专利名称：一种实时的计算机振动主动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对减振装置进行控制的系统，具体地说，是指一种用于六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的实时的计算机振动主动控制系统，该系统适用于对微幅高精度主动振动减振控制。
背景技术：
在工业领域中的一些精密仪器上，控制系统对基座稳定的要求十分高，比如半导体加工、精密光学仪器加工等，对基座振动的水平要求平动以微米计，转动以微弧度计。在对基座的振动输入和基座平台的响应进行实时测量、实时测试的基础上，通过计算机提供的控制算法和超磁致伸缩作动器使其在基座低频微幅振动的环境中保持稳定状态，从而达到电机与基座之间的隔振。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时的计算机振动主动控制系统。通过本发明的实时的计算机振动主动控制系统能够实现六自由度超磁致伸缩主动振动平台在低频(100Hz以下)、大载荷、微幅振动(平动微米计，转动微弧度计)范围内得到有效控制，能够得到具有高精度和理想动态特性的隔振性能。
本发明的一种适用于六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的实时的计算机振动主动控制系统，包括工控机、信号采集装置和信号调理装置，信号采集装置采集六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台中的6个加速度传感器输出的6路电荷量E(K)和电机输出的电压U(K)并将其放大、滤波后输出至工控机，工控机对接收的6路数字电荷量和电机电压进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为6路模拟控制量F(K)输出至信号调理装置，信号调理装置对接收的6路模拟控制量经滤波、放大后输出至六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台上的6个超磁致伸缩作动器的引线插头端。所述信号采集装置由电荷放大器和滤波器组成，电荷放大器和滤波器中各通道为一一对应连接；电荷放大器的输入端连接加速度传感器，电荷放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与工控机的A/D采集卡连接。所述信号调理装置由滤波器和功率放大器组成，滤波器和功率放大器中各通道为一一对应连接；滤波器的输入端与工控机的D/A采集卡连接，滤波器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台上的加速度传感器连接。
所述的实时的计算机振动主动控制系统，工控机由工业控制计算机、A/D采集卡和D/A采集卡组成，A/D采集卡和D/A采集卡安装在工业控制计算机的主机机箱中，工业控制计算机内存储有主动振动控制算法。主动振动控制算法可简示为F(K)＝f{E(K)，U(K)}，f为自适应滤波映射，E(K)表示传感器输出的向量，U(K)表示电机输出的向量，F(K)表示经工控机计算处理后的输出控制量。
本发明的一种实时的计算机振动主动控制系统，其与现有技术相比的优点是(1)作为一种驱动超磁致伸缩作动器六自由度主动振动控制平台的控制系统，使得平台在微幅(微米级)、低频(10～100Hz)下的减振功能得以实现；(2)优化设计的设备配置和电气连线，使得系统工作稳定；(3)减振精度可以达到98％；(4)采用计算机进行控制，算法和相关的外围设备容易调整和扩展。
图1是本发明的计算机控制的减振控制系统结构示意图。
图2是本发明的控制流程框图。
图3是本发明的工控机内部结构框图。
图4是六自由度主动振动控制平台结构示意图。
图4(a)是传感器的安装结构示意图。
图4(b)是连接件的结构示意图。
图4(c)是作动器副结构的分解示意图。
图5是控制频率在17Hz的减振效果控制曲线图。
图6是控制频率在68Hz的减振效果控制曲线图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在本发明中的控制对象为六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台，该控制平台的结构如图4所示。控制平台由上台面1、下台面4、传感器组2、作动器组3以及连接件7组成，传感器组2安装在上台面1上方，作动器组3安装在上台面1和下台面4之间，连接件7分别安装在上台面1和下台面4的安装座上。超磁致伸缩作动器309的超磁致伸缩材料选取Tb0.27～0.3Dy0.7～0.73Fe1.9～2.0，其性能曲线线性段的超磁致伸缩系数达1000ppm以上。上台面1、下台面4为40#钢加工成形的大小相同的圆盘。连接件7为一个正立方体削去一个角的形状，其三角平面707上设有螺纹孔708，连接件7通过该三角平面707上的螺纹孔708与上台面1和下台面4上的安装座实现连接；在连接件7的其余2个平面上各设有互相垂直的螺纹孔。作动器副上的连接杆通过连接件上的两个互相垂直的螺纹孔，进而实现各作动器副之间的垂直关系。传感器组2包括3个外罩、3个传感器安装座和6个加速度传感器。每2个加速度传感器安装在1个传感器安装座214上，并且这2个传感器的安装位置是互相垂直的，传感器安装座214上罩着1个外罩213；所述外罩213上设有供传感器与外部控制端连接用的孔，其孔与传感器输出方向同向。传感器之间的安装关系如图4(a)所示，传感器安装座214为金字塔形状，在每个三角面的中心设有供安装传感器的螺纹孔，第一传感器210和第二传感器211分别安装在传感器安装座214的两个三角面的螺纹孔中。第一传感器210和第二传感器211的输出端通过外罩213上设有的孔伸出与六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的控制部分的连线相连接，输出加速度传感器组2各传感器采集的电信号，在本发明中为6路信号，因有6个加速度传感器。作动器组3包括6个作动器副，每个作动器副包括超磁致伸缩作动器309、上柔性铰链308、下柔性铰链307、以及连接杆；超磁致伸缩作动器309的输出轴314与上柔性铰链308连接，上柔性铰链308的另一端与第一连接杆312连接，第一连接杆312的另一端与安装在上台面1下方的安装座上的连接件连接；超磁致伸缩作动器309底部的螺纹孔与第二连接杆311螺纹连接，第二连接杆311的另一端与下柔性铰链307连接，下柔性铰链307的另一端与第三连接杆313连接，第三连接杆313的另一端与下台面4上的安装座上的连接件连接。具体的连接关系请参见图4、图4(b)、图4(c)所示，第一作动器副301的第一连接杆连接在上台面1下方第一安装座101上的第一连接件701的左平面的螺纹孔中，第一作动器副301的第三连接杆连接在下台面4上方第一安装座401上的第四连接件704的右平面的螺纹孔中；第二作动器副302的第一连接杆连接在上台面1下方第一安装座101上的第一连接件701的右平面的螺纹孔中，第二作动器副302的第三连接杆连接在下台面4上方第二安装座402上的第五连接件705的左平面的螺纹孔中。对于其余的作动器副采用相同的首尾连接方式进行连接，这样构成了六自由度的运动平台，可以在低频5～120Hz范围内对微幅振动进行控制的平台装置。超磁致伸缩作动器309上的引线插头310与本发明减振控制系统的信号调理装置12输出的控制量的导线连接。
本发明的一种适用于六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的实时的计算机振动主动控制系统，包括工控机13、信号采集装置11和信号调理装置12，信号采集装置11采集六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台14中的6个加速度传感器输出的6路电荷量E(K)101和电机输出的电压U(K)102并将其放大、滤波后输出至工控机13，工控机13对接收的6路数字电荷量104和电机电压103进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为6路模拟控制量F(K)105输出至信号调理装置12，信号调理装置12对接收的6路模拟控制量105经滤波、放大后输出至六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台14上的6个超磁致伸缩作动器的引线插头端。
在本发明中，信号采集装置11由DHF一4型电荷放大器和DH3766型程控抗混滤波器组成，电荷放大器和滤波器中各通道为一一对应连接；电荷放大器的输入端连接加速度传感器，电荷放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与工控机13的A/D采集卡1302连接。
在本发明中，信号调理装置12由DH3766型程控抗混滤波器和GF-20型功率放大器组成，滤波器和功率放大器中各通道为一一对应连接；滤波器的输入端与工控机13的D/A采集卡1303连接，滤波器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台14上的加速度传感器连接。
在本发明中，工控机13由EOVC-810型工业控制计算机1301、PCL-818H模数转换A/D采集卡1302和PCL-726数模转换D/A采集卡1303组成，A/D采集卡1302和D/A采集卡1303安装在工业控制计算机1301的主机机箱中，工业控制计算机1301内存储有主动振动控制算法。其主动振动控制算法可简示为F(K)＝f{E(K)，U(K)}，f为自适应滤波映射，E(K)表示传感器输出的向量，U(K)表示电机输出的向量，F(K)表示经工控机13计算处理后的输出控制量。在系统控制过程中，首先初始化各向量(包括电机的输入量、计算机输出给作动器的向量等)、滤波器的阶数，在实时控制条件下，随更新输入向量U(K)以及各传感器输出向量E(K)经“主动振动控制算法F(K)＝f{E(K)，U(K)}”的计算得到控制输出向量F(K)，控制输出向量F(K)经D/A转换给振动收敛判定是否振动收敛到最佳，若判断为“否”则重新进行信号采集、计算、处理、控制，直到所采集、处理的向量使振动收敛到最佳；若判断为“是”，系统结束此次的主动振动减振控制。
在工控机13的采集、控制输出的向量中，应该对各通道进行设定，可以结合六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台14的结构特征进行通道划分。在本发明中，“主动振动控制算法”软件首先确定通道，将第一传感器201输出的电荷量设定为第一通道，表示为CH-1，同时第一作动器副301输入的控制量也设定为CH-1通道与之相匹配；其余的依次进行设定为第二传感器202和第二作动器副302表示为CH-2通道、第三传感器203和第三作动器副303表示为CH-3通道、第四传感器204和第四作动器副304表示为CH-4通道、第五传感器205和第五作动器副305表示为CH-5通道、第六传感器206和第六作动器副306表示为CH-6通道，作为振源的电机输出电压向量表示为CH-0通道。在EOVC-810型工业控制计算机1301内各通道是一一对应连接关系。然后针对各通道进行输出控制量F(K)的控制输出，输出控制量的关系式为F(K)＝f{E(K)，U(K)}，在判定各自通道时对通道的输入、输出量代入具体的通道数即可。如图3所示。
下面对选取的设备进行配置上的简单说明。各设备的选取仅用于说明本发明的减振控制系统是可行的，并不用于限定本发明保护的范围。
(一)工控机工业控制计算机选用研祥工控公司的工业控制机，其具体指标为机箱810P，IPC-68IIDF(B)，CPU主频PIII650，硬盘20G，光驱40X，内存128M，丽台8M显卡，15”菲力普显示器。
存储于计算机内的软件采用面向对象和动态数据交换、可视化等先进的计算机软件技术，使该软件易于再工程。使用的软件开发工具为目前软件开发领域面向对象集成开发环境Visual C++6.0以及工程计算领域的Matlab6.5。
A/D和D/A转换器选用研祥工控公司的产品PCL-816H，其具体指标为(a)16路16位单极性输入(或8路差动输入)(b)A/D转换时间10μs，采样速率可以达100kHz(c)16位PC/ISA总线(d)输入量程，±10V，±5V，±2.5V，±1.25V(e)精度0.003％FSR±1LSB(f)输入阻抗10MΩ(g)2路12位的模拟输出(h)输出范围为-10V～+10V(i)D/A转换时间＜6μs，输出信号为±5mA(min)按照最大采样路数计算，每块A/D板最多采样6路，据一路采样速率为40kHz，则采样一路需要时间1/40ms，采样18路需要时间18/40＝0.45ms。D/A转换的时间为μs级，相对于A/D转换时间可以忽略不计。若系统采用1ms的采样周期，则运行控制规律及其他有关程序的时间只能有0.5ms左右。
(二)加速度传感器及电荷放大器在本发明中采用的加速度传感器为YD-12型压电晶体加速度传感器，与所用的DHF-4电荷放大器是配套的。YD-12型压电式加速度传感器采用周边压缩式结构，将压电片和质量块由上通过弹簧压紧在基座上，结构强度大，灵敏度高。力学模型可简化成一个单自由度的质量——弹簧系统。
压电传感器的阻尼为空气阻尼，C趋于0，当被测频率ω＜＜ωn时，传感器的质量块与基座的相对位移d与振动加速度a成正比。根据压电效应的原理，当晶体片上受到振动作用力后，产生电荷量Q与作用力成正比Q＝djF＝DjMa(dj为压电常数，M为敏感质量，a为振动加速度)对于固定在六自由主动振动平台上台面的传感器而言DjM为一常数，从而Q与a成正比，这既是压电传感器的机电转换原理。
YD-12型压电加速度传感器的具体参数；电荷灵敏度为9.85pc/ms-2；电容1395PF；频响1～10000Hz；加速度测量范围a≤5×103ms-2；质量30g；工作温度-20～100℃。
由于压电传感器产生的电荷量很小，不能用一般的仪表测量，必须采用二次仪表进行放大才能推动数据采集和分析处理设备。电荷放大器是一种输出电压和输入电荷量成正比的前置放大器，它的主要原理是直接测量电荷量的值，由一个运算放大器和一个电压并联负反馈网络所组成的电路将压电传感器的电荷量值转变为放大的电压值输出。
电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量q和负反馈网络的电容有关，而与连接电缆的分布电容无关，因此其输出电压不受电缆长度的影响，当测试环境的原因使得人员不能接近被测物体时，可以适当的加大电缆长度，而电荷放大器可以较好的满足测量精度的要求。
电荷放大器的低频特性很少受它的输入电阻影响，下限截止频率几乎可达零。
本发明采用的电荷放大器型号为DHF-4型。
其参数为测量误差＜2％；频响范围为0.3～105Hz；输入电荷量为0.1～106pC；输出0～10V；50mA；放大倍数为1、10、100、1000四种级别。
本发明的实时的计算机振动主动控制系统在针对六自由主动振动平台进行实验测试得到，六自由度主动振动控制平台在10～100Hz内可以使底盘的六自由度振动同时消减20～30分贝。对于六自由度平台来说，在100Hz以下存在两个共振频率，分别为17Hz和68Hz。共振频率下的振动控制最能说明此系统的性能，故在图5和图6中，将控制系统在此两个频率下的实验控制效果分别示出，其振动收敛均在30分贝以上。
权利要求
1.一种适用于六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的实时的计算机振动主动控制系统，包括工控机(13)，其特征在于还包括信号采集装置(11)和信号调理装置(12)，信号采集装置(11)采集六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台(14)中的6个加速度传感器输出的6路电荷量E(K)(101)和电机输出的电压U(K)(102)并将其放大、滤波后输出至工控机(13)，工控机(13)对接收的6路数字电荷量(104)和电机电压(103)进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为6路模拟控制量F(K)(105)输出至信号调理装置(12)，信号调理装置(12)对接收的6路模拟控制量(105)经滤波、放大后输出至六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台(14)上的6个超磁致伸缩作动器的引线插头端。
2.根据权利要求1所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于所述信号采集装置(11)由电荷放大器和滤波器组成，电荷放大器和滤波器中各通道为一一对应连接；电荷放大器的输入端连接加速度传感器，电荷放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与工控机(13)的A/D采集卡(1302)连接。
3.根据权利要求2所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于电荷放大器可选取DHF-4型放大器，滤波器可选取DH3766型程控抗混滤波器。
4.根据权利要求1所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于所述信号调理装置(12)由滤波器和功率放大器组成，滤波器和功率放大器中各通道为一一对应连接；滤波器的输入端与工控机(13)的D/A采集卡(1303)连接，滤波器的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台(14)上的加速度传感器连接。
5.根据权利要求4所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于滤波器可选取DH3766型程控抗混滤波器，功率放大器可选取GF-20型功率放大器。
6.根据权利要求1所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于所述工控机(13)由工业控制计算机(1301)、A/D采集卡(1302)和D/A采集卡(1303)组成，A/D采集卡(1302)和D/A采集卡(1303)安装在工业控制计算机(1301)的主机机箱中，工业控制计算机(1301)内存储有主动振动控制算法。
7.根据权利要求6所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于主动振动控制算法可简示为F(K)＝f{E(K)，U(K)}，f为自适应滤波映射，E(K)表示传感器输出的向量，U(K)表示电机输出的向量，F(K)表示经工控机(13)计算处理后的输出控制量。
8.根据权利要求6所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于工业控制计算机(1301)可选取EOVC-810型计算机，A/D采集卡(1302)可选取PCL-818H模数转换采集卡，D/A采集卡(1303)可选取PCL-726数模转换卡。
9.根据权利要求1、7所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于工控机(13)输出的控制量F(K)为-10V～+10V。
10.根据权利要求1所述的实时的计算机振动主动控制系统，其特征在于在微幅低频10～100Hz范围内控制实现减振98％。
全文摘要
本发明公开了一种适用于六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的实时的计算机振动主动控制系统，包括工控机、信号采集装置和信号调理装置，信号采集装置采集六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台中的6个加速度传感器输出的6路电荷量E(K)和电机输出的电压U(K)并将其放大、滤波后输出至工控机，工控机对接收的电荷量E(K)和电压U(K)进行F(K)＝f{E(K)，U(K)}的计算控制处理后，转换为6路模拟控制量F(K)输出至信号调理装置，信号调理装置对接收的6路模拟控制量经滤波、放大后输出至六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台上的6个超磁致伸缩作动器的引线插头端，工控机输出的控制量F(K)为－10V～+10V。
文档编号G05B19/418GK1588262SQ20041008046
公开日2005年3月2日 申请日期2004年10月11日 优先权日2004年10月11日
发明者毛剑琴, 李琳, 朱梓根, 李超, 丁海山, 张文广, 李帆, 刘会田 申请人:北京航空航天大学