一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台及方法

1.本发明属于隔振控制技术领域，具体涉及一种超静主动隔振平台及方法。


背景技术：

2.当前我国已进入探索空间的时代，以空间站为主要平台开展各类空间科学实验，然而由于宇航员活动、太阳帆板运动等各种扰动源的存在，使得空间站微振动环境问题突出，尤其是对于振动极为敏感的光电设备科学实验，需要μg量级微振动水平。而空间站在1hz～100hz的微振动加速度水平在mg量级，因此必须对光电设备进行隔振。由于被动隔振装置只能对频率大于其系统基频√2倍的扰动有抑制效果，对于空间站内1hz～10hz的低频振动，如只使用被动隔振装置进行振动抑制，将使系统的基频变得非常低，进而使系统刚度变得很低，难以对光电设备进行有效的支撑与防护，不能为光电设备提供稳定安全的工作环境。因此，随着航空航天领域高精度设备的应用，传统的被动隔振方法已不能满足要求。为了抑制低频区域的微振动，许多研究人员致力于研究超静主动隔振平台，从而满足超静微振动环境的性能要求。
3.超静主动隔振平台的控制方法通常采用经典的pid控制等，为了快速的抑制外界振动激励，需要尽可能地增加音圈作动器的作用力，但与之带来的负面影响就是主动隔振控制过程中会出现积分饱和现象，导致控制器出现较大的超调量，控制电压不稳定，且易出现长时间饱和现象，进而对空间科学实验的顺利开展带来负面影响。为了有效地抑制低频区域的微振动，且长时间为空间科学实验光电设备提供超静超稳的工作环境，许多研究人员致力于研究超静主动隔振控制抗饱和方法。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台及方法，包括下平台、上平台、8个音圈作动器；其中下平台通过底板固连在空间站上，上平台通过8个音圈作动器悬浮在下平台上；每个音圈作动器配合安装一个弹簧，进行约束限位；每个音圈作动器上同轴安装个1个加速度计，实时测量上平台载荷的加速度信息，音圈作动器和弹簧组成的8根支腿通过抗饱和控制算法进行主被动隔振控制，以实现上平台光电载荷的超静环境。本发明在保证相同隔振效果的同时能够避免控制电压长时间饱和且更平稳不易漂移，进而保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，包括顶板、上平台、安装凸耳、底板、推杆支撑块、单轴加速度传感器、控制单元、锁紧释放装置和音圈作动器；
7.所述安装凸耳设置在底板上，通过安装凸耳将底板固定在空间站上；所述上平台设置在底板上方；所述顶板安装在上平台上方；
8.所述锁紧释放装置有多个，均固定在底板上；所述锁紧释放装置用于将上平台与顶板锁紧，使上平台不能在太空中处于悬浮状态；当锁紧释放装置解锁时，上平台在太空中
处于悬浮状态；
9.所述推杆支撑块有两个，以底板中轴线为对称轴安装在底板上；
10.所述音圈作动器有8个，其中4个音圈作动器竖直放置在上平台的孔内；另外4个音圈作动器水平放置，其中2个水平放置的音圈作动器分别与一个推杆支撑块成90度角的两个侧面接触，音圈作动器的中心轴与推杆支撑块的侧面垂直，另外2个水平放置的音圈作动器分别与另一个推杆支撑块成90度角的两个侧面接触，音圈作动器的中心轴与推杆支撑块的侧面垂直；
11.每个音圈作动器端部安装一个弹簧，进行约束限位，音圈作动器和弹簧构成一个支腿；每个音圈作动器同轴安装1个单轴加速度传感器；
12.所述主动隔振平台在轨运行时，锁紧释放装置解锁，8个单轴加速度传感器测量得到扰动在加速度传感器轴向的加速度值，送入控制单元，经过隔振控制方法计算得到8个音圈作动器的控制信号，音圈作动器收到控制信号后产生沿轴向的控制力，8个音圈作动器共同作用，实现对上平台光电载荷在水平正交两个方向及竖直方向加速度扰动的振动控制。
13.优选地，所述底板上设置一个三轴加速度传感器，测量底板加速度值，用于进行隔振性能评估。
14.优选地，所述上平台上设置电源与信息接口，用于给主动隔振平台提供电源，以及进行传感器信号和控制信号的传输。
15.优选地，所述顶板上设置光学载荷结构安装孔，用于安装光学载荷。
16.优选地，所述上平台侧面设置封装版和连接板，用于封闭主动隔振平台。
17.优选地，所述主动隔振平台内设置横梁，用于增强稳定性。
18.一种基于音圈作动器的超静主动隔振方法，包括如下步骤：
19.步骤1：建立主动隔振平台动力学模型，如公式(1)所示
[0020][0021]
式中m
p
为惯性矩阵，f为支腿的输出力矢量，j
p
和jb分别是上平台和下平台的雅克比矩阵，x
p
和xb分别是上平台和下平台的广义坐标，c为作动器阻尼矩阵，k为作动器刚度矩阵；所述下平台包括锁紧释放装置和三轴加速度传感器；
[0022]
步骤2：主动隔振平台采用闭环反馈控制，被控对象是上平台的光电载荷；所述控制单元包括处理器、pid控制器、电机和驱动器；
[0023]
步骤3：单轴加速度传感器采集各个支腿的实际加速度，处理器计算实际加速度和0之间的差值，得到各个支腿的加速度偏差；
[0024]
步骤4：将各个支腿的加速度偏差分别输入pid控制器，pid控制器执行抗饱和控制算法进行控制计算，得到各个支腿的控制电压，具体如下：
[0025]
[0026][0027][0028]
式中ei(.)是偏差输入项，k
pi
是比例控制系数，k
ii
是积分控制系数，k
di
是微分控制系数，其中下标i对应支腿编号，k
ci
是积分饱和控制系数，u
max
》0是控制电压限幅，δ》0是饱和区间调节增益，ai》0是当前支腿采集加速度值，u
ctrlouti
为实际输出控制电压，sat(.)为取符号函数，e
ui
＝u
ctrli-u
ctrlouti
；
[0029]
步骤5：将各个支腿的控制电压发送给驱动器，驱动器驱动电机运转，带动音圈作动器动作从而抑制光学载荷的振动。
[0030]
本发明的有益效果如下：
[0031]
本发明隔振平台和控制方法在传统pid控制器基础上增加了一个饱和环节，可以由参数进行设定。饱和环节对积分饱和现象更加灵敏，在控制电压处于饱和边界范围时就开始调整控制量，从而起到预防控制电压长时间饱和的功能。相对于传统的pid控制器，本发明在保证相同隔振效果的同时能够避免控制电压长时间饱和且更平稳不易漂移，进而保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。
附图说明
[0032]
图1是本发明主动隔振平台外形示意图。
[0033]
图2是本发明主动隔振平台隐藏顶板结构设计图。
[0034]
图3是本发明主动隔振平台隐藏顶板与横梁结构俯视图。
[0035]
图4是本发明主动隔振平台的抗饱和控制方法流程示意图。
[0036]
图5是本发明主动隔振平台控制原理结构。
[0037]
图6是本发明主动隔振平台抗饱和控制算法结构图。
[0038]
图7是本发明实施例传统pid算法控制效果图。
[0039]
图8是本发明实施例抗饱和控制算法控制效果图。
[0040]
图9是本发明实施例两种控制算法的控制电压输出结果图。
[0041]
图中，1-顶板、2-上平台、3-安装凸耳、4-电源与信息接口、5-底板、6-下平台、7-光学载荷结构安装孔、8-横梁、9-推杆支撑块、10-单轴加速度传感器、11-封装版、12-主体结构、13-连接板、14-锁紧释放装置、15-三轴加速度传感器、16-音圈作动器。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0043]
为了解决超静主动隔振平台音圈作动器发生饱和对隔振性能产生的影响，特别是抑制低频振动，本发明提出一种基于音圈作动器的超静主动隔振单元及抗饱和控制方法，旨在为空间微重力环境下的科学实验提供一种超静主动隔振单元结构布局并解决现有技
术中超静主动隔振平台pid控制方法中容易出现积分饱和现象，引起较大的超调，控制电压不稳定且长时间饱和，进而使光电设备无法正常工作的技术问题。
[0044]
一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，包括顶板1、上平台2、安装凸耳3、底板5、推杆支撑块9、单轴加速度传感器10、控制单元、锁紧释放装置14和音圈作动器16；
[0045]
所述安装凸耳3设置在底板5上，通过安装凸耳3将底板5固定在空间站上；所述上平台2设置在底板5上方；所述顶板1安装在上平台2上方；
[0046]
所述锁紧释放装置14有多个，均固定在底板5上；所述锁紧释放装置14用于将上平台2与顶板1锁紧，使上平台2不能在太空中处于悬浮状态；当锁紧释放装置14解锁时，上平台2在太空中处于悬浮状态；
[0047]
所述推杆支撑块9有两个，以底板5中轴线为对称轴安装在底板5上；
[0048]
所述音圈作动器16有8个，其中4个音圈作动器16竖直放置在上平台2的孔内；另外4个音圈作动器16水平放置，其中2个水平放置的音圈作动器16分别与一个推杆支撑块9成90度角的两个侧面接触，音圈作动器16的中心轴与推杆支撑块9的侧面垂直，另外2个水平放置的音圈作动器16分别与另一个推杆支撑块9成90度角的两个侧面接触，音圈作动器16的中心轴与推杆支撑块9的侧面垂直；
[0049]
每个音圈作动器16端部安装一个弹簧，进行约束限位，音圈作动器16和弹簧构成一个支腿；每个音圈作动器16同轴安装1个单轴加速度传感器10；
[0050]
所述主动隔振平台在轨运行时，锁紧释放装置解锁，8个单轴加速度传感器10测量得到扰动在加速度传感器轴向的加速度值，送入控制单元，经过隔振控制方法计算得到8个音圈作动器的控制信号，音圈作动器收到控制信号后产生沿轴向的控制力，8个音圈作动器共同作用，实现对上平台光电载荷在水平正交两个方向及竖直方向加速度扰动的振动控制。
[0051]
优选地，所述底板5上设置一个三轴加速度传感器15，测量底板5的加速度值，用于进行隔振性能评估。
[0052]
优选地，所述上平台2上设置电源与信息接口4，用于给主动隔振平台提供电源，以及进行传感器信号和控制信号的传输。
[0053]
优选地，所述顶板1上设置光学载荷结构安装孔，用于安装光学载荷。
[0054]
优选地，所述上平台侧面设置封装版11和连接板13，用于封闭主动隔振平台。
[0055]
优选地，所述主动隔振平台内设置横梁，用于增强稳定性。
[0056]
一种基于音圈作动器的超静主动隔振方法，包括如下步骤：
[0057]
步骤1：建立主动隔振平台动力学模型，如公式(1)所示
[0058][0059]
式中m
p
为惯性矩阵，f为支腿的输出力矢量，j
p
和jb分别是上平台和下平台的雅克比矩阵，x
p
和xb分别是上平台和下平台的广义坐标，c为作动器阻尼矩阵，k为作动器刚度矩阵；所述下平台包括锁紧释放装置和三轴加速度传感器；
[0060]
步骤2：主动隔振平台采用闭环反馈控制，被控对象是上平台的光电载荷；所述控制单元包括处理器、pid控制器、电机和驱动器；
[0061]
步骤3：单轴加速度传感器采集各个支腿的实际加速度，处理器计算实际加速度和0之间的差值，得到各个支腿的加速度偏差；
[0062]
步骤4：将各个支腿的加速度偏差分别输入pid控制器，pid控制器执行抗饱和控制算法进行控制计算，得到各个支腿的控制电压，具体如下：
[0063][0064][0065][0066]
式中ei(.)是偏差输入项，k
pi
是比例控制系数，k
ii
是积分控制系数，k
di
是微分控制系数，其中下标i对应支腿编号，k
ci
是积分饱和控制系数，u
max
》0是控制电压限幅，δ》0是饱和区间调节增益，ai》0是当前支腿采集加速度值，u
ctrlouti
为实际输出控制电压，sat(.)为取符号函数，e
ui
＝u
ctrli-u
ctrlouti
；
[0067]
步骤5：将各个支腿的控制电压发送给驱动器，驱动器驱动电机运转，带动音圈作动器动作从而抑制光学载荷的振动。
[0068]
具体实施例：
[0069]
本发明实施例的超静主动隔振平台包括下平台、上平台、8个音圈作动器；其中下平台通过底板固连在空间站上，上平台通过8个音圈作动器悬浮在下平台上；每个音圈作动器配合安装一个弹簧，进行约束限位；每个音圈作动器上同轴安装个1个加速度计，实时测量上平台载荷的加速度信息，音圈作动器和弹簧组成的8根支腿进行主被动隔振控制，以实现上平台的超静环境。
[0070]
超静主动隔振器的隔振物理单元底板上设置有八个安装凸耳用于与空间站基础进行机械螺纹连接；顶盖的八个螺纹孔为光学载荷支撑结构的安装孔；前侧的接口为与隔振电控单元相连接的电源与信息传输接插口。超静主动隔振器的外形如图1所示。
[0071]
超静主动隔振器主要由主结构体、顶板、底板、横梁、连接板、封装版、推杆支撑块、锁紧释放装置、加速度传感器、音圈作动器等组成。其内部布局如图2和图3所示。
[0072]
超静主动隔振平台主要控制隔振器xyz三个方向微振动加速度水平。在轨运行后，锁紧释放装置完成解锁，布置在隔振器上平台主结构体内的八个加速度传感器测量得到加速度传感器轴向的加速度值，经过主动隔振算法计算得到八个音圈作动器的控制输入信号，驱动器将控制信号输入音圈作动器产生沿作动器轴向的控制力，八个音圈作动器共同作用，实现对上平台xyz三个方向加速度扰动的振动控制。在下平台底板中部的凸台上布置一个三轴加速度传感器，测量下平台基座的加速度值，用以隔振性能的评估。主动隔振方案采用八个音圈作动器进行主动控制，音圈作动器与加速度传感器采用正交构型设计，并且音圈作动器与加速度传感器为同轴布置。侧向的加速度传感器和音圈作动器与x、y方向呈90
°
同轴布置，在z方向采用四个对称布置的音圈作动器进行主动控制。
[0073]
参照超静主动隔振平台的结构特性，建立其动力学模型，如下式所示：
[0074][0075]
如图4所示为用于超静主动隔振平台的抗饱和运动控制方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤
[0076]
1)通过超静主动隔振平台获取当前平台振动加速度和期望加速度的偏差，得到超静主动隔振平台的控制量；
[0077]
2)将控制量输入饱和环节，判断控制量是否处于即将饱和的状态；
[0078]
3)若控制量处于即将积分饱和的状态，则根据利用饱和环节得到的控制量进一步修正实际输出的控制量；
[0079]
4)将实际输出的控制量发送给超静主动隔振平台的驱动器，利用驱动器根据实际输出的控制量驱动音圈电机得到控制力，从而抑制光学载荷的振动。
[0080]
如图5所示，超静主动隔振平台控制原理结构图，可实现本发明图4所示的用于超静主动隔振平台的抗饱和控制方法。在图5中，对于超静主动隔振平台的控制系统采用闭环反馈控制，被控对象是上平台光电载荷，隔振平台包括处理器、控制器、电机、驱动器、加速度测量装置等。加速度测量装置采集该隔振平台的实际加速度，处理器执行计算该隔振平台实际加速度和0之间的差值，得到该加速度偏差，pid控制器对包含该加速度偏差的信号进行控制计算，得到该隔振平台各路支腿的控制电压，将该控制电压进行饱和环节解算，判断该控制电压是否处于即将积分饱和的状态；若该控制电压处于即将积分饱和的状态，则利用该饱和环节得到修正后的控制电压；将该修正后的控制电压发送给驱动器，以利用驱动器根据所述修正后的控制电压驱动所述音圈作动器进行振动抑制。
[0081]
如图6所示，在本技术实施例中，利用以下公式4得到某路支腿的控制电压
[0082][0083][0084][0085]
通过调节8路支腿控制参数k
pi
，k
ii
，k
di
，u
max
，δ，k
ci
的值，将各路支腿采集到的加速度值输入抗饱和控制计算模块，驱动音圈作动器对隔振平台进行主动隔振控制，使隔振上平台的加速度值达到目标值。
[0086]
超静主动隔振平台采用无抗饱和的pid方法和有抗饱和的控制方法进行仿真验证，以某一路支腿为例，振动抑制效果如图7和图8所示，控制电压输出如图9所示。
[0087]
可以明显发现，两种控制方法均能达到μg量级微振动水平，但没有抗饱和设计的pid控制算法输出的电压波动较大。有抗饱和方法控制方法和传统pid控制方法相比较，输出控制电压更稳定，更利于在轨长时间运行。