主动隔振实验

微重力主动隔振系统电磁作动器设计与仿真陈作明;陈昌皓【摘要】为满足空间科学实验载荷对微重力环境的要求,需应用隔振系统对实验载荷进行振动抑制.由于被动隔振仅在特定频率范围有效,低频振动抑制必须采用主动隔振手段.在主动隔振的若干种作动器中,电磁作动器以电气传动、非接触、响应速度快和允许偏移大等特点适用于微重力主动隔振系统.本文设计了一种基于洛伦兹力原理的电磁作动器,并利用有限元软件ANSYS Workbench对作动器特性进行仿真,了解作用力与电流和位移的关系.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】4页(P38-41)【关键词】微重力;主动隔振;洛伦兹力;作动器;仿真【作者】陈作明;陈昌皓【作者单位】武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070;武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TH703;TB535太空环境为微重力环境下的各类科学实验提供了绝佳的实验条件，然而通过对空间微重力环境的典型评估发现，由于航天器姿态调整，设备运转和人员运动等影响，加速度环境超出了许多对振动敏感实验的需求[1-2]。

图1[3]绘制了各类微重力科学实验对环境的要求以及典型空间站环境评估值，可以看出典型空间站环境评估值在0.01 Hz～100 Hz频段的大部分超出了实验载荷对空间站环境的要求，因此需要在科学实验载荷与飞船之间设置微重力隔振系统。

被动隔振通过在振动的传递路径上设置弹簧阻尼结构来达到减振或隔振的目的，由于仅在外界扰动频率大于其固有频率的倍时有效[4]，一般只能隔离频率大于10 Hz的振动。

而空间飞行器上的振动频率范围在0.01 Hz～100 Hz之间，因此被动隔振无法达到隔离所有频段振动的要求，必须采用主动隔振。

主动隔振的基本思想[5]是通过传感器测量隔振对象的运动，引入位置、速度、加速度反馈，利用人为附加的外力进行激振，使得产生的振动与原有振动振幅相同但相位相反，从而抵消原有振动。

基于主动隔振技术的大荷载设备振动控制大荷载设备在运行过程中产生的振动问题一直是工程技术领域的重要挑战之一。

振动不仅会对设备本身造成损坏，还会对周围环境和人员安全产生影响。

因此，针对大荷载设备振动问题的控制和减震技术研究具有重要的实际意义。

近年来，基于主动隔振技术的大荷载设备振动控制成为研究热点，取得了显著的进展。

主动隔振技术是一种通过引入控制力来减小系统振动的方法。

其核心思想是通过感知和控制系统的振动状态，运用主动控制手段进行干预，从而实现对设备振动的有效控制。

基于主动隔振技术的大荷载设备振动控制主要包括以下几个方面的内容。

首先，感知和测量振动信号是实现振动控制的前提。

通过在设备关键部位布置合适数量的传感器，可以实时感知到设备的振动状态，并将振动信号转换成与振动强度相关的电信号或数字信号。

传感器的布置位置和数量需要充分考虑设备的振动特点和工作状态，避免盲区和信号干扰。

其次，主动控制器负责接收传感器采集到的振动信号，并进行信号处理和分析。

通过对振动信号进行模态分解、频谱分析等处理方法，可以得到振动特征参数，包括振幅、频率、相位等。

主动控制器需要具备强大的计算和实时响应能力，能够根据振动特征参数的变化，及时调整控制策略和控制力输出。

然后，设计控制策略和算法是实现振动控制的核心。

根据设备的振动特点和控制要求，选择合适的控制策略和算法进行设计，以实现最佳的振动控制效果。

常用的控制策略包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等，而控制算法的选择则需要综合考虑振动控制的精度、计算复杂度、实时性等因素。

最后，通过输出控制力对设备进行振动控制。

主动隔振技术利用电磁悬浮、液压隔振等方法，对设备施加主动控制力，抵消或抑制设备振动。

对于大荷载设备来说，控制力的输出需要具备较高的功率和响应速度，以保证振动控制的效果。

基于主动隔振技术的大荷载设备振动控制所具有的优势不容忽视。

相比于传统的被动隔振技术，主动隔振技术能够根据实时的振动情况进行调节，具备更好的自适应性和抑制能力。

实验七主动隔振实验一、实验目的1、了解隔振的基本知识。

2、了解隔振的基本原理。

3、掌握主动隔振效果的测量。

二、实验装置框图图7-1实验装置框图三、实验原理振动的干扰对人、建筑物以及仪表设备都会带来直接的危害，因此振动的隔离涉及到很多方面。

隔振的作用有两个方面：一、减少振源振动传至周围环境；二、减少环境振动对物体或设备的影响。

二者原理相似，性能也相似。

原理就是在设备和底座之间安装适当的隔振器，组成隔振系统，以减少或隔离振动的传递。

有两类隔振，一是隔离机械设备通过支座传至地基的振动，以减少动力的传递，称为主动隔振；另一种是防止地基的振动通过支座传至需保护的精密仪器或仪器仪表，以减少运动的传递，称为被动隔振。

在一般隔振设计中，常常用振动传递比T和隔振效率η来评价隔振效果。

主动隔振传递比等于物体传递到底座的振动与物体的振动比，被动隔振传递比等于底座传递到物体的振动与底座的振动之比，两个方向的传递比相等。

一般，由物体传递到底座时常用力表示，由底座传递到物体时则用位移、振动速度或振动加速度表示，这样便于应用。

隔振效率：()%1001⨯-=T η传动比T ：()22222211uD u uD T +-+=式中D 为阻尼比，u=激振频率和共振频率的比。

只有传递比小于才有隔振效果。

因此T<1的区域称为隔振区。

由图中的曲线可知： 1、当002f f f <<时，T<1。

系统有放大作用；2、当00f f =时，系统发生共振，传递比极大；3、当0032f f f <<时，作用有限4、0063f f f <<时，隔振能力低（20—30dB ）；5、00106f f f <<时，隔振能力中等（30—40dB ）；6、010f f >时，隔振能力强（>40dB ）;7、阻尼比D 对T 的影响。

1)虽然在20<ff 的范围内，阻尼比的增大有效地降低共振时的位移振幅，但对20<f f 的隔振区，却反而使传递比增高，对隔振不利。

面向精密仪器设备的主动隔振关键技术研究的开题报告一、选题背景在现代科技领域中，精密仪器设备的开发和应用越来越广泛，包括通信、计算机、航空航天、国防等行业。

然而，这些仪器设备对于环境震动非常敏感，这些震动会影响仪器的运行和精度。

因此，采取有效措施进行隔离和减震是保证仪器运行和精度稳定的必要条件。

主动隔离（Active isolation）是一种先进的隔离技术，其通过不同的机械、电子和控制系统，可以使仪器设备在外界震动的情况下保持较为稳定的运行状态。

主动隔离技术不仅能够保护设备免受恶劣工作环境中的振动干扰，还可以延长设备的寿命，提高生产效率。

二、研究目的和意义本研究旨在探索面向精密仪器设备的主动隔离关键技术，为该领域的发展做出贡献。

本研究的主要目的包括：1. 掌握主动隔离的基本原理和相关技术。

2. 研究主动隔离关键技术在精密仪器设备中的应用，比如对环境振动的抑制、对设备运行稳定性的提高等。

3. 设计并实现主动隔离控制系统，通过实验验证其功能和有效性，并分析优化系统性能。

通过本研究，可以为精密仪器设备的应用提供更好的保障，提高设备精度和可靠性，有助于推动科技创新和产业升级。

三、研究内容1. 主动隔离的基本原理和技术2. 震动环境评估和控制3. 主动隔离控制系统的设计和实现4. 主动隔离系统性能测试和分析四、预期研究成果1. 精确的主动隔离控制系统设计和实现。

2. 有效的震动环境评估和控制策略。

3. 可靠的主动隔离控制系统实验结果。

4. 对主动隔离关键技术在精密仪器设备领域的应用进行深入探讨和研究。

五、研究方案本研究计划分为以下几个阶段：1. 阶段一：主动隔离技术研究和原理分析。

掌握主动隔离关键技术的基本原理和机制，以及关键技术的国内外研究现状。

2. 阶段二：震动环境评估和控制。

通过实验和仿真等手段，研究并评估精密仪器设备所处环境中的震动，并探索有效的控制策略。

3. 阶段三：主动隔离控制系统设计和实现。

一、实验目的1. 了解主动隔振的基本原理和操作方法。

2. 掌握主动隔振系统的组成和功能。

3. 分析主动隔振系统的性能指标，评估其隔振效果。

二、实验原理主动隔振是一种利用反馈控制技术，通过调节系统的阻尼和刚度来抑制振动传递的方法。

主动隔振系统主要由传感器、控制器和作动器组成。

传感器用于检测振动信号，控制器根据传感器反馈的信号，利用预设的算法进行实时计算和分析，输出控制信号给作动器，作动器根据控制信号调节隔振系统的刚度和阻尼，从而实现对设备的主动减震和稳定。

三、实验设备1. ZJY-601A型振动教学试验仪2. 计算机3. 空气阻尼器四、实验步骤1. 安装振动教学试验仪，调整其振动频率和振幅。

2. 将传感器安装在试验仪上，连接计算机和传感器，确保数据采集和传输正常。

3. 启动振动教学试验仪，使系统产生振动。

4. 观察传感器采集到的振动信号，并记录相关数据。

5. 利用计算机对传感器采集到的振动信号进行处理，分析振动特性。

6. 根据分析结果，设置控制器参数，调节作动器，进行主动隔振实验。

7. 观察和记录主动隔振实验过程中的振动信号，分析隔振效果。

8. 比较主动隔振前后振动信号的差异，评估主动隔振系统的性能。

五、实验结果与分析1. 振动教学试验仪产生的振动信号经过传感器采集后，计算机实时显示振动波形，如图1所示。

图1 振动信号波形2. 经过分析，振动信号的频率为f1，振幅为A1。

3. 在未进行主动隔振实验前，振动信号经过处理后的频率为f2，振幅为A2。

4. 进行主动隔振实验后，振动信号的频率为f3，振幅为A3。

5. 比较主动隔振前后振动信号的频率和振幅，分析主动隔振系统的性能。

（1）频率变化：主动隔振前后，振动信号的频率变化不大，说明主动隔振系统对振动频率的抑制效果不明显。

（2）振幅变化：主动隔振后，振动信号的振幅明显减小，说明主动隔振系统对振动的抑制效果较好。

六、结论1. 通过主动隔振实验，掌握了主动隔振的基本原理和操作方法。

主动隔振的工作原理主动隔振是一种常用于工程和科学应用中的隔振技术，它通过使用传感器和执行器来降低振动和噪音的传递。

与被动隔振相比，主动隔振可以根据实时的振动情况主动调整阻尼和刚度，以实现更好的隔振效果。

主动隔振系统主要由三个部分组成：传感器、控制器和执行器。

传感器用于检测振动信号，将其转化为电信号。

控制器接收传感器的信号，并根据预设的控制算法计算出相应的振动补偿信号。

执行器则根据控制器的输出，对结构物施加相应的力或调整结构的刚度，以减少振动传递。

主动隔振的工作原理可以简要概括为以下几个步骤：1. 传感器检测振动信号：主动隔振系统中的传感器通常是加速度传感器或位移传感器，它们能够实时检测结构物的振动状态，并将其转化为电信号。

2. 控制器分析信号并计算补偿信号：控制器接收传感器的信号，并运行预设的控制算法。

根据振动信号的特征和端点的要求，控制器计算出相应的振动补偿信号。

3. 执行器施加力或调整刚度：根据控制器的输出，执行器对结构物施加相应的力或调整结构的刚度。

这些力和刚度的调整旨在减少振动的能量传递，从而降低结构物的振动幅值和振动频率。

4. 实时调整与反馈控制：主动隔振系统通常具备实时调整和反馈控制的功能，以应对不同条件下的振动情况。

通过不断监测和分析传感器信号，系统可以及时更新控制算法和补偿信号，以实现更高效的振动隔离效果。

总之，主动隔振利用传感器、控制器和执行器的协同工作，能够根据实时振动情况主动调整结构物的阻尼和刚度，从而降低振动的传递。

这种技术在建筑、交通、航空航天等领域中具有广泛应用，可以提高工作环境的舒适度和结构物的耐久性。

机械工程基础实验
实验报告书
实验项目名称: 主动隔振和被动隔振
学年：学期：
入学班级：
专业班级：
学号：
姓名：
联系电话：
指导老师：
实验八主动隔振和被动隔振（2H）一、实验目的
二、实验装置与仪器框图
三、实验结果与分析
1. 主动隔振 1） 实验数据
表 1
2） 根据主动隔振方法1）按公式（2）、（4）计算出隔振系数a η和隔振效率a ε。

3）根据主动隔振方法2）按公式（3）、（4）计算出隔振系数a η和隔振效率a ε
4）对两种结果进行对比分析
2． 被动隔振 1）实验数据
隔振系统固有频率0f =（ ）Hz
表 2
（注：本表一定要包含1λ=的两个点）
2）根据表2绘制λη-p 曲线和λε-p 曲线（要求用坐标纸绘制）。

振动实验报告讲解振动与控制系列实验姓名：李⽅⽴学号：201520000111电⼦科技⼤学机械电⼦⼯程学院实验1 简⽀梁强迫振动幅频特性和阻尼的测量⼀、实验⽬的1、学会测量单⾃由度系统强迫振动的幅频特性曲线。

2、学会根据幅频特性曲线确定系统的固有频率f 0和阻尼⽐。

⼆、实验装置框图图3.1表⽰实验装置的框图图3-1 实验装置框图KCX图3-2 单⾃由度系统⼒学模型三、实验原理单⾃由度系统的⼒学模型如图3-2所⽰。

在正弦激振⼒的作⽤下系统作简谐强迫振动，设激振⼒F 的幅值B 、圆频率ωo(频率f=ω／2π)，系统的运动微分⽅程式为：扫频信号源动态分析仪计算机系统及分析软件打印机或绘图仪简⽀梁振动传感器激振器⼒传感器质量块M或 M F x dt dxdt x d M F x dt dx n dtx d FKx dt dx C dtx d M /2/222222222=++=++=++ωξωω（3-1）式中：ω—系统固有圆频率ω =K/Mn ---衰减系数 2n=C/M ξ---相对阻尼系数ξ=n/ωF ——激振⼒ )2sin(sin 0ft B t B F πω== ⽅程①的特解，即强迫振动为：)2sin()sin(0?π?ω-=-=f A A x （3-2）式中：A ——强迫振动振幅--初相位20222024)(/ωωωn M B A +-=（3-3）式(3-3)叫做系统的幅频特性。

将式(3-3)所表⽰的振动幅值与激振频率的关系⽤图形表⽰，称为幅频特性曲线(如图3-3所⽰)：3-2 单⾃由度系统⼒学模型 3-3 单⾃由度系统振动的幅频特性曲线图3-3中，Amax 为系统共振时的振幅；f 0为系统固有频率，1f 、2f 为半功率点频率。

振幅为Amax 时的频率叫共振频率f 0。

在有阻尼的情况下，共振频率为：221ξ-=f f a (3-4) 当阻尼较⼩时，0f f a =故以固有频率0f 作为共振频率a f 。

名词解释主动隔振主动隔振是一种机械振动控制技术，旨在减少或消除机械系统中的振动干扰。

它通过采取一系列措施来抑制或隔离振动源，从而实现对机械系统的振动控制。

主动隔振技术广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑、电子设备等领域，对提高机械系统的性能和可靠性具有重要意义。

在传统的机械系统中，振动是不可避免的。

机械系统中的振动源可以是内部的，如发动机、电机、齿轮传动等；也可以是外部的，如道路不平整、风力等。

这些振动源会导致机械系统产生噪音、疲劳、损坏等问题，降低系统的性能和寿命。

主动隔振技术通过采用先进的传感器、执行器和控制算法，实时监测和响应机械系统的振动状态，并采取相应的控制策略来减少或消除振动。

具体来说，主动隔振技术包括以下几个方面：1. 振动传感器：主动隔振系统需要安装振动传感器来实时监测机械系统的振动状态。

传感器可以采集机械系统的振动信号，并将其转换为电信号进行处理。

2. 控制算法：主动隔振系统需要采用先进的控制算法来分析振动信号，并根据分析结果制定相应的控制策略。

常用的控制算法包括PID控制、自适应控制、模糊控制等。

3. 执行器：主动隔振系统需要安装执行器来实施控制策略。

执行器可以根据控制算法的输出信号，对机械系统施加力或扭矩，从而减少或消除振动。

4. 控制系统：主动隔振系统需要一个完善的控制系统来实现传感器、执行器和控制算法之间的协调工作。

控制系统可以采用硬件控制器或软件控制器，实现对主动隔振系统的实时监测和控制。

主动隔振技术的应用可以大大改善机械系统的性能和可靠性。

首先，主动隔振技术可以有效减少机械系统的振动干扰，提高系统的运行稳定性和精度。

其次，主动隔振技术可以降低机械系统的噪音水平，改善工作环境和人员健康。

此外，主动隔振技术还可以延长机械系统的使用寿命，减少维修和更换成本。

在航空航天领域，主动隔振技术被广泛应用于飞机、火箭等载具中。

通过减少飞行器在起飞、着陆和飞行过程中产生的振动，可以提高飞行器的稳定性和安全性。

隔振机理试验一、隔振机理试验是啥？咱都快毕业的大学生了，这隔振机理试验听起来就很专业。

其实啊，就像是探索一个神秘的世界，这个世界里有各种振动的小秘密。

你想啊，在我们的生活里，到处都有振动，像汽车发动机的振动，机器运转的振动，这些振动有时候会带来麻烦呢。

比如说，要是精密仪器一直被振动干扰，可能就测不准东西了。

所以啊，我们做这个隔振机理试验，就像是当一个侦探，要把振动的原因找出来，然后再找到能把振动隔绝掉的好办法。

二、试验前的准备1. 首先得有设备啊。

像振动发生器，这个东西就像是一个调皮的小怪兽，可以制造出各种振动来。

还有传感器，传感器就像是我们的小耳朵，能敏锐地感觉到振动的大小、方向这些信息。

另外，我们还得有隔振材料，像橡胶垫、弹簧这些，它们可是我们隔绝振动的小帮手。

2. 场地也很重要呢。

要找一个相对安静的地方，不能有太多外界的干扰。

要是在一个嘈杂的地方，到处都是乱七八糟的振动，那我们的试验可就没法做准确了。

就好比你在菜市场里想要安静地看书一样，根本不可能嘛。

三、试验过程1. 先把振动发生器安装好，调整好它的参数，让它能产生我们想要的振动类型，比如是上下振动还是左右振动。

然后启动它，就像是点燃了一个小烟花的引线，开始制造出振动的小波浪。

2. 传感器上场啦。

它要紧紧盯着振动的情况，把数据都记录下来。

这时候就像是一场紧张的比赛，传感器要一刻不停地工作，不能有丝毫的懈怠。

3. 接着把隔振材料放在合适的位置。

这一步就像是给振动设下一道防线，看看这些材料到底能不能把振动挡住。

如果隔振材料是橡胶垫，就想象它像一个柔软的小盾牌，在努力抵御振动的攻击。

四、试验中的趣事做这个试验的时候，也会有一些好玩的事情。

有时候设备会突然发出奇怪的声音，就像在跟我们开玩笑一样。

我们就得像医生给病人看病一样，仔细检查是哪里出了问题。

还有的时候，数据会出现一些意想不到的变化，这时候我们就会像发现了宝藏一样兴奋，然后大家就凑在一起讨论，这个过程就像是一场热闹的聚会，每个人都在分享自己的想法。

第３８卷第３期２０２１年３月机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３８Ｎｏ.３Ｍａｒ.２０２１收稿日期:２０２０－０６－１９基金项目:国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＢ０５０１００３)ꎻ国家自然科学基金资助项目(１１７７２１８５㊁６１８０３２５８)ꎻ上海市科技创新行动计划启明星项目(２０ＱＡ１４０３９００)ꎻ上海市自然科学基金资助项目(１９ＺＲ１４７４０００)ꎻ上海市科技创新行动计划扬帆项目(２０ＹＦ１４１７４００)作者简介:易思成(１９８８－)ꎬ男ꎬ湖北随州人ꎬ博士ꎬ主要从事振动主动控制㊁机电一体化等方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｙｉｓｃｈｏｌａｒ＠１２６.ｃｏｍ通信联系人:杨斌堂ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｂｔｙａｎｇ＠ｓｊｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０２１.０３.００１微振动主动隔振系统的研究综述∗易思成１ꎬ２ꎬ３ꎬ王金海３ꎬ刘志刚３ꎬ张㊀泉１ꎬ杨斌堂２∗ꎬ孟㊀光２(１.上海大学机电工程与自动化学院ꎬ上海２００４４４ꎻ２.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室ꎬ上海２００２４０ꎻ３.上海航天控制技术研究所ꎬ上海２０１１０９)摘要:为降低外界微米至纳米范围微振动干扰对精密装置的影响ꎬ并提高精密装置的运行精度ꎬ研制了微振动隔振平台ꎬ并将振动主动控制技术应用于隔振系统中ꎮ在明确了微振动定义的基础上ꎬ阐述了精密仪器所允许的振源速度标准ꎻ基于隔振理论ꎬ总结了单自由度和多自由度微振动隔振系统的结构特点ꎻ在此基础上ꎬ对主动隔振系统中的驱动器进行了总结ꎻ考虑到系统的动力学和驱动特性ꎬ对结构和驱动器的建模方法进行了论述ꎻ基于隔振率㊁隔振稳定性等指标ꎬ对反馈㊁前馈㊁复合和新型振动主动控制方法进行了评价ꎻ通过对传感驱动一体化㊁振动能量回收㊁智能控制技术的分析ꎬ预测了微振动主动隔振系统的未来发展趋势ꎮ研究成果表明:相比于被动隔振ꎬ主动隔振技术具有灵活㊁高效等优点ꎬ基于智能材料(如压电㊁磁致伸缩)的新型微振动隔振系统得到了广泛的应用ꎬ相应的迟滞建模和补偿控制成为了该领域的研究热点ꎮ关键词:微振动ꎻ主动控制ꎻ智能材料ꎻ驱动器ꎻ系统建模ꎻ迟滞中图分类号:ＴＨ７０７ꎻＴＨ１１３.１ꎻＴＢ５３５.１㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０２１)０３－０２６５－１１ＲｅｖｉｅｗｏｆａｃｔｉｖｅｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＹＩＳｉ￣ｃｈｅｎｇ１ꎬ２ꎬ３ꎬＷＡＮＧＪｉｎ￣ｈａｉ３ꎬＬＩＵＺｈｉ￣ｇａｎｇ３ꎬＺＨＡＮＧＱｕａｎ１ꎬＹＡＮＧＢｉｎ￣ｔａｎｇ２ꎬＭＥＮＧＧｕａｎｇ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００４４４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎꎬＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００２４０ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｈａｎｇｈａｉＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１１０９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆｐｒｅ￣ｃｉｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅꎬｔｈｅａｃｔｉｖｅｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｔｉｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｖｉｂｒａ￣ｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ.Ｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｓｃｌａｒｉｆｉｅｄ.Ｔｈｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｐｅｒｍｉｔｔｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓｐｅｅｄｆｏｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｗａｓｅｘｐｌａｉｎｅｄ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｎｇｌｅ￣ｄｅｇｒｅｅ￣ｏｆ￣ｆｒｅｅｄｏｍａｎｄｍｕｌｔｉ￣ｄｅｇｒｅｅ￣ｏｆ￣ｆｒｅｅ￣ｄｏｍｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ.Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓꎬｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｓｉｎｔｈｅａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ.Ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄａｃｔｕａｔｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｗｅｒｅｄｉｓ￣ｃｕｓｓｅｄ.Ｔｈｅａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇｆｅｅｄｂａｃｋꎬｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄꎬｈｙｂｒｉｄａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄꎬｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｄｅ￣ｘｅｓｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｃｔｕａｔｏｒ￣ｓｅｎｓｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎꎬｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔꎬａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎ￣ｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆａｃｔｉｖｅｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｅｄｉｃｔｅｄ.Ｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｍ￣ｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｐａｓｓｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎꎬａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｂｅｔｔｅｒｉｎｔｅｒｍｓｏｆｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙꎬｎｏｖｅｌｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄｏｎｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓ(ｓｕｃｈａｓｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ)ａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ.Ｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｍｏｄ￣ｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌ￣ｂａｓｅｄｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｃｒｏｖｉｂｒａｔｉｏｎꎻａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌꎻｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌꎻａｃｔｕａｔｏｒꎻｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｉｎｇꎻｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ０㊀引㊀言精密加工和测量㊁空间遥感和观测等技术的发展对机械装置的精度提出了更高的要求ꎬ一般需要达到微纳尺度ꎮ然而ꎬ外部环境或者装置内部的微幅振动会造成超精密机床[１]㊁坐标测量仪[２]㊁光学显微镜[３]等仪器的精密度和准确度严重下降ꎮ在航天器上ꎬ斯特林制冷机㊁反作用飞轮㊁太阳能帆板的驱动机构等装置容易产生随机和谐波扰动ꎬ影响在轨运行航天器的定位和指向精度ꎮ对此ꎬ应该采用主动或者被动振动控制方法ꎬ尽可能消除或隔离机械系统外在与内在的各种干扰ꎬ使系统高效稳定地运行ꎬ以增强机械系统对微振动的抗干扰能力[４]ꎮ和其他主动控制系统类似ꎬ主动隔振系统由被控对象㊁驱动器㊁控制器等环节等组成ꎬ各环节相互关联ꎬ共同决定了系统的执行精度和运动特性ꎮ因此ꎬ有必要全面总结和分析主动隔振系统关键组成部分的研究成果ꎬ为研制新型高精密隔振系统提供理论依据和设计指导ꎮ当前ꎬ研究人员越来越多地采用智能材料驱动器(典型的有压电和磁致伸缩式)作为微振动隔振系统的执行单元ꎮ然而ꎬ智能材料的迟滞给隔振系统的控制和实现带来了挑战ꎬ如何对微振动隔振系统的迟滞进行表征和控制成为当前的研究热点ꎮ笔者在微振动隔离系统的设计和实现㊁迟滞系统的建模和补偿等方面积累了一些理论基础和技术方法ꎬ并取得了一定的研究成果[５￣８]ꎮ基于上述经验和国内外最新研究成果ꎬ本文围绕微振动隔离标准㊁隔振系统的构型设计㊁驱动器的选择与设计㊁系统模型的建立㊁振动主动控制方法等内容对微振动主动隔振领域的研究进行综述ꎬ并预测该领域的发展趋势ꎮ１㊀微振动及其隔离标准微振动通常指的是频率集中在１Ｈｚ~１ｋＨｚ的微米或者亚微米幅度的机械振动或者干扰[９]ꎮ不同性能和用途的精密仪器对所允许干扰的幅度和带宽不同ꎬ需要设定一套标准评价微振动隔离是否有效ꎮ精密仪器所允许的振源速度标准如图１所示ꎮ由图１可知:在ＩＳＯ(ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｓｏｒｇａｎｉ￣ｚａｔｉｏｎ)准则的基础上引入振动标准曲线(ｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｒｉ￣ｔｅｒｉｏｎꎬＶＣ)ꎬ描述一定带宽范围内不同工况下微振动允许值ꎬ图的横轴为三分之一倍频程ꎬ纵轴为速度均方根[１０]ꎻ从ＶＣ￣Ａ到ＶＣ￣Ｅ准则ꎬ振动允许值越来越小ꎬ图１㊀精密仪器所允许的振源速度标准曲线其中ＶＣ￣Ａ准则应用于光学显微镜ꎬ而ＶＣ￣Ｅ准则适用于长距离㊁微小目标的激光跟踪定位系统ꎮ２㊀隔振系统的构型设计２.１㊀单轴隔振系统单轴隔振系统可用于抑制单方向的微振动干扰ꎬ主要分为直接主动式和主被动一体式ꎮ直接主动式的基本原理是利用驱动器产生的作动力抵消微振动源引起的干扰力[１１ꎬ１２]ꎮ主被动一体微振动隔振系统的原理简图以及频域内振动传递率曲线[１３]如图２所示ꎮ图２㊀单轴隔振系统及振动传递率ｃ 被动阻尼ꎻｋ 被动刚度ꎻｆａ 主动力其中:被动刚度用于抑制中高频振动干扰ꎬ主动力用于隔离低频振动干扰[１４￣１６]ꎮ２.２㊀多轴隔振系统为解决多维微振动干扰的问题ꎬ研究人员开发了能实现空间多维运动的多轴隔振系统ꎮ平台大多基于并联结构[１７]ꎮ在多个驱动器的共同作用下ꎬ传递到负载平台的多维干扰能被隔离ꎮ例如３轴微振动隔离平台用于隔离两个转动和一个平动干扰[１８]ꎬ或者３个移动干扰[１９]ꎻ６轴微振动隔离平台用于隔离空间任意方向的干扰ꎬ最为典型的是 立方体 构型的Ｓｔｅｗａｒｔ隔振系统ꎮＳｔｅｗａｒｔ的示意图及几何构型如图３所示ꎮ该平台由６个驱动器组成ꎬ整体结构紧凑ꎬ输出精度高㊁承载能力强㊁动态特性好[２０]ꎮ６６２ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３８卷图３㊀立方体构型Ｓｔｅｗａｒｔ平台ＡＢＵ等[２１]设计的Ｓｔｅｗａｒｔ隔振平台如图４所示ꎮ图４㊀ＡＢＵ等设计的Ｓｔｅｗａｒｔ隔振平台该平台的每条支链由１个音圈电机和１个力传感器组成ꎬ１２个加速度传感器分两组布置在基座和动平台上ꎮ３　驱动器的设计与选择尽管利用具有高精密性能的传统驱动器(如液压㊁气压或者电磁式)可以实现微振动干扰的控制ꎬ然而传统驱动装置复杂的结构限制了其广泛的应用ꎮ随着材料㊁生物㊁化学等学科和机械学科的交叉发展ꎬ基于智能材料的微振动隔振系统已成为当前技术研究的热点ꎮ典型的智能材料有压电㊁超磁致伸缩㊁记忆合金㊁磁流变/电流变㊁高分子聚合物等ꎮ智能材料驱动器能够克服传统驱动器结构中间隙㊁摩擦㊁磨损等的不利影响ꎬ提升系统的精度㊁可靠性和响应速度ꎮ下面主要对静电㊁电磁㊁压电㊁超磁致伸缩㊁高分子聚合物驱动器在微振动隔振领域的应用进行阐述:(１)静电为解决陀螺仪对外界高频振动敏感的问题ꎬＤＥＡＮ等[２２]在平行静电极板的基础上开发了结构精巧㊁驱动传感集成度高的陀螺仪隔振装置ꎮ该隔振装置集成了静电式速度传感器㊁静电驱动器和反馈电路ꎮ无反馈控制时ꎬ隔振装置的品质因子为１５０ｄＢꎻ而应用反馈控制后ꎬ隔振装置的品质因子减小到６０ｄＢꎮ(２)电磁电磁式驱动器的输出力是交变磁场中线圈和永磁体相互作用产生的洛伦兹力ꎮ电磁驱动器在振动控制领域有着广泛的应用ꎬ其优点在于成本低㊁带宽大㊁容易控制ꎮ音圈电机(ｖｏｉｃｅｃｏｉｌａｃｔｕａｔｏｒꎬＶＣＡ)是一种特殊形式的电磁式驱动器ꎬ具有结构简单㊁体积小㊁响应快等优点ꎮＰＲＥＵＭＯＮＴ[２３]研制了行程为ʃ０.７ｍｍ的音圈电机式微振动隔振系统ꎮ在音圈电机中ꎬ有一类刚度小㊁能有效隔离高频微振动干扰的 软驱动器 ꎮ在Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司研制的振动隔离和抑制系统(ｖｉｂｒａ￣ｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎａｎｄｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬＶＩＳＳ)ꎬ其音圈驱动器的截止频率低至１Ｈｚ[２４]ꎮ磁悬浮隔振是一种比较新颖的电磁式隔振方法ꎬ具有可靠性高㊁使用寿命长等优点ꎮＨＯＱＵＥ等[２５]在传统隔振系统中引入磁悬浮隔振技术ꎬ采用主动控制策略实时调节磁悬浮的悬浮力ꎮ(３)压电压电驱动器具有响应快㊁输出精度高㊁易加工等优点[２６]ꎮＰＥＴＩＴＪＥＡＮ等[２７]设计了由压电驱动器㊁力传感器和被动隔振单元组成的主被动一体式单自由度隔振系统ꎮ为解决航天器有效载荷的振动控制问题ꎬＶＡＩＬＬＯＮ等[２８]介绍了一种压电叠堆式的主动隔振单元ꎬ实验结果表明:利用该隔振单元ꎬ由动量轮产生的谐波微振动干扰减小了３０ｄＢ~４０ｄＢꎮ为隔离较大幅值的微振动干扰ꎬＢＡＤＥＬ等[２９]设计了带有放大机构的压电驱动器ꎬ并提出了迟滞补偿和ＰＩ反馈复合控制方法ꎮＧＡＲＣＩＡＢＯＮＩＴＯ等[３０]设计了一种用于振动控制的带有液压放大机构的压电驱动器ꎮ(４)超磁致伸缩超磁致伸缩材料(ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌꎬＧＭＭ)在外加磁场作用下会产生应变和应力ꎬ例如含有稀土元素Ｔｅｒｆｅｎｏｌ￣Ｄ合金的磁致伸缩系数可达１５００ˑ１０－６到２０００ˑ１０－６ꎬ其最大伸缩量是常规磁致伸缩材料的数十倍ꎮＺＨＡＮＧ等[３１]依据啄木鸟头部结构设计了仿生式主动隔振系统ꎬ该系统由大功率磁致伸缩驱动器㊁空气弹簧㊁基座以及橡胶层等组成ꎮ需要说明的是ꎬ由于音圈电机㊁压电驱动器和磁致伸缩驱动器的结构紧凑ꎬ它们一般被用作多自由度微振动隔振系统的主动单元ꎮ(５)高分子聚合物聚合物又称高分子化合物ꎬ是一类能将光㊁电或磁等物理能转换为机械能的新型智能材料ꎬ常见的有介电弹性体和压电聚合物ꎮ介电弹性体(ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓ￣ｔｏｍｅｒꎬＤＥ)是电活性聚合物的一种ꎬ其优点在于应变７６２第３期易思成ꎬ等:微振动主动隔振系统的研究综述大㊁能量密度高㊁效率高㊁响应快且加工制造方便等ꎮＳＡＲＢＡＮ等[３２]详细描述了管状介电弹性体驱动器的研制过程ꎬ设计了自适应前馈控制器ꎬ并将其用于微振动控制ꎮ实验结果表明:利用该方法ꎬ可使５Ｈｚ和１０Ｈｚ的单频微振动干扰能分别减小６６ｄＢ和２３ｄＢꎮ(６)驱动器的性能比较虽然驱动器的形态多样㊁原理不同ꎬ但可利用一些性能指标来衡量和评估它们的使用性能ꎮ归纳起来ꎬ这些指标大致分为３类:几何和物理参数(如运动形式㊁体积㊁质量等)㊁静态参数(如行程㊁最大驱动力㊁刚度㊁精度㊁效率等)㊁动态参数(如固有频率㊁带宽㊁被动阻尼等)ꎮ根据任务需求和应用场合的不同ꎬ设计或选用符合要求的驱动器是研制主动微振动隔振系统的重要环节ꎮ在主动隔振系统中ꎬ驱动器输出性能需要满足的必要条件是其作动行程必须大于等于外界微振动激励的位移[３３]ꎮ典型驱动器的行程和最大输出力如图５所示ꎮ图５㊀驱动器的静态输出特性比较图５中包括压电驱动器[３４ꎬ３５]㊁磁致伸缩驱动器㊁音圈电机[３６ꎬ３７]㊁高分子聚合物[３８]㊁静电驱动器[３９ꎬ４０]ꎮ由图５可知:压电驱动器和超磁致伸缩驱动器可用于抑制大负载的低幅振动ꎻ音圈电机能隔离幅度较大的振动并具有较强的带载能力ꎻ静电驱动器的输出功率较小ꎻ介电弹性体驱动器能对幅度较大的微振动进行抑制ꎬ但静态输出力不大ꎮ除了行程和最大输出力等静态性能外ꎬ隔振系统自身的固有频率也是重点分析的对象ꎮ一般而言ꎬ压电和超磁致伸缩驱动器的固有频率较高ꎬ而电磁㊁静电和介电弹性体驱动器的固有频率适中ꎮ４㊀系统模型的建立４.１㊀结构动力学建模一般利用集中参数模型对隔振系统进行描述ꎬ该模型由集中质量㊁集中刚度和集中阻尼组成ꎬ分布载荷等效在集中质量上ꎮ有限元模型也是隔振系统的常用建模方法之一ꎬ可使用有限元商业软件对隔振系统进行动力学分析ꎮ需要说明的是ꎬ有限元模型计算量大ꎬ如要进一步应用于主动控制ꎬ必须对原始模型进行缩减ꎮ针对集中参数模型或有限元模型ꎬ通过动力学建模方法可得到系统的动力学模型[４１]ꎮ常见的动力学建模方法如图６所示ꎮ动力学建模方法常规方法凯恩方程拉格朗日方程Ｈａｍｉｌｔｏｎ法牛顿欧拉法ìîíïïïï特殊方法传递矩阵法阻阬法传递函数法{ìîíïïïï图６㊀动力学建模方法ＬＩＵ等[４２]根据牛顿￣欧拉法建立了８支链隔振系统的动力学模型ꎬ并在此基础上分析了系统的结构参数对动力学响应的影响ꎮ振动传递率是微振动隔振系统重要的性能评价指标ꎬ其定义为隔振后运动或力的幅值与隔振前的比值ꎬ通常表示为频谱函数ꎮ微振动隔离平台传递率的求解方法包括传递矩阵法㊁阻抗法㊁频响函数综合法ꎮＰＲＥＵＭＯＮ等[４３]利用传递矩阵对Ｓｔｅｗａｒｔ隔振平台的底座和上平台之间的关系进行了表征ꎬ根据Ｆｏｒｂｅｎｉｕｓ范数ꎬ将多自由度系统的传递矩阵等效为单自由度形式的传递矩阵ꎬ进而求得振动传递率ꎮ针对主被动一体的隔振系统ꎬＫＩＭ等[４４]利用阻抗矩阵定量描述系统的物理特性ꎬ接着将阻抗矩阵转化为状态方程ꎬ为设计反馈控制器提供了理论支持ꎮ传递函数在微振动主动控制系统设计中应用较为广泛ꎮＹＥＮ等[４５]建立了多自由度压电式主动隔振装置的传递函数ꎬ利用解耦策略对传递函数矩阵进行了对角化ꎬ通过实验验证了变换模型的有效性ꎬ最后设计了离散式的滑模控制器ꎮ需要说明的是ꎬ隔振系统的基座是微振动干扰的直接受体ꎬ当基座相对于平台的柔性较大时ꎬ需要将柔性变形引入系统的结构动力学方程[４６]ꎮ４.２㊀驱动器迟滞建模驱动器是微振动隔振系统中产生力和运动的单元ꎮ在对隔振系统的静态和动态性能进行分析时ꎬ应当考虑驱动器的输出特性ꎮ驱动器将其他形式的能量８６２ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３８卷转化为机械能ꎬ因此基于能量的转换㊁调控和传递的过程ꎬ可对驱动器进行多物理场建模ꎮ例如ꎬ利用静电能和机械能的转换对静电式驱动器进行建模ꎬ利用电场能和机械能的转换对压电式驱动器进行建模ꎮ接下来ꎬ将对智能材料驱动器的建模方法进行归纳和总结ꎮ在小位移条件下ꎬ智能材料驱动器的位移输出可近似认为是线性的ꎬ此时可利用材料的线性本构方程建立驱动器的输入输出模型ꎮ压电材料和磁致伸缩材料的本构关系具有相似性ꎮＫＡＭＥＳＨ等[４７]利用本构方程建立了集成传感单元的压电作动器的多场耦合模型ꎮ虽然基于智能材料的驱动器在主动微振动控制中应用广泛ꎬ但在大变形条件下ꎬ材料的迟滞非线性对控制器的设计提出了挑战ꎮ迟滞指的是材料具有记忆性ꎬ当输入作用于系统时ꎬ它的输出表现为一定的滞后ꎮ为预测系统输出或补偿迟滞非线性ꎬ研究人员对迟滞进行了理论建模ꎬ例如物理法㊁唯象法等ꎬ前者根据驱动器的物理机理进行建模ꎬ后者根据驱动器输入输出的几何关系进行建模ꎮ常见的迟滞建模方法如图７所示ꎮ迟滞建模物理法ＪｉｌｅｓＡｔｈｅｒｔｏｎ木构模型能量模型{唯象法基于微分方程Ｄｕｈｅｍ模型ＢｏｕｃＷｅｎ模型{基于算子运算Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型Ｋｒａｓｎｏｓｅｌ ｓｋｉｉＰｏｋｒｏｖｓｋｉｉ(ＫＰ)模型Ｐｒａｎｄｔｌｌｓｈｌｉｎｓｋｉｉ(ＰＩ)模型ＭａｘｗｅｌｌＳｌｉｐ模型ìîíïïïïïïìîíïïïï其他方法多项式模型神经网络模型模糊模型{ìîíïïïïïïïïïïïïïï图７㊀迟滞建模方法限于篇幅ꎬ文中只对微振动主动控制研究中常用的几种迟滞建模方法进行综述:(１)Ｊｉｌｅｓ￣Ａｔｈｅｒｔｏｎ模型Ｊｉｌｅｓ￣Ａｔｈｅｒｔｏｎ(Ｊ￣Ａ)模型主要用于磁致伸缩驱动器的建模ꎮ早期的Ｊ￣Ａ模型是一种基于能量的静态磁滞模型ꎮ后来ＪＩＬＥＳ和ＳＡＢＬＩＫ等学者对该模型进行了扩充和修正ꎬ使修正后的模型能够描述磁化强度和磁致伸缩的耦合效应ꎬ极大地扩展了Ｊ￣Ａ模型的使用范围[４８]ꎮ(２)Ｂｏｕｃ￣Ｗｅｎ模型ＢＯＵＣ于１９７１年首次提出了一种迟滞的半物理建模方法ꎬＷＥＮ在１９７６年对该模型进行了改进ꎬ形成了Ｂｏｕｃ￣Ｗｅｎ模型[４９ꎬ５０]ꎮ广义的Ｂｏｕｃ￣Ｗｅｎ模型的表达式如下:ｄｚｄｔ＝Ａｄｖｄｔ－βｄｖｄｔ｜ｚ｜ｎ－αｄｖｄｔ｜ｚ｜ｎ－１ｚ(１)式中:ｖ 迟滞系统的输入ꎻｚ 迟滞系统的状态变量ꎻＡꎬβꎬα 描述迟滞环的形状参数ꎮ在压电驱动器中ꎬ通常认为ｎ＝１ꎮＺＨＡＮＧ等[５１]将线性本构方程和式(１)所示的Ｂｏｕｃ￣Ｗｅｎ模型结合ꎬ构建了磁致伸缩驱动器的非线性本构模型ꎬ并通过实验证明ꎬ利用该模型能有效拟合驱动器的迟滞曲线ꎮ(３)Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型是一种经典的迟滞算子模型ꎮ连续形式的Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型的数学表达式如下:ｙ(ｔ)＝ʏʏαȡβγαβ[ｕ(ｔ)]Ｐ(αꎬβ)ｄαｄβ(２)式中:ｕ(ｔ) 模型的输入ꎻｙ(ｔ) 模型的输出ꎻγαβ[ｕ(ｔ)] 矩形算子ꎻＰ(αꎬβ) 权函数ꎻαꎬβ 描述矩形算子形状的参数ꎮ根据输入信号方向的不同ꎬ矩形算子γαβ的取值为－１或１ꎮＰＡＳＣＯ等[５２]对比了基于线性本构方程和基于Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型的压电驱动器的迟滞建模方法ꎬ发现后者的建模精度更高ꎮ(４)ＰｒａｎｄｔｌＩｓｈｉｌｉｎｓｋｉｉ模型ＰｒａｎｄｔｌＩｓｈｉｌｉｎｓｋｉｉ(ＰＩ)模型是由Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型发展而来的ꎬ它的基本元素为Ｐｌａｙ算子(间隙算子)或者Ｓｔｏｐ算子ꎮＰｌａｙ算子的表达式如下:ｆｒ[ｖ](ｔ)＝ｍａｘ{ｖ(ｔ)－ｒꎬｍｉｎ{ｖ(ｔ)＋ｒꎬｆｒ(ｔ－)}}ꎬｔ>０ｍａｘ{ｖ(０)－ｒꎬｍｉｎ{ｖ(ｔ)＋ｒꎬｆｒ(０)}}ꎬｔ>０{(３)Ｓｔｏｐ算子的表达式如下:ｅｒ[ｖ](ｔ)＝ｍｉｎ{ｒꎬｍａｘ{－ｒꎬｖ(ｔ)－ｖ(ｔ－)＋ｅｒ(ｔ－)}}ꎬｔ>０ｍｉｎ{ｒꎬｍａｘ{－ｒꎬｖ(ｔ)－ｖ(０)＋ｅｒ(０)}}ꎬｔ＝０{(４)式中:ｖ(ｔ) 算子的输入ꎻｆｒ(ｔ) Ｐｌａｙ算子的输出ꎻｅｒ(ｔ) Ｓｔｏｐ算子的输出ꎻｆｒ(０) Ｐｌａｙ算子的初始输出ꎻｅｒ(０) Ｐｌａｙ算子的初始输出ꎻｒ 描述算子形状的参数(也称为阈值)ꎻｔ－ 当前时间的前一时刻ꎮＰｌａｙ算子和Ｓｔｏｐ算子的关系可以表示为:ｆｒ[ｖ](ｔ)＋ｅｒ[ｖ](ｔ)＝ｖ(ｔ)(５)在分段单调连续输入函数作用下ꎬ基于Ｐｌａｙ算子９６２第３期易思成ꎬ等:微振动主动隔振系统的研究综述的ＰＩ模型可以表示为:ｙ[ｖ](ｔ)＝ｑｖ(ｔ)＋ʏＲ０ｐ(ｒ)ｆｒ[ｖ](ｔ)ｄｒ(６)式中:ｐ(ｒ) 密度函数(由实验测得的系统输入输出数据辨识得到)ꎻｑ 大于零的常数ꎮ当阈值ｒ较大时ꎬＰＩ模型的输出衰减较快ꎬ为方便计算ꎬＲ通常取为ɕꎮ相比于Ｐｒｅｉｓａｃｈ算子ꎬＰＩ算子的优点在于结构简单㊁逆算子有解析解㊁便于实时控制ꎮＫＵＨＮＥＮ[５３]推导并分析了ＰＩ算子的逆模型ꎬ并通过逆算子的补偿实现了磁致伸缩驱动器的精密定位ꎮ尽管ＰＩ算子有以上优点ꎬ但是它无法表征非对称迟滞环ꎬ对此研究人员提出改进的ＰＩ算子来解决该问题[５４ꎬ５５]ꎮ笔者[５６]利用多项式改进的ＰＩ模型ꎬ对磁致伸缩微振动隔振平台中的驱动器进行了迟滞建模ꎮ(５)迟滞率相关改进模型上述提到的物理或者唯象建模方法只对静态迟滞现象是有效的ꎮ当迟滞系统输入信号的频率增大时ꎬ原有静态迟滞模型无法描述迟滞系统的动态效应ꎮ因此ꎬ一些学者对率相关迟滞建模方法进行了研究与探讨ꎮ综上所述ꎬ迟滞物理模型对驱动器设计提供了理论依据ꎬ但这类模型比较复杂且精度有限ꎮ而迟滞唯象模型是以实验数据为基础ꎬ能较为精确地对驱动器迟滞环的形状进行描述ꎬ同时利用迟滞唯象模型还可设计基于迟滞逆的前馈控制器ꎮ５㊀振动主动控制方法微振动主动控制方法包括反馈控制㊁前馈控制㊁反馈和前馈结合的复合控制等ꎮ针对控制目标(微振动)和控制对象(微振动隔振系统)的特点ꎬ研究人员也设计了一些新型控制器ꎮ５.１㊀反馈控制方法利用ＰＩＤ控制可抑制微振动干扰引起的系统响应ꎮ欲使ＰＩＤ控制效果更优ꎬ需增大控制环节的增益ꎬ但这会引起控制器失稳ꎮ为此ꎬＪＡＥＮＳＣＨ等[５７]对隔振系统的机械结构进行了改进ꎬ提高了系统运动稳定性ꎬ同时探究了高增益(特别是高积分增益)对系统稳定性的影响ꎬ为控制器的参数调节提供了理论依据ꎮ在主动微振动控制中ꎬ常见的反馈量包括加速度㊁速度㊁位移或者力ꎮ 天棚阻尼 法是一种行之有效的振动控制方法ꎬ其基本原理是利用被隔对象的绝对速度设计微振动反馈控制器ꎮＹＯＳＨＩＯＫＡ等[５８]通过位移反馈和绝对速度反馈对６自由度隔振系统进行了控制ꎮ基于力传感的反馈在微振动控制中应用广泛[５９]ꎬ主要原因在于:(１)即使基座或敏感负载存在柔性ꎬ利用基于力传感的反馈控制也能保证隔振系统的稳定性ꎻ(２)微重力环境中低频加速度较难检测ꎬ此时可采用力传感进行闭环控制ꎮＧＥＮＧ等[６０]利用局部力反馈控制器调节驱动器的等效阻抗ꎬ使之与隔振系统的机械阻抗相等ꎬ从而最大程度地抑制了微振动干扰ꎮ在其他一些应用场合中ꎬ载荷的振动对基座的影响也应该予以考虑ꎮＨＡＵＧＥ等[６１]对这些影响进行了分析ꎬ发现产生该问题的原因是多轴隔振系统的耦合效应ꎬ并利用改进的控制器提升了６轴隔振系统的工作性能ꎮ５.２㊀前馈控制方法对于反馈控制ꎬ构造主动控制律仅需隔振系统的输出信号ꎮ若微振动干扰信号已知且是确定的ꎬ那么可以利用该先验知识设计前馈控制器ꎮ由于微振动干扰信号和振动传递通道的参数是时变的ꎬ在工程应用中ꎬ常采用自适应前馈方法补偿振动传递通道的时变动态ꎮ最为典型的自适应前馈控制器是基于有限脉冲响应(ｆｉｎｉｔｅｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓꎬＦＩＲ)的滤波ｘ最小均方控制器(ｆｉｌｔｅｒｅｄ￣ｘｌｅａｓｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅꎬＦｘＬＭＳ)[６２]ꎮＦｘＬＭＳ算法的基本框图如图８所示ꎮ图８㊀ＦｘＬＭＳ控制算法的框图Ｐ 初级通道ꎻＳ 次级通道ꎻＣ 控制器ꎻ＾Ｖ 次级通道的辨识模型ꎻｅ(ｎ) 隔振系统的输出信号ꎮ其中:Ｃꎬ＾Ｖ 用ＦＩＲ滤波器予以表示ꎮ在此基础上ꎬ也衍生出了一些其他形式的自适应前馈控制器ꎬ例如基于无限脉冲响应(ＩｎｆｉｎｉｔｅｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅꎬＩＩＲ)的滤波μ最小均方(ｆｉｌｔｅｒｅｄ￣μｌｅａｓｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅꎬＦｕＬＭＳ)控制器ꎬ基于ＦＩＲ的滤波ϵ最小均方(ｆｉｌｔｅｒｅｄ￣ϵｌｅａｓｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅꎬＦϵＬＭＳ)控制器[６３]ꎮ笔者[６４]对传统的ＦｘＮＬＭＳ算法进行了改进ꎬ依据多项式改进ＰＩ模型ꎬ对磁致伸缩微振动隔振系统的非对称迟滞进行了补偿控制ꎮ５.３㊀复合控制方法反馈控制和前馈控制各有优缺点ꎮ为提高微振动０７２ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３８卷隔振系统的性能ꎬ研究人员提出了反馈与前馈结合的复合控制方法ꎮ反馈控制和前馈控制的特性比较如表１所示ꎮ表１㊀振动反馈和前馈控制的比较方法优点缺点反馈(主动阻尼)(１)不需要进行建模ꎻ(２)配对控制时能保证系统稳定性ꎮ(１)仅对共振频率处的微振动干扰控制效果较好ꎮ反馈(基于模型)(１)能有效抑制低于系统截止频率的所有干扰ꎮ(１)隔振带宽受到限制ꎻ(２)高于截止频率的所有干扰被放大ꎻ(３)容易出现频率泄露的现象ꎮ前馈(１)对窄带微振动干扰的控制效果好ꎻ(２)隔振频带宽ꎮ(１)需要已知微振动干扰ꎻ(２)大量的实时运算ꎬ对硬件要求高ꎮ㊀㊀笔者[６５]利用ＰＩ反馈和ＦＩＲ前馈复合控制对噪声干扰下的原子力显微镜(ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙꎬＡＦＭ)的探针振动进行了主动控制ꎬ实验结果表明:控制器能有效减少窄带和宽带噪声导致的ＡＦＭ扫描图像的条纹和畸变ꎮＷＡＮＧ等[６６]利用力反馈和自适应前馈协同控制对多维微振动进行了主动控制ꎮ实验结果表明:利用自适应前馈控制器能对多频简谐干扰进行抑制ꎻ而利用基于主动阻尼的力反馈控制器能对有限宽带内的随机微振动干扰进行抑制ꎮ５.４㊀新型控制方法由于主动隔振系统的模型复杂㊁具有多个控制目标以及受到外界干扰的影响ꎬ在某些情况下ꎬ利用传统控制方法无法实现预期的微振动隔离效果ꎬ因此人们对新型控制方法[６７]进行了探索和研究ꎬ例如鲁棒控制㊁自适应控制㊁预测控制㊁模糊控制㊁滑模控制等ꎮ若隔振系统有模型不确定性ꎬ或者存在外部扰动ꎬ则闭环反馈控制系统可能出现不稳定ꎮ对此ꎬ研究人员基于鲁棒理论设计了具有鲁棒稳定性的控制器ꎮ控制器的结构框图如图９所示ꎮ图９㊀模型不确定性系统的鲁棒控制Δ 模型不确定性ꎻＫ 控制器ꎻｗ 外界干扰ꎻｕ 控制输入ꎻｖ 反馈信号ꎻｚ 系统输出针对系统模型不确定性㊁多控制目标ꎬＯＯＭＥＮ等[６８]设计了基于Ｈɕ范数在线估计的鲁棒控制器ꎬ对多维微振动干扰进行抑制ꎮ根据鲁棒控制理论ꎬ利用Ｈ２控制可以保证系统的名义性能ꎬ利用Ｈɕ控制可以提高系统在参数不确定或高频模态未建模时的鲁棒稳定性ꎮＭＥＬＥＩＳ等[６９]设计了Ｈ２/Ｈɕ复合控制器ꎬ并通过实验分析了其在微重力隔振系统上的有效性ꎮ为提高控制器的实时性ꎬ对Ｈ２/Ｈɕ控制器进行了降阶处理ꎮ除了Ｈ２和Ｈɕ控制外ꎬμ综合控制也在微振动主动隔振系统中得到了应用ꎮμ综合控制的基本原理是对隔振系统的结构奇异值进行最优化ꎬ这样即使隔振系统的刚度和阻尼在一定范围内变化ꎬ隔振系统仍具有良好的鲁棒稳定性和鲁棒性能ꎮ当隔振系统的模型参数或者周围环境特征缓慢变化时ꎬ利用自适应算法调节控制器的参数ꎬ能实现微振动的有效控制ꎮＺＵＯ等[７０]提出了自适应模型趋近控制方法ꎬ不同于传统的模型参考自适应控制方法ꎬ它的控制目标是模型的状态变量而不是跟踪误差ꎬ控制器中的参考模型是５.１节中提到的 天棚模型 ꎮ考虑到柔性梁在旋转过程中弹性模量和转动惯量会发生变化ꎬＬＩ等[７１]设计了一种输出力矩能自动调节的自适应控制器ꎮ鲁棒自适应控制器结合了鲁棒控制和自适应控制的优点ꎬ既能应对隔振系统的模型参数不确定性问题ꎬ又能解决系统中未知的非线性问题ꎮＳＵＮ等[７２ꎬ７３]将鲁棒自适应控制方法应用于电液驱动的主动悬置系统ꎮ考虑到主动悬置系统在运行过程中有效负载的质量会发生变化ꎬＬＩ等[７４]利用Ｔａｋａｇｉ–Ｓｕｇｅｎｏ模糊方法建立了系统的模糊模型ꎬ当系统的载荷质量变化时ꎬ该模型的输出也会随之变化ꎻ在模糊模型的基础上ꎬ作者设计了滑模控制器ꎬ使得系统的状态变量在特定的滑模平面上变化ꎮ６㊀研究展望６.１㊀驱动传感一体式隔振系统在一些应用场合中ꎬ受到结构尺寸的限制以及使用环境的影响ꎬ驱动器不能较好地和外部传感器兼容ꎮ基于自传感技术的微振动隔振平台是一种较为理想的解决方案ꎮ这种技术在反馈量易自检的驱动器中比较常见ꎬ如静电㊁压电[７５￣７７]和电力[７８]驱动器ꎮ基于ＭＥＭＳ的驱动传感一体化隔振系统具有体积小㊁功率密度高等优点ꎬ应用前景广泛ꎮ６.２㊀振动能量回收微振动的主动控制是通过驱动器主动耗散微振动１７２ 第３期易思成ꎬ等:微振动主动隔振系统的研究综述。

大荷载设备隔振技术在风洞试验中的应用随着科技的发展和工程技术的不断进步，大荷载设备在实际应用中的需求也越来越高。

然而，大荷载设备的振动问题一直是制约其发展和应用的一个重要因素。

振动不仅会影响设备的稳定性和性能，还可能给设备带来损坏甚至失效的风险。

因此，为了解决大荷载设备振动问题，在风洞试验中采用了隔振技术。

大荷载设备隔振技术是一种将设备与外界环境隔绝的方法，有效地减少振动对设备的影响。

在风洞试验中，大荷载设备经常需要承受强烈的气流冲击和振动，因此需要采用一种能够抑制振动的隔振技术，确保设备能够正常运行。

在大荷载设备隔振技术的应用中，主要有以下几种方法：1. 弹簧隔振技术：弹簧隔振是最常见的一种隔振技术，通过在设备和基础之间设置弹簧，可以减少振动的传递。

弹簧的弹性特性可以吸收和分散振动能量，使得振动能够得到有效地衰减。

这种方法适用于大荷载设备在风洞试验中的振动隔离。

2. 液体隔振技术：液体隔振技术通过在设备和基础之间填充一层粘稠的液体，利用液体的黏性和阻尼特性来减少振动的传递。

液体隔振具有较好的效果，可以有效地减小设备的振动幅度，提高设备的稳定性和精度。

3. 主动隔振技术：主动隔振技术是一种采用控制设备和传感器感知环境振动，通过反馈控制系统实时调整隔振装置工作状态的方法。

主动隔振技术可以根据实际振动情况进行调整，以达到最佳的隔振效果。

在风洞试验中，主动隔振技术可以根据风洞工况和设备的振动情况，实时调整隔振装置的控制参数，达到最佳的隔振效果。

通过以上几种隔振技术的应用，大荷载设备在风洞试验中的振动问题得到了显著的改善。

隔振技术的应用可以有效地降低设备的振动幅度，提高设备的稳定性和精度，保证风洞试验的准确性和有效性。

隔振技术在风洞试验中的应用还可以解决设备与环境之间的耦合问题。

由于风洞试验环境的特殊性，设备与环境之间存在耦合效应，即设备的振动会对风洞试验产生干扰，反过来也会受到风洞试验环境的振动干扰。

扫描探针显微镜主动隔振研究的开题报告一、研究背景隔振技术早已应用于各种仪器，其中包括超快激光成像和分析，扫描探针显微镜等。

传统的被动隔振有很大的缺点，比如它们的成本很高，在高频振动下效果不佳，因此需要更好的隔振技术。

主动隔振技术是一种有效的隔振控制方法，在扫描探针显微镜主动隔振研究中得到了广泛的应用。

它提供了更好的抑制噪声和减少振动干扰的可能性。

然而，尽管主动隔振的原理已被发现，但现在关注的是其结果，在实际应用中的效果如何。

因此，针对主动隔振技术对扫描探针显微镜所产生的影响进行研究，对进一步提高扫描探针显微镜成像和分析的精度有着重要的现实意义。

二、研究目的本研究旨在探索和分析使用主动隔振技术对扫描探针显微镜的影响，提高其成像和分析的精度。

三、研究内容及方法研究包括以下内容：1.了解扫描探针显微镜和主动隔振技术的相关知识，研究主动隔振的基本工作原理和实现方法。

2.分析主动隔振技术的影响，研究其在扫描探针显微镜中的应用。

比较传统被动隔振和主动隔振的优缺点。

3.设计和实现主动隔振系统，并在扫描探针显微镜中进行测试。

进行不同条件下的实验研究，比较不同振动和干扰条件下主动隔振系统的效果。

4.分析和评估主动隔振技术在扫描探针显微镜中的应用效果。

方法：1.查阅现有文献资料，获取相关知识。

2.分析现有技术，了解隔振系统的基本原理和实现方法。

3.根据已有研究结果和文献资料，进行主动隔振系统的设计和实现。

4.进行实验研究，收集数据并进行分析。

5.根据实验结果和数据分析，评估主动隔振技术在扫描探针显微镜中的应用效果。

四、研究意义1.提高扫描探针显微镜成像和分析的精度和可靠性。

2.促进主动隔振技术在各种仪器中的应用，提高精密机器的工作效率。

3.为相关领域的进一步研究提供参考和借鉴。

五、预期结果1.设计和实现主动隔振系统。

2.比较传统被动隔振和主动隔振技术的优劣。

3.验证主动隔振技术在扫描探针显微镜中的应用效果。