专利名称：一种智能化主动隔振单元的实时控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于工程隔振领域；涉及一种对智能化主动隔振单元进行实时控制的系统。
背景技术：
随着超精密加工、超精密测量技术以及航天技术的发展，微幅、超微幅振动的影响变得 十分突出，尤其是亚微米以下的超精密加工更需要超静环境作保障，因此研究微幅、超微幅 的主动隔振具有十分重要的意义。同时，无论是大型化航天器结构、大型模块化的空间站、 太阳能电池板、卫星天线、还是光学系统及其支撑体结构，对隔振结构的承载能力提出了更 高的要求，即在低频、大载荷作用下要求平台的振动幅值控制在微米量级。
然而，目前的智能化主动隔振单元在承载力和隔振精度两方面却难以两全。随着智能化 主动隔振单元承载力的增加，隔振精度往往受其影响有着较大的差别。此外，现有的智能化 主动隔振单元控制系统多由工业控制机、A/D和D/A卡组成，整个控制系统体积庞大，抗干 扰能力差，操作复杂，且不具有快速控制功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有的智能化主动隔振单元的应用问题，提供一种快 速、实时的高精度主动振动控制系统；通过本发明的实时主动振动控制系统能够实现二输入 二输出智能化主动隔振单元在大载荷(100紐以下)、低频(120论以下)、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。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种智能化主动隔振单元的实时控制系统， 包括智能化主动隔振单元、基座、DSP振动控制卡、压电式加速度传感器、信号采集装置 和信号调理装置，智能化主动隔振单元固定于基座上，当基座受到振源扰动时，信号采集装 置采集压电式加速度传感器检测来自振源传递到智能化主动隔振单元垂直平面与水平平面的 2路误差信号，以及1路振源信号进入DSP振动控制卡接口； DSP振动控制卡控制A/D转换
器采集这3路信号进入DSP振动控制卡；再通过控制算法进行实时分析和控制计算，将待控
制的2路数字信号输出到D/A转换器转换为模拟信号，经信号调理装置处理后输出至智能化 主动隔振单元中的水平方向与垂直方向2根超磁致伸縮作动器，使作动器产生相应的伸长或 收縮，从而使智能化主动隔振单元在水平方向与垂直方向保持相对稳定，再通过2个压电式加速度传感器检测误差信号，进而再通过信号采集装置反馈到DSP振动控制卡中，如此反复 进行，实现对智能化主动隔振单元的主动振动控制。
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对应连 接，电荷放大器的输入端连接压电式加速度传感器，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dsp振动控制卡的a;d转换器输入接口相连。
所述的电荷放大器可选取DLF—6四合一功能放大器，滤波器选取DH3766型程控抗混 滤波器。
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对应连接； 滤波器的输入端与DSP振动控制卡的D/A转换器输出接口连接，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智能化主动隔振单元的2个超磁致伸縮作动器的引 线插头端连接。
所述的滤波器选取DH3766型程控抗混滤波器，功率放大器选取KEPC036—6型功率放 大器。
所述的DSP振动控制卡包括DSP电路、电源管理电路、时钟电路、同步动态随机存储 器SDRAM、快擦写存储器Flash ROM、 RS232串口通讯电路、A/D转换器、D/A转换器、 CPLD逻辑时序控制电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够 正常工作；时钟电路为DSP振动控制卡提供周期性的时钟信号；SDRAM用作存储数据；Flash ROM用作存储启动程序、控制算法和硬件配置信息；RS232串口通讯电路分别与DSP电路 和上位计算机相接，用于将信号传至上位计算机，便于计算机进行后续的处理；A/D转换器， 它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP电路相接，将 数字信号转换成模拟信号；CPLD逻辑时序控制电路分别与DSP电路、A/D转换器和D/A转 换器相接，用于A/D转换器和D/A转换器的逻辑时序控制。
所述压电式加速度传感器分别安装于智能化主动隔振单元水平上平面内侧与垂直平面外 侧，且分别与智能化主动隔振单元内部水平方向与垂直方向的2个超磁致伸縮作动器平行， 并靠近超磁致伸缩作动器输出杆安装。
所述的控制算法为^的=/{￡欣，F2(^)=/{￡2(fc)， X(州，/为LMS自适应滤波 算法，五《Q表示智能化主动隔振单元垂直方向压电式加速度传感器输出的向量，￡2(^)表示智 能化主动隔振单元水平方向压电式加速度传感器输出的向量，"》)表示振源信号的向量，A(/t) 表示经DSP振动控制卡处理后的垂直方向的输出控制量，F2(々)表示经DSP振动控制卡处理 后的水平方向的输出控制量。与现有技术相比本发明所具有的优点是
(1) 本发明作为一种驱动智能化主动隔振单元的控制系统，使得智能化主动隔振单元在 大载荷(0 100A;g)、低频(15 120/fe)、微幅(微米级)下的减振功能得以实现；
(2) 本发明采用DSP振动控制卡，减少主控设备体积，提高了系统的抗干扰能力，使 得系统工作稳定；
(3) 本发明的智能化主动隔振单元的实时控制系统，在0紐 100&载荷下，振源信号频 率在15//z I20/fe范围内，垂直方向与水平方向同时减振精度可以达到90%以上；
(4) 本发明采用基于DSP振动控制卡内的DSP电路和其他电路不在同一电路板上，具 有互换性强的特点，可以根据实际控制需要，只更换核心板或扩展板而不必全部更换电路板， 从而使控制算法和相关的外围设备容易调整和扩展。
图1是本发明的实时减振控制系统结构示意l为智能化主动隔振单元，2为压电式加速度传感器，3为超磁致伸縮作动器，4为DSP 振动控制卡，5为上位计算机； 图2是本发明的控制流程图； 图3是本发明的DSP振动控制卡电路结构框图； 图4是本发明的LMS自适应滤波控制原理图(二自由度)；
图5为本发明的智能化主动隔振单元的LMS自适应滤波控制算法(二自由度，二输入二 输出系统)流程图6是控制频率在60Hz载荷为Okg的减振效果控制曲线图；其中图6a表示垂直方向控 制结果示意图；图6b表示水平方向控制结果示意图； .
图7是控制频率在80Hz载荷为100kg的减振效果控制曲线图其中图7a表示垂直方向 控制结果示意图；图7b表示水平方向控制结果示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。
如图1所示，本发明的智能化主动隔振单元的实时控制系统，包括智能化主动隔振单元 1、基座、压电式加速度传感器2、 DSP振动控制卡4、信号采集装置和信号调理装置；压电 式加速度传感器2、 DSP振动控制卡4、信号采集装置、信号调理装置和智能化主动隔振单元 1的各个通道对应连接，压电式加速度传感器2的输出经过信号采集装置与DSP振动控制卡 4的A/D转换器的端口连接，DSP振动控制卡的D/A转换器输出端与信号调理装置的输入端 相连接，信号调理装置的输出端与智能化主动隔振单元1中的超磁致伸縮作动器3的插头端连接。
智能化主动隔振单元1固定于基座上，当基座受到振源扰动时，信号采集装置采集垂直 方向与水平方向压电式加速度传感器2输出的2路误差电压五K"、五2(A:)和振源信号的电压 义0t)，共3路信号，并将这3路信号放大、滤波后输出至DSP振动控制卡4输入端口， DSP 振动控制卡4控制A/D转换器采集这3路信号，进行LMS自适应滤波控制算法计算控制处 理后，通过D/A转换器转换为2路模拟控制量F,(A)、 F2(A)输出至信号调理装置，信号调理装 置对接收的2路模拟控制量经滤波、放大后输出至智能化主动隔振单元1的垂直方向与水平 方向2个超磁致伸縮作动器3引线插头端，使其产生相应的伸长或收縮，抵消扰动，从而使 智能化主动隔振单元1在水平方向与垂直方向保持相对稳定。再通过2个压电式加速度传感 器2检测误差信号，进而通过信号采集装置反馈到DSP振动控制卡中，如此反复进行，完成 智能化主动隔振单元1的实时振动控制。
在本发明中，信号采集装置由DLF—6四合一功能放大器和DH3766型程控抗混滤波器 组成，放大器和滤波器中各通道对应连接；电荷放大器的输入端连接压电式加速度传感器2， 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DSP振动控制卡的A/D转换 器输入端口连接。
信号调理装置由DH3766型程控抗混滤波器和KEPC036—6型功率放大器组成，滤波器 和功率放大器中各通道对应连接；滤波器的输入端与DSP振动控制卡4的D/A转换器输出端 口连接，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智能化主动隔 振单元1内的2个超磁致伸縮作动器3连接端子连接。
压电式加速度传感器2选用INV9818型，灵敏度107pc/ms人使用频率范围0.2/^~ 1500/fe，其输出的2路电荷量信号与信号采集装置连接。
如图2所示，本发明的控制流程如下首先初始化各向量，包括振源的输入量、DSP振 动控制卡4输出给超磁致伸縮作动器3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^^)以及压电式加速度传感器2输出向量五,(/fc)、五2(&)经LMS自适应滤波主动振 动控制算法^(A:)-/{&(&)，， F2(&)=X(AW的计算得到控制输出向量f^)、 F2(t)， 控制输出向量F《&)、 F2(6)经D/A转换器转换后，判定是否收敛到最佳，若判断为"否"则重新 进行信号采集、计算、处理和控制，直到所采集和处理的向量使系统收敛到最佳；若判断为 "是"，系统结束此次的主动控制。
如图3所示，DSP振动控制卡4包括DSP电路、电源管理电路、时钟电路、同步动态随 机存储器SDRAM、快擦写存储器Flash ROM、 RS232串口通讯电路、A/D转换器、D/A转 换器、CPLD逻辑时序控制电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；时钟电路为DSP振动控制卡4提供周期性的时钟信号；SDRAM用作存储 数据；FlashROM用作存储启动程序、控制算法和硬件配置信息；RS232串口通讯电路分别 与DSP电路和上位计算机5相接，用于将信号传至上位计算机5，便于计算机进行后续的处 理；A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与 DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；CPLD逻辑时序控制电路分别与DSP电路、A/D 转换器和D/A转换器相接，用于A/D转换器和D/A转换器的逻辑时序控制。
如图4为本发明的LMS自适应滤波控制原理图(二自由度)。A/D转换器采集的是 (振源信号)和a(A)、 e2(A)(水平与垂直方向误差量)，共三个A/D输入通道。D/A转换 器输出的是yi的、/2的(控制输出量)，二个D/A输出通道。由于不知道智能化主动隔振单 元l中的垂直方向与水平方向超磁致伸缩作动器3的具体控制模型，所以采用2个LMS自适 应滤波器r和K2分别对垂直方向与水平方向超磁致伸縮作动器3在线建模；同时，使用2 个LMS自适应滤波器^和『2作为控制器实现对智能化主动隔振单元1的主动振动控制。 通常的多输入多输出系统一般存在输入输出耦合现象，即e^)、 e2的与/")、/2(^不是一一 对应的关系，像力w可能与。(幻、e2^都存在输入输出关系，本发明解决了这一问题，实现 系统的输入输出解耦，使"的、q(々)与/")、力w建立了一一对应的关系。这样，本发明就 可以采用2个单输入单输出的控制方法进行控制，具体到控制方法上，就是独立地对垂直方 向和水平方向的作动器进行控制。
如图5为加入判断采样中断的智能化主动隔振单元LMS自适应滤波控制算法(二自由度， 二输入二输出系统)流程图，具体控制算法如下
1. 初始化
确定四个滤波器的阶数(程序中皆设为ao;初始化迭代步长^初始化四个滤波器权系 数；初始化输入向量"》)和输出向量尸^)、尸2的及G,w、 G2(0;
2. 主循环
for一l，2，...105，执行以下各步
(1) 更新输入向量X(^:):义(》)中原值各右移一位；读入当前输入X向，且义(^)
-;c(》)；
(2) 读入当前误差信号e,的、
(3) 更新两个滤波器权系数
(4) 计算滤波器输出输出向量^(A)、 F2(0及G^)、 G2(6)中值各右移一位；计算当前输出值-
<formula>formula see original document page 9</formula> (5).输出控制量尸^)
-力(A:)，尸2(0
-/2^; 3.结束控制
结束循环，将e!②,e2(A:)，y^)，/2(A), Wl, w2， Vl, v2写入文件保存。
如图6给出了智能化主动隔振单元1不承载，振源信号频率为时智能化主动隔振单 元l的实时控制效果。其中，图6a表示垂直方向控制结果示意图；图6b表示水平方向控制 结果示意图。其中，前1000个采样时间(1个釆样时间为未施加LMS自适应滤波控 制算法，用来对比施加LMS自适应滤波控制算法前后的效果；从第1001采样时间开始，同 一个采样点对应的垂直方向与水平方向误差信号e,(A)、 。(W和垂直方向与水平方向控制输出 信号/i阅、/2(&)是在同一个采样周期内完成，实际控制时间是"。从图6a，图6b中可以看到 施加LMS自适应滤波控制算法后，垂直与水平二个方向振动被消减了95%以上。
如图7给出了智能化主动隔振单元1承载IOO紐，振源信号频率为807fe时智能化主动隔 振单元1的实时控制效果。其中图7a表示垂直方向控制结果示意图；图7b表示水平方向控 制结果示意图。其中，前1000个釆样时间(1个采样时间为lms)未施加LMS自适应滤波 控制算法，用来对比施加LMS自适应滤波控制算法前后的效果。从第1001采样时间开始， 同一个采样点对应的垂直方向与水平方向误差信号。(A)、 &^)和垂直方向与水平方向控制输 出信号/1W、/2W是在同一个采样周期内完成，实际控制时间是"。从图7a，图7b中可以看 到施加LMS自适应滤波控制算法后，垂直与水平二个方向振动被消减了95%以上。
权利要求
1、一种智能化主动隔振单元的实时控制系统，其特征在于包括智能化主动隔振单元(1)、基座、DSP振动控制卡(1)、压电式加速度传感器(2)、信号采集装置和信号调理装置，上位计算机(5)；智能化主动隔振单元(1)固定于基座上，当基座受到振源扰动时，信号采集装置采集压电式加速度传感器(2)检测来自振源传递到智能化主动隔振单元(1)垂直平面与水平平面的2路误差信号，以及1路振源信号进入DSP振动控制卡(4)接口；DSP振动控制卡(4)控制A/D转换器采集这3路信号进入DSP振动控制卡；再通过控制算法进行实时分析和控制计算，将待控制的2路数字信号输出到D/A转换器转换为模拟信号，经信号调理装置处理后输出至智能化主动隔振单元(1)中的水平方向与垂直方向2根超磁致伸缩作动器(3)，使作动器产生相应的伸长或收缩，从而使智能化主动隔振单元(1)在水平方向与垂直方向保持相对稳定，再通过2个压电式加速度传感器(2)检测误差信号，进而再通过信号采集装置反馈到DSP振动控制卡(4)中，如此反复进行，实现对智能化主动隔振单元(1)的主动振动控制。
2、 根据权利要求1所述的一种智能化主动隔振单元的实时控制系统，其特征在于所述 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对应连接，电荷 放大器的输入端连接压电式加速度传感器(2)，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DSP振动控制卡(4)的A/D转换器输入接口相连。
3、 根据权利要求2所述的信号采集装置，其特征在于所述的电荷放大器可选取DLF —6四合一功能放大器，滤波器选取DH3766型程控抗混滤波器。
4、 根据权利要求1所述的一种智能化主动隔振单元的实时控制系统，其特征在于所述 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对应连接；滤波器 的输入端与DSP振动控制卡(4)的D/A转换器输出接口连接，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智能化主动隔振单元U)的2个超磁致伸缩作动器(3)的引线插头端连接。
5、 根据权利要求4所述的信号调理装置，其特征在于所述的滤波器选取DH3766型程 控抗混滤波器，功率放大器选取KEPC036—6型功率放大器。
6、 根据权利要求1所述的一种智能化主动隔振单元的实时控制系统，其特征在于所述 的DSP振动控制卡(4)包括DSP电路、.电源管理电路、时钟电路、同步动态随机存储器 SDRAM、快擦写存储器Flash ROM、 RS232串口通讯电路、A/D转换器、D/A转换器、CPLD逻辑时序控制电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常 工作；时钟电路为DSP振动控制卡(4)提供周期性的时钟信号；SDRAM用作存储数据；Flash ROM用作存储启动程序、控制算法和硬件配置信息；RS232串口通讯电路分别与DSP电路 和上位计算机(5)相接，用于将信号传至上位计算机(5)，便于计算机进行后续的处理； A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP 电路相接，将数字信号转换成模拟信号；CPLD逻辑时序控制电路分别与DSP电路、A/D转 换器和D/A转换器相接，用于A/D转换器和D/A转换器的逻辑时序控制。
7、 根据权利要求1所述的一种智能化主动隔振单元的实时控制系统，其特征在于所述 压电式加速度传感器(2)分别安装于智能化主动隔振单元(1)水平上平面内侧与垂直平面 外侧，且分别与智能化主动隔振单元(1)内部水平方向与垂直方向的2个超磁致伸縮作动器(3)平行，并靠近超磁致伸缩作动器(3)输出杆安装。
8、 根据权利要求1所述的一种智能化主动隔振单元的实时控制系统，其特征在于所述 的控制算法为F!的二/( &的，X(印，尸2(0=/{ /为LMS自适应滤波算法， 仏(A:)表示智能化主动隔振单元(1)垂直方向压电式加速度传感器(2)输出的向量，￡2(0表 示智能化主动隔振单元(1)水平方向压电式加速度传感器(2)输出的向量，y(W表示振源 信号的向量，AW表示经DSP振动控制卡(4)处理后的垂直方向的输出控制量，F2(/fc)表示 经DSP振动控制卡(4)处理后的水平方向的输出控制量。
全文摘要
一种用于控制智能化主动隔振单元的实时控制系统包括智能化主动隔振单元、基座、DSP振动控制卡、压电式加速度传感器、信号采集装置和信号调理装置，智能化主动隔振单元固定于基座上，基座受到振动时，信号采集装置采集压电式加速度传感器检测来自振源传递到智能化主动隔振单元水平与垂直平面的2路误差信号和1路振源信号共3路信号进入DSP振动控制卡，通过DSP振动控制卡内的控制算法计算后，输出2路待控制信号，再经信号调理装置处理后，2路待控制信号输出至智能化主动隔振单元中的水平与垂直方向2根超磁致伸缩作动器，使其产生相应的伸长或收缩，从而实现智能化主动隔振单元的主动振动控制。本发明具有快速、实时和高精度的优点。
文档编号G05D19/02GK101446834SQ20081023921
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者臻 张, 张文广, 琳 李, 毛剑琴, 马艳华, 高艳蕾 申请人:北京航空航天大学