仅对中频扰力，如机器运转、 车辆行驶、人员走动等引起的地面振动，具有良好的隔振效果，而且对低频和超低频扰力，如由空调气 流、声音等引起的作用于平台的压力，也能进行有效的隔离。 为了满足精密仪器仪表荆m e m s 等的加工、测量和使用等对振动环境的严格要求，尤其是有效地 抑制低频和超低频振动的要求，传统的被动隔振方法已经不能达到微制造隔振平台的要求和精度。从二 十世纪五十年代起，人们开始系统地研究主动振动控制l j 句理论、方法和技术。同时，新材料、自动控制 技术和计算机技术的e 跃发展以及新材料的不断出现为主动振动控制技术的更广泛的应用创造了必要 一一塑垩奎兰堡主兰堡笙茎 的条件。但是，主动隔振技术仍存在着系统复杂、造价高、稳定性和可靠性著等局限性，而不能得到广 泛应用 3 1 。因此t 有必要对微制造隔振平台的隔振技术进行研究，本论文的研究成果不仅可用于m e l k f s 的加工、检测和装配中，也可应用于精密制造、精密测量等领域中的精密装置的隔振系统设计，因此， 本课题的研究将具有广阔的应用前景，对国民经济和社会发展具有重要的意义。 1 2 微制造平台隔振系统核心技术发展现状 近几十年来，隔振技术得到了不断发展，电磁悬浮、空气弹簧、电液伺服、非线性理论等各种新技 术都陆续被应用到隔振领域，根据振动控制机理的不同，可以划分为两大类，即被动隔振技术和主动隔 振技术。 被动隔振一般采用附加子系统( 弹簧和阻尼器) 将振源与需隔振的结构或系统隔离，以减小结构或 系统的振动。它是目前国内外较为成熟的、传统的隔振技术。常采用金属螺旋弹簧、橡胶弹簧、空气弹 簧等。金属螺旋弹簧自振频率低，阻尼比低，适用于单一方向的隔振，仅在拉伸状态下工作稳定性较好， 但列于多方向隔振难以胜任：橡胶弹簧自振频率偏高，阻尼比略高些，适用于多方向冲击载荷的隔振， 且具有明显的蠕变性，隔振效果较理想：空气弹簧自振频率较低f 2 h z ) ，阻尼比也较低，适用于多 方向随机振动的隔振，且调节阻尼比、刚度较为方便，但系统较复杂，须有空气压缩机等气源。 虽然被动隔振技术具有结构简单和工作可靠等优点，但它很难有效地隔离低频和超低频振动信号， 特别是含有超低频分量的宽频带随机理激励信号，因为被动隔振装置的固有频率不能无限止地降低，因 此，被动隔振技术一般不能满足处于复合激励环境下的精密装置的隔振设计要求。 主动振动控制是指采用由致动器和控制器组成的控制系统( 通常为闭环控制) 以抑制结构或系统的 振动，它在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，具有很高的隔振精度，尤其在隔离超低频振动信号 方面，因而引起了人们的重视。主动振动控制技术有很悠久的历史，能追溯到离心摆调节蒸气机转速和 纵擒机调节钟表周期，二次大战后的军备竞赛又促使其兴起，迅速发展成跨学科的力学分支。纵观其发 展过程，可划分为重点突破、广泛探索和重点攻关3 个阶段。从2 0 世纪5 0 年代起- 主动振动控制取得 了3 项突破，即实现了机翼颤振的主动阻尼，提高了飞机航速；磁浮轴承控制离心机转子成功，创造出 分离铀同位素的新工艺；主动振动控制提供超静环境，保证惯性导航系统满足核潜艇和洲际导弹导航的 精度要求。于是，1 9 世纪5 0 - - 6 0 年代成为主动振动控制发展的重点突破阶段。上述成就迅速吸引了众 多的专家研究这项技术，于是2 0 世纪7 0 年代便成为广泛探索主动振动控制在各工程领域应用的阶段， 尤其是为满足惯性仪表校准技术的要求而开发的一系列气动和液动伺服隔振系统，如美国于1 9 7 6 年开 斯江大学硕士学位论文 始研究的用于精密隔振平台，采用气动与电磁支承并用，并采用主动控制技术，平台固有频率1 h z ，转 动角速度允许值为o 0 0 1 r a d m i n ，以转动半径o 1 计算，在平台固有频率处的加速度允许值为 3 1 0 - 9 占 2 9 ；进入8 0 年代，主动振动控制技术在几个工程领域的应用前景相当明朗，这就是用主动 振动控制技术抑制挠性航天结构振动，控制精密设备或精密产品加工甲的振动，控制高挠r 胜土木工程结 构振动，以及车辆半主动振动控制，如日本八十年代研制的用于惯性仪器校准和标定的主动隔振平台可 达到1 0 “g 的隔振效果 3 0 。 我国在该领域的研究尚处于起步阶段，现有的隔振技术和相应的防震指标已不能满足精密隔振的要 求。例如，国内精密仪器和设各的最高防振级别为5 胁以下1 8 # m 3 2 ( 相当于振动加速度约为 1 8 1 0 g ) ，这己远远超过高精度惯性仪表标定时所允许的振动水平；我国国家地震局工程力学研究 所曾利用功放模拟电路中的复台反馈网络技术实现了超低频振动台台面微振动级，但具体量级未见报 道。由此可见，我国在高精度隔振技术及有关基本理论问题研究方面和国际先进水平相比尚存在较大的 差距，这种状况严重地局限了我国精密设各系统的发展。所以从理论和方法上研究高精度主动隔振技术， 将为削于精密仪表、精密测量设备和精密加工设各的商精度隔振平台系统提供理论依据。但是，主动隔 振技术仍有很大的局限性，主要有以下几个方面原因：一是主动隔振系统需要设计套较复杂的自动控 制系统，还要有一套支持控制系统工作的能源机构，系统稳定性和可靠性差；二是主动隔振装置一般造 价过于昂贵，而不能得到广泛应用 3 1 。 1 3 隔振系统主动控制技术的研究现状评述 隔振是振动控制中研究最多、应用最广的一项振动控制技术。它是在振源与系统之间采取一定措 施，安置适当的制振、隔振器材以隔离振动的直接传递，其实质是在振源与系统之间附加一个子系统( 隔 振器) 。隔振分为被动隔振和主动隔振。被动隔振是在振源与系统之间加入弹性元件、阻尼元件甚至惯 性元件以及它们的细合所构成的子系统。主动隔振则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，或用作动器代替被动隔振装置的部分或全部元件。 被动隔振器结构简单、易于实现、经济性好、可靠性高，但控制效果和适应性较差。随着科学技 术的发展，以及人们对振动环境、对产品与结构振动特性的要求越来越高，被动隔振器在很多方面己很 难满足要求。园此，除了在被动隔振器的研究领域继鳝；探讨更为有效的隔振方案外，还应对主动隔振器 开展深入研究峨 浙旺大学硕士学位论文 1 3 1 主动隔振概述 主动隔振技术作为振动主动控制技术的一个重要分支，是发展最早也是最为成熟的一个领域，特别 是在美国，主动隔振技术取得了长足的进步。早在1 9 5 5 年美国科学家就提出了有关有源隔振技术的研 究报告。b e n d e r ( 1 9 6 8 年) 提出了车辆悬挂隔振器的设想。d k a r n o p p ( 1 9 6 5 年讶口他的学生开始把最优控 制理论应用到车辆悬挂系统中去。a b u - - a k e e l ( 】9 6 7 年) 和s c h u b e r t ( 1 9 6 9 年) 先后开始了对窀动吸振器和 电液隔振系统的研究。b r o d e rs e n ( 1 9 7 4 年) 开始把各种传感器和补偿控制回路应用于隔振系统的控制。 1 9 8 6 年美国推出的主动隔振系统e v i s 作为商品得到推广使用。a v o n ( 1 9 9 0 年) 在他所设计的电阻尼主动 振动控制系统中开始使用检波器，此检波器能够产生与被隔离质量块的绝对速度成正比的信号。 s c h u b e r t ( 1 9 9 2 年1 设计出由检波器、放大器、电动驱动器组成的隔振器，它运用电路扩展检波器的功能， 即使在低于系统共振频率时，检波器也可以测出被隔离质量块的速度。a v o n ( 1 9 9 3 年) 设计的隔振器可实 现6 个自由度的主动隔振。b e a r d ，s c h u e 驴和v o nl o t o w ( 1 9 9 4 年) 设计出刚性支撑的主动隔振器。以 s c h u b e r t 等人( 1 9 9 7 年) 把压电元件应用于主动隔振器为开端，各种智能材料开始涌入主动隔振领域，在 很大程度上促进了主动隔振技术的发展”j 。下文分析主动隔振技术在理论方面的研究进展以及若干实用 投术，并重点分析微幅振动方面的研究现状。 1 3 1 1 主动隔振理论研究的主要进展 速度反馈控制理论 该理论起源于主动振动阻尼的研究，其基本思想是利用反馈控制结构的次级产生与被控结构的 震动速度成正比的作用力，并将其作用在该结构上以改变结构的阻尼，从而改变结构的振动响应性 质。类似的，也可以使次级系统的作用力正比于结构的振动加速度或位移，以改变振动系统的等效 质量或弹性参数，实现主动隔振。 波动控制理论 该理论从波动的线性叠加与干涉效应出发，提出振动能量吸收与抵消概念，目的是要消除或隔 离振动能量从振源向某些结构的传递，降低结构的振动传递率【3 】。 浙i 二大学硕士学位论文 1 3 1 2 车辆半主动隔振和主动隔振 用弹簧和阻尼器构成的被动隔振系统早已不能满足高速车辆平顺性的要求，主动控制隔振虽好， 但需配备很重的能源装置，这不仅使车辆结构更复杂，而且降低了有效负载能力，成为广泛使用主动隔 振的障碍。 1 9 7 4 年美国加州大学戴维斯分校的k a r n o p p 开始了车辆半主动隔振的研究工作 4 。通过输入少量 控制能量调节减振器的液力阻尼，改善车辆的振动特性。目前使用的s k y h o o k 液力减振器，以及最新研 制的车用自适应减振器、压电式减振器均采用控制阻尼的方法制成。半主动隔振控制系统采用开关式控 制或分段控制策略，因而在路面随机激励作用下，车辆悬架系统具有强非线性动力特性 5 。此类非线 性系统的强迫振动问题研究很少，但它有复杂的运动规律。半主动隔振的车辆至少有4 套隔振装置，属 于多个非线性环节的多自由度动力学系统，很难解析研究，目前主要靠仿真和试验研究。为使代价昂贵 的试验取得尽可能多的结论，必须有理论指导。因此，建立合理的数学模型，进行分析研究，揭示各种 可能的现象，找出支配因素，是车辆半主动隔振研究的重要课题。其研究成果丰富了非线性动力学的内 容。 车辆主动隔振的研究始于轨道车辆的悬架振动控制【6 】。近年来，n i s s a n ( 日产) 和t o y o z i ( 丰田) 公 司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架【7 ，至今已研制出三类典型的液力主动隔振系统。由于车 辆悬架控制系统是十分复杂的非线性动力系统，因此，基于模型的线性反馈控制策略受到极大的限制。 目前应用于车辆悬架控制系统的控制方法主要有最优控制方法、自适应控制方法、基于模糊控制和神经 网络控制的智能控制方法等【8 。 车辆振动控制系统的研究和开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题。近年来，随着相关 学科和高新技术的发展，使得研究实用的半主动和主动隔振系统成为现实。半主动隔振系统的研究刚进 入实际应用阶段：主动隔振系统由于其造价昂贵，需要额外的控制用功率等原因，至今仍停留在实验室 和真车试验阶段。 1 3 1 3 微幅隔振 随着超精密加工、超精密测量技术以及航天技术的发展，微幅、超微幅振动的影响变得十分突出 尤其是亚微米以下的超精密加工，更需要超静环境作保障，因此研究微幅、超微幅的主动隔振具有十分 重要的意义。 微幅振动控制需要性能优异的传感器和致动器。目前市场上适合于微幅很动控制的传感器很少，而 p 1 0 浙江大学硕士堂位论文 且价格十分昂贵，压电陶瓷致动器应用较广，但在实际应用时需要经过精心设计；超磁滞致动器由于其 具有性能稳定、漂移小、行程大、致动力大、响应快等特点，在一些高精度位移控制系统中特别适用 9 。 另外对于微幅、超微幅振动主动控制，其理论是否与一般的振动主动控制相同，有待于进一步探诃。 文献 1 0 】以超精密车床为背景，研究其垂直方向的振动隔离。被动支撑元件为4 个空气弹簧，振动 信号由压电加速度计抬取，致动器采用电磁激振器。试验结果显示，振动绝对加速度由原来的 1 ，5 1 0 “g 降到6 0 4 1 0 g 。文献 1 1 也是以亚微米超精密车床为研究背景，采用模糊控制的方法， 有效的控制了基础振动对车床的影响。用金刚石车刀切削铝材的结果是：圆度误差由小于o 2 0 a m 降为 小于0 1 0 t m ，表面粗糙度疋由0 2 0 , u r n 降为o 1 0 卢m 。文献f 1 2 利用了压电材剁为致动器建立了一个 6 自由度的微动控制系统。 1 3 2 振动主动控制的基本方法 1 3 2 1 独立模态空间法 独立模态空间法的基本思想是利用模态坐标变换把整个结构的振动控制转化为对各阶主模态控制， 目的在于直接改变结构的特定振型和刚度。这种方法直观简便，充分利用模态分析技术的特点，但先决 条件是被控系统完全可控和可观，且必须预先知道应该控制的特定模态【1 3 】。 1 3 2 2 极点配置法 极点配置法也称特征结构配置，包括特征值配置和特征向量配置两部分。系统的特征值决定系统的 动态特性，特征向量影响系统的稳定性。根据对被控系统动态品质的要求，确定系统的特征值与特征向 量的分布，通过反馈或输出反馈来改变极点位置，从而实现规定要求 1 3 】。文献 1 4 在常规极点配置法 的基础上，提出了同时优化系统极点和传感器、致动器位置的联合优化设计方法。 1 3 2 3 自适应控制 自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分为自适应前馈控制、白 校正控制和模型参考自适应控制三类。自适应前馈控制通常假定干扰源可测：自校正控制是一种将受控 浙江大学硕士学位论文 结构参数在线辨识与受控器参数整定相结合的控制方式；而模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受 控制结构，使受控结构的输出跟踪参考模型的输出【i3 。c r f u l l e r 运用l 7 1 4 s 自适应算法实现宽待结构 振动的主动控制、在对飞机臂板的振动控制实验中获得了1 2 d b 的降噪效果【1s 。 1 3 2 4 最优控制 最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法求解振动最优控制输入的一种 设计方法。由于晟优控制规律是建立在系统理想数学模型基础之上的，而实际结构控制中往往采用降阶 模型且存在多种约束条件，因此基于最优控制规律设计的控制器作用于实际的受控结构时，大都只能实 现次最优控制 1 3 。文献h 6 将极点配置与最优控制方法相结台，提出了一种低阶控制嚣的设计方法。 1 3 2 5 鲁棒控制 虽然自适应控制可用于具有不确定性振动系统，但是白适应控制本身并不具备强的鲁棒性。鲁棒控 制设计选择线性反馈律使得闭环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。顾伸权等人提出了基 于容限性能指标的控制设计准则，研究了一种直接满足控制性能要求的结构振动鲁棒控制的常增益反馈 优化设计方法。滑模变结构控制近年来在结构振动鲁棒控制中得到了成功的应用。其实质是一种模型参 考自适应控制。“参考模型”是一条预先设计好的流形，用开关控制法迫使系统沿着这条轨迹滑动。由 于开关切换频率高，易引起系统颤振。周军等人将变结构控制与模型参考自适应控制相结合，建立了具 有极强鲁棒性的变结构模型参考自适应用于主动控制系统f 1 7 。6 0 # m 1 2 0 # m 控制是设计控制器在 保证闭环系统各回路稳定的条件下使相对于噪声干扰的输出取极小值的一种优化控制法。它将鲁棒性直 接反映在控制性能指标上，设计出的控制律具有其他方法无可比拟的稳定鲁棒性。顾家柳等人用鲁棒 h 。控制理论研究了实现转子系统振动鲁棒控制的最优对策 1 8 3 ，给出了基于系统鲁棒h 。控制器的设 计方法，并且进一步研究了控制中的时滞问题 1 9 】。 1 3 2 6 智能控制 智能控制理论的产生与发展为振动主动控制带来了新的活力。模糊控制作为智能控制的一个重要分 支，它不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观经验和直觉纳入控制系统，为解决不易或无法 p 1 2 塑垩丕兰堡主堂些堡苎 建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段。神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的 结构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络以对信息的分布式存储 和并行处理为基础，它具有自组织、自学习功能，对于非线性具有很强的逼近能力。文献2 0 把模糊控 制和f “l 经网络缩合起来，研究车辆悬架半主动振动控制系统，用模糊系统表示规则和知识，进行i 4 车 i i i 删= - 主动悬架系统振动分析，以车身垂直振动加速度和其变化率组合的评价函数最小为目标，优 化层间权重的学习算法决策控制量。 在馓幅和超微幅振动主动控制方面，近来智能控制理论运用自特别广泛。文献1 2 1 】中，层平台的 模型，采用了模糊白适应控制技术，做了相应的仿真研究，它根据系统反馈信息调节量化因子和比例因 子，同时采用既同步叉异步f 勺参数寻优方法，并利用三维模糊控制器调节比例因子，使各因子之间的耦 合达到最住。通过他们的仿真研究，与传统的p i d 控制方法相比，模糊自适应隔振器具有很好的低频 特性，而且能够消除共振峰，同时还具有很强的自适应能力，能够在各种振动条4 - i ：下保证为各种系统起 剑良好的隔振效果。类似的，在文献1 2 2 中，作者同样采t j 了具有可调增益的模糊一p i d 方法对电液悬架 进行主动振动控制，得n t 显著的隔振效果。文献 2 3 提出了基于模糊神经融合的自适应模糊分散控制 系统，以对超精密机床机型振动主动控制，该控制系统在自适应模糊逻辑的基础上融台了学习过程模糊 调整，因而同时具有模糊逻辑利神经网络的优点。试验结果表明，该控制系统有效地隔离来自基础的低 频振动，改善了超精密机床的加工精度和表面粗糙度。 1 4 本学位论文的主要研究内容 本学位沦文结合国家自然利学基金资助的“糯密装置仿生隔振系统理论及基础技术研究”项目 ( n o 5 0 0 7 5 0 7 8 ) ，开展研究工作。该项目的研究目标是研究复合激励环境下的精密装置仿生瞒振系统的 控制系统利动力学模型，建立精密装置仿生隔振系统理论和基础技术，并在实验中应用主动隔振理论和 控制方法，检验复台激励环境理论模班、隔振系统非线性动力学模型及主动隔振平台系统控制理论，研 究成果将为用于m e m s 制造隔振平台系统提供理论依据。 本论文的主要研究内容包括： 1 ) 对微制造隔振平台关键技术的发展和国内外相关研究现状进行综合评迷； 2 ) 研究s m r 模型雨【功率流传递的概念，建立相应的矩阵模型及功率传递的数学方程，并且开展 仿真研究分析，为设计微制造隔振平台提供相应的理论指导； 3 ) 分析啄术鸟头部独特生物构造和隔撮机理，运用仿生学原理，研究主动隔振和被动隔振相结合 的技术，建立微制造隔振平台隔振系统结构； p 1 3 浙江大学硕士学位论文 4 ) 基于上述研究，进一步研究闭环主动控制系统，以及开展相应的控制算法研究 5 ) 对微制造隔振平台的无隔振、被动隔振、主动隔振开展相应的实验研究。 本论文研充总体框架如图1 ，】所示。 图1 1 本论文研究总体框架 p 1 4 塑翌丕兰耍主兰堡丝壅 第二章基于s m r 模型的隔振平台功率流传递动力学分析 【内容提要】本章首先研究了s m r 模型和功率流传递的基本概念，具体分析了s m r 模型的矩阵模型 以及功率流传递的数学方程，并利用m a t l a b 进行了相应的仿真研究，得必了一些有用的结论。 2 1引言 近几年来，如何隔离从振动源通过隔振器传来的振动成为振动领域的一个研究重点【3 9 】，而且通过 致动器技术和先进数字控制系统技术的支持，在振动源到接受体的隔振方面取得了新进展 4 0 。在这些 隔振系统中，通过主动控制和被动控制的结台，它们可以取得比传统的被动隔振系统更好的效果。但是， 在主动控制算法和隔振技术方面仍然还有很多工作需要做，仍然需要深入的研究工作【4 1 叫2 】。 隔振理论研究方面主要有两大方面：首先，在没有主动控制的情况，被动振动的传递机理的研究； 其次，对于各种控制镱略的效果比较和分析。主动隔振的目的本质上就是将从振动源传递至接受体的能 量功率流降低至最小。 本章将从能量( 功率流) 的角度对隔振系统进行分析，将分成两个部分对功率流传递进行分析：首 先建立隔振系统的功率流传递的s m r 数学模型。其次，利用此数学模型来分析结构振动的功率流传递 特性。 本章重点研究各种功率流分量转动功率流分量，垂向功率流分量和横向功率流分量在不同 频段内对于振动的传播的贡献各是如何。这对优化微制造隔振平台结构和主动控制器的设计，将提供理 论h 的指导。 2 1 1s m r 理论模型概述 一般而言，主动控制系统可咀简化成一个s m r ( s o u r c e m o u n t - r e c o u r s e ) 的模型，其原理图可以 参看图21 ，图中的系统分为三个部分，振动源( s o u r c e ) 、传播路径( 对于隔振系统即支撑m o u n t ，也 可以称为隔振器) 和接受体( r e c e i v e r ) 。对于振动源，这里我们认为振动源产生多个方向的复杂振动， 可以有纵向的、横向的，甚至还可以是轴向的振动。在现实生活中可以看到很多此类振动源的例子，像 汽车、轮船、飞机的引擎，电机、风扇等等。这些振动源一般都安装在各种柔软的隔振器( m o u n t ) 之上， 隔振器下面是大质量的稳固的底座，我们可以把底座看成接受体( r e c e i v e r ) 。 p 1 5 塑坚盔堂堡主兰篁丝塞一 图2 is m r 主动被动控制原理图 振动的机械波一般分为低频、中频和高频振动。低频振动一般是 】o o h = 。由于振动平台在各个频段的精确的数学模型各不相同， 低频段主要表现为刚体运动模型，中频段则表现为高阶模型，高频段振动的机械波则比较接近声波的传 递特性。因此，要建立覆盖全频段的统一数学模型是很难的。 本文重点考虑多隔振器、多自由度的振动情况，建立系统的矩阵模型。矩阵模型的核心思想就是： s m r 各个子系统都以导纳或者阻抗矩阵表示。对于振动源、接受体( 基础) ，建立传递导纳矩阵而对 于隔振器，将建立传递阻抗矩阵。关于导纳阵、阻抗阵的定义，将在后续章节中陆续给出。同时，在低 频段内，一般认为振动源是剐体，在多隔振器的支撑下，它可以在无限或者有限板上进行多个方向自由 运动。而从振动源传递到基础板的振动机械渡主要可以分成以下三种：板内传递的纵波( l o n g i t u d i n a l w a v e ) ，剪切波( s h e a rw a v e s ) 和板外传来的弯曲波( f l e x u r a lw a v e s ) 。每个支撑考虑成可以在轴向( a x i a l ) 和横向j ( t r a n s v e r s e ) 两个方同上移动。而控制力则在隔振器与基础、振动源的接触端产生。 由圈21 可以看出，振源产生的激励力通过隔振器输入到接受体，传感器拾取振动信号，反馈给控 制器，控制器按照预定的控制方法向致动器发出信号，控制主动致动器的动力学行为，产生所需要的复 杂控制力，从而达到主动抑制振动自量向接收体传递的目的。当反馈信号为零时，主动控制就退化成为 传统的被动控制，即细线框内的部分。 2 1 2 振动功率流传递概述 功率流的最初的定义和分析方法是由g o y d e r 和w h i t e 在文献 3 3 ，4 3 ，4 4 中提出的。他们详细论述了 结构振动的能量，并且利用这些量化了的能量来比较各个部分能量在结构振动中所占的比重c 本文经过理论推导和伤真分析，详细地分析了结构振动能量各个部分对于振动平台的影响a 这对微 p 1 6 浙江大学硕士学位论文 制造隔振平台及其控制系统的设计有着很重要的指导意义。采用功率流的方法对结构振动的传递进行分 析主要有下面两个主要原因：首先，很多情况下，隔振系统控制的目标就是减少噪声振动向整个系统的 传递，而功率流的方法为我们提供了一个有效的手段和途径来量化分析各个方向的振动传递功率流的大 小，以便有针对眭地进行微制造平台的设计；其次，和传统控制方法利用振幅这个指标不同，功率 流方法为我们提供了一神新的控制指标，就是对功率流进行优化控制，它不仅考虑了振动力的大小、速 度的大小，而且还考虑了力和速度之间相位的关系，因而相对于传统的振幅指标而言，它更全面、更系 统。功率流的方法为我们提供了一种新颖的方法来分析隔振系统的动态特性，这是在传统的简化模型分 析中所无法得到的。 2 2功率流分析的相关基本概念 2 2 1 功率流的定义m m ”