高精密设备平台微振动混合控制理论研究

论文摘要

本学位论文结合国家自然科学基金项目:城市轨道交通激励下高精密设备平台微振动混合控制(项目批准号: 50578058),对高精密设备隔振平台进行混合控制的理论与仿真研究。自从20世纪80年代以来,微机电系统(MEMS)技术迅速发展为一个新兴的科学技术领域。在制造、测量微机电系统器件时,需要一个非常稳定的高精密设备隔振平台。高精密设备隔振平台需要隔离的环境干扰是复杂的,不仅要求隔离如大地脉动、机器运转、车辆行驶、人员走动等引起的地面振动,还要求对空调气流、声音、马达等引起的作用于平台的振动能够迅速消除。高精密设备平台隔振系统的设计需要考虑的振动频率范围为0~100Hz,而被动控制和主动控制相结合的混合控制能满足同时隔离高频干扰和低频干扰的要求。本文开展以下研究工作:1)本文首先设计了一个由空气弹簧作为被动隔振元件,超磁致伸缩作动器作为主动控制元件的多自由度高精密设备隔振平台。在这种微振动混合控制中,空气弹簧起着隔离高频振动的作用,而主动控制则有效地隔离低频振动。然后分析和讨论了作为被动隔振元件的空气弹簧和作为主动控制元件的超磁致伸缩作动器的物理模型。建立了高精密设备隔振平台的简化动力学分析模型,并在考虑平台和三层高科技厂房结构耦合的情况下对隔振平台进行了动力学分析,得出了动力学方程的表达式及各参数的取值。2)本文定义了基础干扰和直接干扰同时作用下隔振平台的振动传递率表达式,并针对考虑隔振效果时最受关注的Z方向对隔振平台的振动传递率进行了计算和分析,为研究复杂环境干扰作用下的微振动控制提供了理论基础。3)针对所设计的高精密设备隔振平台在MATLAB软件中SIMULINK下分别进行了LQG控制、模糊控制、神经网络控制等多种控制算法的仿真,并以被动隔振系统为比较对象,对隔振平台分别在基础干扰作用下、直接干扰作用下、基础干扰和直接干扰同时作用下的位移和速度曲线进行了分析,同时也对三种主动控制算法进行了横向比较分析。通过以上研究工作的开展,在高精密设备平台微振动控制中,采取主动控制与被动控制相结合的混合控制对基础干扰和直接干扰所引起的高精密设备平台振动均能进行有效的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国内外研究概况
• 1.2.2 主动振动控制中作动器的发展现状
• 1.2.3 主动振动控制中控制技术的发展现状
• 1.3 本课题研究的目的及意义
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 平台隔振系统设计及动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 典型的高科技厂房模型
• 2.3 高精密设备平台模型
• 2.3.1 高精密设备平台模型概述
• 2.3.2 超磁致伸缩作动器
• 2.3.3 空气弹簧
• 2.4 高精密设备隔振平台动力学分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 高精密设备平台振动传递率分析
• 3.1 引言
• 3.2 振动传递率的基本概念
• 3.3 仅在基础干扰作用下的振动传递率
• 3.3.1 被动隔振系统的振动传递率
• 3.3.2 主动隔振系统的振动传递率
• 3.4 基础干扰与直接干扰同时作用下的振动传递率
• 3.4.1 被动隔振系统的振动传递率
• 3.4.2 主动隔振系统的振动传递率
• 3.5 本章小结
• 第4章 平台微振动主动控制算法仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 LQG 控制算法及其MATLAB 仿真
• 4.2.1 LQG 控制的基本概念
• 4.2.2 系统动力学方程的状态空间描述
• 4.2.3 LQG 控制器的设计
• 4.2.4 LQG 控制的MATLAB 仿真
• 4.3 模糊控制算法及其MATLAB 仿真
• 4.3.1 模糊控制的基本概念
• 4.3.2 双输入单输出的模糊控制器设计
• 4.3.3 模糊控制的MATLAB 仿真
• 4.4 神经网络控制算法及其MATLAB 仿真
• 4.4.1 神经网络的基本概念
• 4.4.2 误差反向传播网络设计
• 4.4.3 神经网络控制的MATLAB 仿真
• 4.5 主动控制算法比较分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢