一种压电纤维片的Stewart隔振平台及其控制方法

一种压电纤维片的stewart隔振平台及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及隔振装置技术领域，特别是涉及一种压电纤维片的stewart隔振平台及其控制方法。


背景技术：

2.当前，遥感卫星多应用于对环境资源、自然灾害、城市规划等方面进行调查、分析的工作。遥感卫星所搭载的光学设备在空间轨道进行工作时，往往会受到摆动部件、动量轮等高速转动部件的影响，这些因素会引起遥感卫星成像系统的微小振动，这极大地制约了遥感卫星成像的质量。因此，对遥感卫星光学设备等精密设备的隔振技术研究势在必行。
3.传统的被动隔振技术，结构简单，运行平稳，隔振效果已经难以满足实际使用需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种压电纤维片的stewart隔振平台及其控制方法，以实现采用主动隔振的方式提高隔振效果。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种压电纤维片的stewart隔振平台，所述隔振平台包括：负载上平台、基础下平台、控制器及设置在负载上平台和基础下平台之间的多个单腿隔振单元组，每个所述单腿隔振单元组包括两个单腿隔振单元；
7.所述单腿隔振单元包括第一膜片弹簧和第二膜片弹簧，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧的两侧分别设置有mfc作动器和mfc传感器；
8.所述mfc传感器和所述mfc作动器均与所述控制器连接。
9.可选的，所述单腿隔振单元组的数量为3，3个所述单腿隔振单元组沿所述负载上平台和所述基础下平台的周向分布。
10.可选的，负载上平台的下表面开设有多个上凹槽组，每个所述上凹槽组包括两个上凹槽，每个所述上凹槽内均开设有第一螺纹通孔；基础下平台的上表面对应的开设有多个下凹槽组，每个所述下凹槽组包括两个下凹槽，每个所述下凹槽内均开设有第二螺纹通孔；
11.所述单腿隔振单元的上端卡在所述上凹槽内，并通过所述第一螺纹通孔与所述负载上平台固定；所述单腿隔振单元的下端卡在所述下凹槽内，并通过所述第二螺纹通孔与所述基础下平台固定。
12.可选的，所述单腿隔振单元包括上安装角座、第一长安装杆、第一短安装杆、第一膜片弹簧、第二膜片弹簧、第二短安装杆、第二长安装杆和下安装角座；
13.所述上安装角座的一侧与所述负载上平台的下表面固定连接，所述上安装角座的另一侧与所述第一长安装杆的一端固定连接，所述第一长安装杆的另一端与所述第一短安装杆的一端固定连接；
14.所述下安装角座的一侧与所述基础下平台的上表面固定连接，所述下安装角座的另一侧与所述第二长安装杆的一端固定连接，所述第二长安装杆的另一端与所述第二短安装杆的一端固定连接；
15.所述第一膜片弹簧的一端固定在所述第一长安装杆和第一短安装杆之间，所述第一膜片弹簧的另一端通过螺栓固定在所述第二短安装杆的另一端；
16.所述第二膜片弹簧的一端固定在所述第二长安装杆和第二短安装杆之间，所述第二膜片弹簧的另一端通过螺栓固定在所述第一短安装杆的另一端；
17.所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧相对的一侧均粘贴有mfc传感器；所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧的另一侧均粘贴有mfc作动器。
18.可选的，所述第一长安装杆、所述第一短安装杆、所述第二长安装杆、所述第二短安装杆的一端均设置有外螺纹，所述第一长安装杆、所述第一短安装杆、所述第二长安装杆、所述第二短安装杆的另一端均开设有带有内螺纹的第一螺纹孔。
19.可选的，所述上安装角座和所述下安装角座均为带有斜切截面的棱柱结构；
20.所述斜切截面为横切棱柱结构的一端面上的第一直线与棱柱的一侧面上的第二直线而形成的截面；所述第一直线与所述第二直线相互平行；
21.所述斜切截面上开设有第二螺纹孔，所述第二螺纹孔用于固定所述第一长安装杆或所述第二长安装杆的一端；
22.所述棱柱结构的未横切的端面上开设有第三螺纹孔，所述第三螺纹孔用于将所述上安装角座固定在所述负载上平台的下表面或将所述下安装角座固定在所述基础下平台的上表面。
23.可选的，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧均为板梁状结构，所述板梁状结构的两端开设有通孔。
24.一种压电纤维片的stewart隔振平台的控制方法，所述控制方法应用于所述隔振平台；所述控制方法包括如下步骤：
25.获取每个第一膜片弹簧和每个第二膜片弹簧上的mfc传感器采集的振动形变信号；
26.采用rbf神经网络算法、pi积分力控制算法、自适应rls算法和/或自适应lms算法分别确定消除每个所述振动形变信号所需的控制量；
27.分别根据消除每个所述振动形变信号所需的控制量对应的控制每个所述第一膜片弹簧和每个所述第二膜片弹簧上的mfc作动器。
28.可选的，所述rbf神经网络算法的rbf神经网络包括输入层、隐含层和输出层；
29.所述隐含层的节点传递函数为高斯函数，所述输出层的节点传递函数为线性函数。
30.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
31.本发明公开了一种压电纤维片的stewart隔振平台，所述隔振平台包括：负载上平台、基础下平台、控制器及设置在负载上平台和基础下平台之间的多个单腿隔振单元组，每个所述单腿隔振单元组包括两个单腿隔振单元；所述单腿隔振单元包括第一膜片弹簧和第二膜片弹簧，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧的两侧分别设置有mfc作动器和mfc传感器；所述mfc传感器和所述mfc作动器均与所述控制器连接。本发明通过mfc传感器采集每
个第一膜片弹簧和第二膜片弹簧上的振动形变信号发送给控制器，控制器确定消除振动形变信号所需的控制量，控制mfc作动器，实现了主动隔振，提高了振动效果。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明提供的一种压电纤维片的stewart隔振平台的结构图；
34.图2为本发明提供的负载上平台的三维结构；
35.图3为本发明提供的单腿隔振单元的结构示意图；
36.图4为本发明提供的膜片弹簧的三维结构图；
37.图5为本发明提供的安装角座的剖视图；
38.图6为本发明提供的压电纤维片的stewart隔振平台的几何原理示意图；
39.图7为本发明提供的作用机理对比图；图7(a)为传统的被动隔振平台的作用机理示意图，图7(b)为本发明的压电纤维片的stewart隔振平台的作用机理示意图；
40.图8为本发明提供的rbf神经网络的结构示意图；
41.图9为本发明提供不同隔振平台的传递率曲线对比图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.本发明的目的是提供一种压电纤维片的stewart隔振平台及其控制方法，以实现采用主动隔振的方式提高隔振效果，即，本发明提供的振动平台及其控制方法用于解决精密设备在微振动下干扰的问题，该隔振平台采用压电纤维复合材料mfc作为传感器以及作动器，搭建主动控制隔振系统。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.如图1所示，本发明提供一种压电纤维片的stewart隔振平台，所述隔振平台包括：负载上平台1、基础下平台2、控制器3及设置在负载上平台和基础下平台之间的多个单腿隔振单元组，每个所述单腿隔振单元组包括两个单腿隔振单元4；
46.所述单腿隔振单元4上设置有第一膜片弹簧41和第二膜片弹簧42，所述第一膜片弹簧41和所述第二膜片弹簧42的两侧分别设置有mfc作动器43和mfc传感器44；所述mfc传感器44和所述mfc作动器43均与所述控制器3连接。每个第一膜片弹簧41和每个第二膜片弹簧42上的mfc传感器44用于采集每个第一膜片弹簧41和第二膜片弹簧42上的振动形变信号，并发送给控制器3，控制器3用于确定消除振动形变信号所需的控制量，控制每个第一膜片弹簧41和每个第二膜片弹簧42上的mfc作动器43，以消除每个第一膜片弹簧41和每个第
二膜片弹簧42上的振动形变量。
47.其中，压电纤维复合材料mfc(macro fiber composite)是一种新型的功能复合材料，利用压电效应能够驱动和传感，具有体积小、响应灵敏、驱动简单等优点，主要应用于大载荷、高应变的场合。
48.所述单腿隔振单元组的数量为3，3个所述单腿隔振单元组沿所述负载上平台和所述基础下平台的周向分布。
49.本发明的负载上平台1为一环状板，在下表面开有上凹槽并设有第一螺纹通孔，该上凹槽用于单腿隔振单元定位，通过沉头螺钉将负载上平台1与单腿隔振单元4连接。本发明的基础下平台的结构与负载上平台类似。本发明的单腿隔振单元共有六个，每两个为一组，沿环状板圆周间隔120
°
均匀分布，单腿隔振单元既可以用作被动隔振也可以外加控制器用于主动隔振。
50.具体的，如图2所示，负载上平台1的下表面开设有多个上凹槽组，每个所述上凹槽组包括两个上凹槽11，每个所述上凹槽内均开设有第一螺纹通孔12。对应的基础下平台2的上表面对应的开设有多个下凹槽组，每个所述下凹槽组包括两个下凹槽，每个所述下凹槽内均开设有第二螺纹通孔。所述单腿隔振单元4的上端卡在所述上凹槽11内，并通过所述第一螺纹通孔12与所述负载上平台1固定；所述单腿隔振单元4的下端卡在所述下凹槽内，并通过所述第二螺纹通孔与所述基础下平台2固定。
51.如图3所示，单腿隔振单元4包括上安装角座45、第一长安装杆46、第一短安装杆47、第一膜片弹簧41、第二膜片弹簧42、第二短安装杆48、第二长安装杆49和下安装角座410；所述上安装角座45的一侧与所述负载上平台1的下表面固定连接，所述上安装角座45的另一侧与所述第一长安装杆46的一端固定连接，所述第一长安装杆46的另一端与所述第一短安装杆47的一端固定连接。
52.所述下安装角座410的一侧与所述基础下平台2的上表面固定连接，所述下安装角座410的另一侧与所述第二长安装杆49的一端固定连接，所述第二长安装杆49的另一端与所述第二短安装杆48的一端固定连接。
53.所述第一膜片弹簧41的一端固定在所述第一长安装杆46和第一短安装杆47之间，所述第一膜片弹簧41的另一端通过螺栓固定在所述第二短安装杆48的另一端。
54.所述第二膜片弹簧42的一端固定在所述第二长安装杆49和第二短安装杆48之间，所述第二膜片弹簧42的另一端通过螺栓固定在所述第一短安装杆47的另一端。
55.所述第一膜片弹簧41和所述第二膜片弹簧42相对的一侧均粘贴有mfc传感器44；所述第一膜片弹簧41和所述第二膜片弹簧42的另一侧均粘贴有mfc作动器43。
56.所述第一长安装杆46、所述第一短安装杆47、所述第二长安装杆49、所述第二短安装杆48的一端均设置有外螺纹，所述第一长安装杆46、所述第一短安装杆47、所述第二长安装杆49、所述第二短安装杆48的另一端均开设有带有内螺纹的第一螺纹孔。
57.如图5所示，所述上安装角座45和所述下安装角座410均为带有斜切截面411的棱柱结构；所述斜切截面为横切棱柱结构的一端面上的第一直线与棱柱的一侧面上的第二直线而形成的截面；所述第一直线与所述第二直线相互平行；所述斜切截面411上开设有第二螺纹孔412，所述第二螺纹孔412用于固定所述第一长安装杆46或所述第二长安装杆49的一端；所述棱柱结构的未横切的端面上开设有第三螺纹孔413，所述第三螺纹孔413用于将所
述上安装角座45固定在所述负载上平台1的下表面或将所述下安装角座410固定在所述基础下平台2的上表面。
58.如图4所示，所述第一膜片弹簧41和所述第二膜片弹簧42均为板梁状结构，所述板梁状结构的两端开设有通孔。在单腿隔振单元中，共有两个膜片弹簧(第一膜片弹簧41和第二膜片弹簧42)，其基本结构为板梁状，两边开有通孔，通过两排安装杆固定。在膜片弹簧两侧均粘贴有压电纤维复合材料mfc，内侧的两个mfc压电纤维片用于传感器，即mfc传感器，用于采集膜片弹簧变形信号，外侧的两个mfc压电纤维片用于作动器，即mfc作动器，通过外接控制器，可以对膜片弹簧的形变量进行抵消，起主动隔振作用。
59.图6为本发明中压电纤维片的stewart隔振平台的原理示意图。并联式隔振结构的研究采用依托于六腿(六自由度a，b，c，d，e，f)式stewart平台并联机构，由负载上平台1、基础下平台2及六根完全相同的单腿隔振单元4以一定的结构形式组成，图6中的x
b
、y
b
、z
b
为3个坐标轴方向，平台在图6的x/y方向运动时，本发明采用空间立方体构型，单腿隔振单元之间的运动相互独立不发生耦合。
60.本发明中的负载上平台、单腿隔振单元、基础下平台可以构成被动隔振平台。
61.本发明中膜片弹簧两侧粘贴有mfc压电纤维片(mfc传感器和mfc作动器)，可以采集到膜片弹簧形变信号，通过外接控制器，可以起主动控制隔振作用。
62.在实际工作过程中，由激励源传递微振动信号到基础下平台，基础下平台和安装角座(包括上安装角座和下安装角座)以及安装杆(包括第一长安装杆、第一短安装杆、第二长安装杆、第二短安装杆)可以等效视作刚体，将振动传递至膜片弹簧，膜片弹簧通过快速的微振动不断地耗散振动能量，同时也会把振动传递至负载上平台，通过不同的应用场景需要对膜片弹簧的尺寸与材料进行选型。在主动控制中，通过mfc压电纤维片(mfc传感器)采集到膜片弹簧振动信号，经过控制器输出作用，驱动mfc压电纤维片(mfc作动器)产生一个作动力以抵消膜片弹簧振动，阻止振动的传递。
63.如图7(a)所示，传统的被动隔振平台作用机理为：质量
‑
阻尼
‑
刚度单元构成，实现被动隔振，其传递函数为：
[0064][0065]
式中x1为负载上平台振动响应位移，x0为基础下平台初始激励位移，m是负载上平台的质量，c为机构的等效阻尼，k为机构的等效刚度，该式是在复数域内进行表示，s为变量。
[0066]
图7(b)为本发明的压电纤维片的stewart隔振平台的作用机理示意图。与传统的被动隔振平台相比，本发明采用膜片弹簧与压电纤维复合材料mfc复合的方式，由内侧mfc压电纤维片采集振动信号，通过外接控制器作用于外侧mfc压电纤维片，对膜片弹簧的振动进行抑制。
[0067]
本发明还提供一种压电纤维片的stewart隔振平台的控制方法，所述控制方法应用于所述隔振平台；本发明的控制方法包括采集形变振动信号步骤、计算控制输出信号步骤、控制输出量传递步骤；在采集形变振动信号步骤中通过膜片弹簧内侧的mfc压电纤维片(mfc传感器)采集膜片弹簧的振动形变信号，将振动形变信号通过导线传递给控制器；在计算控制输出信号步骤中，将振动信号通过rbf神经网络算法、pi积分力控制算法、自适应rls
算法和/或自适应lms算法作用得到实际的控制量进行输出；在传递步骤中，将控制器输出的控制量传递给mfc作动器，驱动mfc作动器对膜片弹簧的振动做出响应。
[0068]
具体的，所述控制方法包括如下步骤：获取每个第一膜片弹簧和每个第二膜片弹簧上的mfc传感器采集的振动形变信号；位于膜片弹簧内侧的两个压电纤维复合材料mfc(mfc传感器)分别采集第一膜片弹簧和第二膜片弹簧在外界激励下的振动信号，当膜片弹簧发生形变时，mfc传感器会产生相应的电荷量，形变越大，产生的电荷量越多。采集到的形变信号量q
i
(i＝0,
…
,12)通过导线传递给控制器。
[0069]
采用rbf神经网络算法、pi积分力控制算法、自适应rls算法和/或自适应lms算法分别确定消除每个所述振动形变信号所需的控制量；对控制器输入膜片弹簧形变信号q
i
，经过主动控制算法运算得到控制输出信号即控制量s
i
(i＝0,
…
,12)，将输出的控制量s
i
作用于外侧两个mfc压电纤维片(mfc作动器)。
[0070]
分别根据消除每个所述振动形变信号所需的控制量对应的控制每个所述第一膜片弹簧和每个所述第二膜片弹簧上的mfc作动器。
[0071]
将控制器输出的两个控制量分别传递给对应的mfc作动器，以驱动mfc作动器产生作动力恢复膜片弹簧原始形变，从而进行单腿隔振单元的主动振动控制。
[0072]
如图8所示，本发明的rbf神经网络是一种局部逼近的神经网络，包括输入层、隐含层和输出层；输入层节点传递输入信号到隐含层，隐含层节点传递函数选用高斯函数，输出层节点是简单的线性函数，通过rbf神经网络可以对原系统进行逼近。
[0073]
rbf神经网络中，x＝[x1,x2,
…
,x
n
]
t
为网络输入，h
j
为隐含层第j个神经元的输出，即：
[0074][0075]
其中，c
j
＝[c
j1
,
…
,c
jn
]
t
为第j个隐层神经元的中心点矢量值，高斯基函数的宽度矢量为b＝[b1,
…
,b
m
]
t
，网络的权值为w＝[w1,
…
,w
m
]
t
。
[0076]
rbf网络的输出为：
[0077]
y
m
(t)＝w1h1+w2h2+
…
w
m
h
m
[0078]
图9为传统隔振平台、本发明被动隔振和本发明主动控制下的传递率曲线对比图。从图9中实线可以看出传统隔振平台在共振处峰值较高，并且固有频率也较为靠后，高频处的衰减性也较差；从图9中点线可以看出本发明的振动平台在被动隔振下，固有频率发生前移，共振峰峰值降低，隔振带宽较大，可以起到一个较好的隔振效果；从图9中虚线可以看出本发明的振动平台在主动控制下，在膜片弹簧上粘贴mfc压电纤维片，通过rbf神经网络算法，实现前馈主动控制，保证高频高衰减的同时也抑制共振峰峰值。
[0079]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0080]
本发明的隔振平台实际为主动隔振单元、被动隔振单元复合构成，负载上平台、基础下平台、膜片弹簧、安装杆、安装角座共同组成被动隔振单元；压电制动器、压电纤维复合材料mfc(mfc传感器、mfc作动器)以及控制器形成闭环的主动隔振单元。
[0081]
在被动隔振单元中往往需要根据隔振需求选用不同刚度属性的膜片弹簧，膜片弹簧要与压电纤维复合材料mfc尺寸相适应。在环状平台开有槽面，对单腿减振单元起定位作
用。
[0082]
在主动隔振单元中，位于膜片弹簧内侧的两个压电复合材料mfc当作应变传感器，mfc具有定向驱动和传感、随时可嵌入等特点。mfc将采集到的振动信号传递给控制器，控制器根据主动控制算法对输入信号进行处理，得到实时控制量，输出给压电致动器，最终把控制量作用在外侧两个压电复合材料mfc上，产生微变形抵消振动，减小负载平台振动，起到抑制振动效果。
[0083]
本发明所述的隔振平台结构简单，维护成本较低，控制方法易于实现，可以有效降低系统固有频率，实现高频高衰减性。
[0084]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0085]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。