一种Stewart主动平台和基于Stewart主动平台的振动抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于振动控制领域，更具体地，涉及一种Stewart主动平台和基于Stewart 主动平台的振动抑制方法。
【背景技术】
[0002] 在振动系统中，被动隔振呈现一种可靠、低成本的解决方案，它可以有效衰减宽频 带的高频隔振。然而，由于隔振系统中存在着两个固有矛盾：高、低频段内振动衰减能力之 间的矛盾、地基振动隔离能力和抵抗地基直接干扰能力之间的矛盾，而无法满足超精密装 备的隔振需求，比如在轨飞行的航天器并不是处于自由漂移状态（失重状态），各种各样的 响应会引起类似重力加速度的扰动，这些扰动形成了航天器的微重力加速度环境。这些微 振动是影响高精度遥感卫星指向精度和成像质量等关键性能的主要因素。随着空间飞行器 上精密负载的精密隔振性能需求的不断上升，在未来太空任务研究中，这个问题的研究将 变得更加具有挑战性。
[0003] 相对于被动理论来说，主动隔振产生重大的增强性能，但是其需要传感器、致动 器、算法处理器，这就要求主动隔振在负载和功耗上必须可靠高效。尽管单纯的主动反馈控 制可以有效的解决隔振性能的第一个固有矛盾，但由于主动算法仍然不够高效，仍无法解 决隔振系统中的第二个矛盾，无法满足卫星平台的精密隔振需求。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于Stewart主动平台 的振动抑制方法，该方法具有较强的鲁棒性及高效性，是一种反馈控制算法与前馈控制算 法复合控制的主动控制方法；通过进行反馈主动控制与压电式Stewart隔振平台的基础 平台进行前馈主动控制的复合主动控制，该压电单腿结构不仅通过反馈主动控制算法进行 有效的降低系统的固有频率与谐振峰，而且可以通过前馈主动控制算法进一步有效的隔离 中低频振动，降低负载平台振动误差，适用于微振动抑制与精密设备主动振动隔离领域。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种Stewart主动平台，其特征在于：该 Stewart主动平台包括负载平台、基础平台、控制器、加速度传感器及负载平台与基础平台 之间的六个立方体配置构型的压电单腿结构，所述负载平台位于基础平台的上方，所述基 础平台中空，所述加速度传感器设置在基础平台的质心处，每个压电单腿结构均包括从上 至下依次连接的上柔性铰链、力传感器、压电致动器和下柔性铰链，所述上柔性铰链和下柔 性铰链分别与负载平台和基础平台连接；所述力传感器、压电致动器和加速度传感器均与 控制器连接。
[0006] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于Stewart主动平台的振动抑制方 法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007] 1)力传感器将检测的负载平台的动态力反馈信号传给控制器，控制器进行PI反 馈算法运算，得到反馈输出电压信号；
[0008] 2)加速度传感器将检测得的基础平台的加速度前馈振动信号传送给控制器，控制 器进行RLS自适应前馈算法运算，得到前馈输出电压信号；
[0009] 3)将步骤1)中获得的反馈输出电压信号与步骤2)中获得的前馈输出电压信号进 行复合主动控制运算，得到复合输出电压；
[0010] 4)将上述复合输出电压输给压电致动器，使压电执行器施加作用力在负载平台 上，从而对负载平台进行补偿，以减小负载平台的振动。
[0011] 优选地，步骤1)中进行PI反馈算法运算的过程如下：
[0012] 所述控制器包括PI反馈控制器，所述PI反馈控制器由积分增益为1^的积分控 制器和比例增益为k p的比例控制器组成；
[0013] 力传感器将检测的负载平台的动态力反馈信号q(i)传给PI反馈控制器，PI反馈 控制器进行PI反馈算法运算，得到反馈输出电压信号U 1 (i) = q (ihGjz i)，其中Gjz 3为 Gc(S)的数字离散化，贫?% +矣丄为所述PI反馈控制器的控制函数;PI反馈控制器控制 过程具体如下：
[0014] I. I) Stewart平台的运动控制方程经过拉氏变换得：
[0015] Ms2qn= -ms 2yn= k(y n_xm) = F
[0016] 其中，M为负载平台质量，s为拉普拉斯变换的变量，qn为负载平台的振动位移，m 为基础平台质量，k为Stewart主动平台的等效结构刚度，yn为基础平台的振动位移，X 中间位移量，F为力传感器测量值；
[0017] 另外，压电致动器伸长量δ = qn-xm;
[0018] 而压电致动器伸长量δ和力传感器输出量F之间的开环传递函数为：
[0019]
[0020] 通过比例积分补偿器应用力反馈控制策略，控制方程为：
[0021]
[0022] 1. 2)通过上述等式计算出振源和负载之间的位移频率响应函数的传递率^ : y η
[0023]
[0024] 其中ωη为振动被动结构系统的固有频率，其中，所述振动被动结构系统为 Stewart主动平台中的加速度传感器、力传感器、压电致动器和控制器均不工作时的结构系 统，此时系统处于开环状态；
[0025] 振动主动反馈控制系统包括所述Stewart主动平台，其转角频率ω。通过下式获 取：
[0026]
[0027] 振动主动反馈控制系统的阻尼ξ由增益补偿器Ic1确定：
[0028]
[0029] 从上式可以得出，Stewart振动抑制平台的刚度及阻尼可分别根据PI反馈控制器 的积分增益h和比例增益k p来进行闭环控制；通过Stewart振动抑制平台的反馈控制器进 行主动控制运算后，获得反馈输出电压U 1 (i)，以对Stewart振动抑制平台进行主动隔振控 制。
[0030] 优选地，步骤2)中进行RLS自适应前馈算法运算的过程如下：
[0031] 所述控制器包括RLS自适应前馈控制器，所述RLS自适应前馈控制器包含具有时 变抽头权值的横向滤波器C(S);加速度传感器将检测得的基础平台的加速度前馈振动信 号y(i)传送给RLS自适应前馈控制器C(s)，通过对横向滤波器的抽头权向量w(n)的不断 变化拟合，从而不断对横向滤波器的期望响应d(i)估计，通过迭代推导出最小二乘估计抽 头权向量^^，从而能够得到此系统下的估计误差的平方加权和其最小值，从而使负载平 台台面振动误差e(n)也即估计误差最小；前馈控制器通过RLS自适应前馈算法运算后，得 到前馈控制器输出电压信号u2(i) = y(i)*C(z 其中C(z 3为C(S)的数字离散化；RLS 前馈控制器具体控制过程如下：
[0032] 2. 1)基于前馈控制器的自适应算法的目标是找到一个最优离散滤波器和最优权 值，使得目标函数的代价函数最小，即梯度为取值为零，因此我们必须优先找到系统的代价 函数，然后求其梯度值；
[0033] 2. 2) RLS原始代价函数及其估计误差表示：
[0034] RLS算法基于最小二乘准则，该算法是由η-I时刻滤波器抽头权向量的最小二乘 估计递推η时刻权向量的最新估计，其代价函数表示为：
[0035]
[0036] 式中，λ称为加权因子，其取值为〇彡λ彡l，e(i)为i时刻横向滤波器的估计误 差并且φ·) ⑴-AO = #。-，其中d(i)为滤波器的期望响应，?/⑴为期望响 应的估计，y(i)为i时刻滤波器的抽头输入向量并且y(i) = [y(i), y(i-l),...，y(i-K+l)] T，K为滤波器阶数，w(n)为滤波器的抽头权向量并且w(n) = wT(η)为滤波器的抽头权向量矩阵的转置矩阵，η为变化时刻i的区间且1彡i彡η ;
[0037] 2. 3)在有次级通道的情况下，更新估计误差表示：
[0038] 在有次级通道的情况下，目标函数的估计误差e(n)发生变化，其变为系统扩展误 差t十)=?/⑷=(6/'⑷-七^- F(r 1 ，其中，q#(η)为无自适应前馈控制的负载 振动响应信号，<(?)为由前馈引起的负载响应，F(z 4为参考信号到直接扰动力之间的传 递主要通道并且
其中，P(S)为反馈直接通道函数，Pb1)为P(S) 的数字离散化，为估计误差与实际系统残余振动之间的次级通道估计滤波器；
[0039] 2. 4)在有次级通道的情况下，更新代价函数表示：
[0040] 在有传递次级通道情况下，步骤2. 1)中的代价函数表示为 [0041 ] i=l ~