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微制造平台振动主动控制研究

作　者: 张春良
导　师: 陈子辰
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微制造平台仿生学隔振振动主动控制模糊广义预测控制超磁致伸缩致动器空气弹簧动力学振动传递率遗传算法
分类号: TH703
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本论文以研究微制造平台振动主动控制为主要目的,结合国家自然科学基金资助项目“精密装置仿生隔振系统理论及基础技术研究”(No.50075078),积极吸收相关学科的新思想、新理论、新技术,采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法,建立了微制造平台六自由度仿生隔振系统及其振动模型,系统地进行了动力学分析、优化、控制和相应的技术基础研究与实验研究。第一章,阐述了本论文研究的背景与意义,详细介绍了国内外振动主动控制技术的研究现状以及微制造平台隔振技术国内外的发展情况,提出了论文研究的主要内容。第二章,在分析啄木鸟头部独特生物构造及其隔振机理的基础上,运用仿生学原理,建立了微制造平台六自由度仿生隔振系统及其动力学模型;定义和研究了在基础干扰和直接干扰同时作用的复杂环境下隔振系统的振动传递率问题;研究了微振动环境下空气弹簧的振动模型;对微制造平台隔振系统进行了实验模态分析。第三章,针对宽频干扰信号,提出了以主动控制频率范围内振动传递率的积分最小为优化目标函数,应用遗传算法对主动控制系统反馈参数进行了优化计算。基于控制系统可控性和可观性准则,对致动器/传感器的优化配置进行了分析。研究了微制造平台双层隔振系统在基础干扰和直接干扰同时作用的复杂激励环境下、对于主动隔振致动器的3种不同安装方式下的动力学特性,分析了主动控制力与被动隔振器参数之间的关系。第四章,在分析超磁致伸缩材料工作特性的基础上,研制了一种用于微制造隔振平台振动主动控制的超磁致伸缩致动器,对超磁致伸缩致动器的静态特性和动态特性进行了实验测试与分析,对其输出特性进行了建模。第五章,研究了PID控制、LQG控制、H∞控制、模糊控制和神经网络控制等多种控制方法在微制造平台振动主动控制中的应用,通过计算机仿真方法研究了各控制算法对不同干扰类型、不同频段的振动控制效果,并进行了分析比较。研究表明采用模糊控制或神经网络控制时,主动控制的效果明显优于PID控制、LQG控制或H∞控制。第六章,在研究广义预测控制算法的基础上,提出了一种改进的自适应广义预测控制算法。该改进算法既考虑了控制信号的纵向信息,又考虑了控制信号的横向信息,不仅可使控制系统具有容错能力,减少控制信号的振荡性和饱和性;而且有利于抑制超调和提高跟踪速度,特别是对提高存在不确定性时滞系统的广义预测控制性能和鲁棒性效果明显。将所提出的改进自适应广义预测控制算法与模糊控制结合起来,应用于微制造平台的振动主动控制中,实现了广义预测控制与模糊控制的优势互补。仿真研究表明所设计的微制造平台模糊广义预测控制系统具有良好的鲁棒稳定性、抗干扰能力和时域性能,可在非常宽的频率范围内将由基础干扰和直接干扰所引起的微制造平台的振动在被动控制的基础上减少90%以上,效果十分显著。第七章,研制了基于工业PC机为核心的微制造平台振动主动控制系统,进行了相应的软硬件系统设计,对微制造平台进行了被动隔振、PID控制和模糊广义预测控制的实验研究。实验结果表明采用本文所提出的模糊广义预测控制算法可使微制造平台的振动在被动隔振的基础上减少80%左右,比采用PID控制算法时的控制效果有明显的改善。第八章,对本论文的研究工作和研究成果进行了总结,展望了未来的研究工作。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-12
第一章绪论  12-22
  1．1 课题研究的背景与意义  12-13
  1．2 振动主动控制技术国内外研究现状与发展  13-19
    1．2．1 主动振动控制中致动器与传感器的研究  14-16
    1．2．2 系统建模与模型简化  16
    1．2．3 主动振动控制中控制器的研究  16-17
    1．2．4 主动振动控制中传感器/致动器的优化配置  17-19
  1．3 微制造平台隔振技术国内外发展现状  19-20
  1．4 论文的主要研究内容  20-22
第二章微制造平台主动隔振系统设计与动力学分析  22-46
  2．1 仿生隔振原理研究  22-26
    2．1．1 仿生学概论  22
    2．1．2 仿生学研究方法和工程实例  22-24
    2．1．3 啄木鸟头部构造及其隔振机理  24-26
  2．2 微制造平台主动隔振系统设计  26-28
    2．2．1 微制造平台隔振系统仿生原理设计  26
    2．2．2 微制造平台主动隔振系统结构设计  26-28
  2．3 微制造平台主动隔振系统振动模型及其动力学方程  28-31
    2．3．1 振动模型与动力学方程  28-30
    2．3．2 动力学方程的简化  30-31
  2．4 微制造平台主动隔振系统的动力学分析  31-40
    2．4．1 基础干扰作用下的振动传递率  31-34
    2．4．2 基础干扰与直接干扰同时作用时的振动传递率  34-40
  2．5 空气弹簧及其振动模型  40-42
    2．5．1 空气弹簧的特点  40-41
    2．5．2 空气弹簧的刚度计算  41
    2．5．3 空气弹簧的振动模型  41-42
  2．6 微制造平台隔振系统实验模态分析  42-45
    2．6．1 模态分析理论  42-44
    2．6．2 模态分析实验  44
    2．6．3 微制造平台隔振系统的模态坐标运动方程  44-45
  2．7 本章小结  45-46
第三章微制造平台主动隔振系统优化研究  46-61
  3．1 主动控制系统致动器的优化配置  46-48
  3．2 主动控制系统传感器的优化配置  48-49
  3．3 微制造平台双层隔振系统致动器安装方式合理性分析  49-55
    3．3．1 致动器仅作用于隔振对象时的动力学分析  49-51
    3．3．2 致动器安装于中间质量与基础之间时的动力学分析  51-52
    3．3．3 致动器安装于隔振对象与中间质量之间时的动力学分析  52-54
    3．3．4 结论  54-55
  3．4 基于遗传算法的主动控制系统反馈参数优化  55-60
    3．4．1 主动控制系统优化模型  55-56
    3．4．2 基于遗传算法的主动控制系统反馈参数优化  56-57
    3．4．3 主动控制系统反馈参数优化结果  57-60
  3．5 本章小结  60-61
第四章超磁致伸缩致动器非线性模型与特性研究  61-73
  4．1 超磁致伸缩材料  61-62
  4．2 超磁致伸缩致动器的结构与磁路设计  62-65
    4．2．1 超磁致伸缩致动器的结构  62-63
    4．2．2 磁路分析与设计  63
    4．2．3 空心线圈绕组的设计  63-64
    4．2．4 偏置磁场的大小  64-65
  4．3 超磁致伸缩致动器的静态特性  65-68
    4．3．1 电流-输出位移  65-66
    4．3．2 预压力-输出位移  66-67
    4．3．3 电流-输出力  67
    4．3．4 滞回性  67-68
  4．4 超磁致伸缩致动器的动态特性  68-71
    4．4．1 超磁致伸缩致动器动态位移输出特性  68-69
    4．4．2 超磁致伸缩致动器的动态驱动力输出特性  69-71
  4．5 超磁致伸缩致动器的非线性模型与分析  71-72
  4．6 本章小结  72-73
第五章微制造平台振动主动控制算法的比较研究  73-94
  5．1 微制造平台振动的 P功控制  73-76
    5．1．1 数字 PID控制  73-74
    5．1．2 微制造平台振动的 PID控制仿真研究  74-76
  5．2 微制造平台振动的 LQG控制  76-78
    5．2．1 微制造平台振动的 LQG控制模型  76-77
    5．2．2 微制造平台振动的 LQG控制仿真研究  77-78
  5．3 微制造平台振动的 H_∞控制  78-82
    5．3．1 H_∞控制理论  78-79
    5．3．2 微制造平台振动的 H_∞控制器的设计  79-81
    5．3．3 微制造平台振动的 H_∞控制仿真研究  81-82
  5．4 微制造平台振动的模糊控制  82-87
    5．4．1 模糊控制的基本概念  82-83
    5．4．2 微制造平台振动的模糊控制器设计  83-85
    5．4．3 微制造平台振动的模糊控制仿真研究  85-87
  5．5 微制造平台振动的神经网络控制  87-89
    5．5．1 微制造平台振动的神经网络控制模型  87-88
    5．5．2 微制造平台振动的神经网络控制仿真研究  88-89
  5．6 控制算法的比较  89-93
  5．7 本章小结  93-94
第六章微制造平台振动的模糊广义预测控制研究  94-113
  6．1 广义预测控制理论  94-96
  6．2 改进的自适应加权广义预测控制  96-102
    6．2．1 改进的加权广义预测控制  96-99
    6．2．2 自适应广义预测控制直接算法  99-102
  6．3 模糊广义预测控制  102-104
    6．3．1 模糊广义预测控制模型  102
    6．3．2 加权系数调节器  102-104
  6．4 微制造平台振动的模糊广义预测控制律的设计  104-106
    6．4．1 微制造平台隔振系统运动方程的离散化  104-105
    6．4．2 微制造平台隔振系统模糊广义预测控制律的设计  105-106
  6．5 微制造平台振动控制系统稳定性分析  106-109
    6．5．1 一步预测控制的稳定性分析  106-108
    6．5．2 改进型加权广义预测控制的稳定性分析  108-109
  6．6 微制造平台振动的模糊广义预测控制仿真  109-112
    6．6．1 模糊广义预测控制仿真与性能分析  109-111
    6．6．2 微制造平台振动的模糊广义预测控制仿真  111-112
  6．7 本章小结  112-113
第七章微制造平台振动主动控制实验研究  113-120
  7．1 微制造平台振动主动控制实验系统  113-114
  7．2 微制造平台振动主动控制系统软件设计  114-116
  7．3 微制造平台振动控制实验研究  116-119
    7．3．1 正弦激励振动控制实验  116-118
    7．3．2 基础干扰振动控制实验  118-119
  7．4 本章小结  119-120
第八章结论与展望  120-123
  8．1 主要结论  120-121
  8．2 展望  121-123
参考文献  123-133
攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况  133-134

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