光学移相干涉仪智能抗振平台关键技术研究

论文摘要

光学移相干涉术(PSI)是一种高精度、高灵敏度、非接触式光学测试方法,易受外界环境振动的影响,外界环境振动是移相干涉仪测量误差的主要来源之一。本论文针对环境振动对移相干涉测量的影响问题,在光学测试抗振平台领域开展创新性和应用性研究,以适应光学计量测试和制造的发展需求。首先,论文介绍了光学移相干涉仪智能抗振控制技术的研究进展及存在问题;建立了光学移相干涉仪抗振平台系统的数学模型并结合模型结构和外部干扰的不确定性构造了抗振系统的智能控制器,使得抗振系统能够有效地抑制结构的不确定性和振动的干扰,从而使光学移相干涉测试平台在振动的干扰下具有较好的稳定性和控制精度,也同时具有良好的振动抑制效果。其次,论文将被动抗振和主动抗振相结合的混合控制技术应用于光学移相干涉仪抗振平台系统中,构造了采用被动抗振和主动抗振相结合的智能混合控制技术的抗振系统结构,将空气弹簧作为被动抗振元件,将压电作动器(PZT)作为主动抗振元件,该技术可有效地隔离整个频率范围内的振动。同时采用小波分析方法将随机振动信号进行时频分析后得到低频全局信息,以便于主动抗振系统对低频振动进行有针对性的抑制。最后,论文在光学移相干涉仪平台主动抗振控制系统中,应用H_∞控制理论和μ控制理论构造控制器,所构造的控制器都能有效地克服由模型自身和外部干扰所引起的不确定性,仿真和实验结果表明,智能控制抗振技术能使光学移相干涉抗振平台在外部振动的干扰下具有较好的稳定性和控制精度,同时也能较好的抑制高低频振动,抗振效率都达到了80%以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.2 环境振动对光学移相仪干涉测量的影响
• 1.3 移相干涉仪抗振技术研究发展现状
• 1.3.1 主动振动控制理论的研究进展
• 1.3.2 主动振动控制中作动器与传感器的研究及进展
• 1.3.3 主动振动控制系统建模与模型简化
• 1.4 论文的主要工作和内容安排
• 2 抗振控制系统鲁棒控制理论和智能控制器的比较研究
• 2.1 前言
• 2.2 鲁棒控制理论简介
• 2.2.1 鲁棒控制理论研究的基本问题
• 2.2.2 不确定性系统的描述及分类
• ∞控制问题及其稳定性'>2.2.3 标准H_∞控制问题及其稳定性
• 2.2.4 一般鲁棒控制问题
• 2.3 单自由度抗振控制系统的PID控制
• 2.3.1 PID控制
• 2.3.2 单自由度抗振控制系统PID控制仿真研究
• 2.4 单自由度抗振控制系统的LQG控制
• 2.4.1 单自由度抗振控制系统的LQG控制模型
• 2.4.2 单自由度抗振控制系统的LQG控制仿真研究
• ∞控制'>2.5 单自由度抗振控制系统的H_∞控制
• ∞控制理论'>2.5.1 单自由度抗振控制系统的H_∞控制理论
• ∞控制器设计'>2.5.2 单自由度抗振控制系统的H_∞控制器设计
• ∞控制仿真研究'>2.5.3 单自由度抗振控制系统的H_∞控制仿真研究
• 2.6 各振动控制算法的比较
• 2.7 本章小结
• 3 光学移相干涉仪抗振平台的振动控制技术
• 3.1 前言
• 3.2 光学移相干涉仪抗振平台的基础振动理论模型
• 3.2.1 光学移相干涉仪抗振平台结构的刚体动力学模型
• 3.2.2 抗振平台结构的振动响应
• 3.2.3 广义特征值问题
• 3.2.4 周期性激振的动力响应
• 3.2.5 平稳随机振动的动力响应
• 3.3 基于空气弹簧的光学移相干涉仪平台被动抗振隔离技术
• 3.3.1 空气弹簧振动隔离技术
• 3.3.2 空气弹簧的刚度计算
• 3.3.3 空气弹簧的振动模型及仿真
• 3.4 光学移相干涉仪平台主动抗振控制的压电驱动装置
• 3.4.1 压电作动器的结构及工作原理
• 3.4.2 压电作动器的作动方程
• 3.4.3 作动器的动力学模型
• 3.5 基于被动抗振和主动抗振的混合控制技术
• 3.6 本章小结
• 4 小波分析在振动信号分析中的应用
• 4.1 前言
• 4.2 小波分析基础
• 4.2.1 小波理论及其时频局部化特征
• 4.2.2 小波变换
• 4.2.3 多分辨率分析（MRA）和小波变换的快速算法
• 4.2.4 小波变换的工程解释
• 4.3 振动信号小波时频分析
• 4.3.1 振动信号小波分析原理
• 4.3.2 振动信号小波时频特征
• 4.4 振动信号突变点检测
• 4.5 小波去噪分析
• 4.6 随机振动信号小波分析实例
• 4.7 本章小结
• 5 光学移相干涉仪抗振平台智能控制器设计与仿真
• 5.1 前言
• 5.2 光学移相干涉仪抗振平台控制系统的结构模型
• 5.3 光学移相干涉仪抗振平台系统的动力学分析和状态空间模型
• 5.4 光学移相干涉仪抗振平台随机振动信号的小波分析
• ∞控制器设计与仿真'>5.5 光学移相干涉仪抗振平台鲁棒H_∞控制器设计与仿真
• ∞控制器设计'>5.5.1 光学移相干涉仪抗振平台鲁棒H_∞控制器设计
• ∞控制器仿真'>5.5.2 光学移相干涉仪抗振平台鲁棒H_∞控制器仿真
• 5.6 光学移相干涉仪抗振平台μ控制器设计与仿真
• 5.6.1 μ控制器设计
• 5.6.2 光学移相干涉仪抗振平台μ控制器仿真
• 5.7 本章小结
• 6 光学移相干涉仪抗振平台智能控制实验研究
• 6.1 前言
• 6.2 光学移相干涉仪抗振平台智能控制实验系统
• 6.3 光学移相干涉仪抗振平台智能控制实验步骤及结果分析
• 6.3.1 实验步骤
• 6.3.2 实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文所做的工作总结及创新点
• 7.2 有待解决的问题及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文