基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制結構及方法與流程

本發明涉及一種基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制結構及方法，其屬于磁懸浮控制技術與振動控制技術領域。

背景技術：
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磁懸浮技術應用于工作平臺具有無接觸、無摩擦、無潤滑油污染、支承剛度可調、懸浮高度在線可調等優點。

現有的電磁隔振平臺多用彈簧、橡膠墊、氣囊等傳統方式進行支承，再利用電磁力進行隔振。采用傳統支承方式，能夠承受更大的重量，但支承的高度與剛度不便于調節，結構復雜。對于光學儀器等輕載設備以及需要實時改變平臺位置的工作場合，可以利用磁懸浮技術對平臺進行懸浮支承，同時利用電磁力進行隔振控制不需要增加額外的隔振設備，只需要更改控制策略，可以簡化隔振系統結構，節約成本。在航天領域研究了磁懸浮運動平臺的隔振，但用于航天器的平臺主要為低頻跟蹤，高頻隔振，而用于地面設備也需要對低頻振動進行控制，所以同時實現穩定懸浮與包含高低頻的寬頻隔振的磁懸浮平臺具有研究價值。

技術實現要素：
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本發明針對現有電磁隔振平臺的不足，提出一種基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制結構及方法。通過將磁懸浮支承閉環控制與主動隔振閉環控制相結合，同時實現平臺的穩定懸浮與主動隔振，即在基礎件產生周期振動或隨機振動時，傳遞到懸浮件上的振動能夠大幅度減小，無論是高頻還是低頻。本發明充分利用磁懸浮技術的優點，控制方法簡單易實現。

本發明采用如下技術方案：一種基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制結構，包括基礎件、固定安裝于基礎件上的磁懸浮作動器、安裝于基礎件或者磁懸浮作動器上的位移傳感器、位于磁懸浮作動器上的懸浮件以及安裝于懸浮件上的加速度傳感器，所述磁懸浮作動器與基礎件作相同的運動，通過控制磁懸浮作動器的電磁力使懸浮件懸浮起來且懸浮件軸向與磁懸浮作動器相間隔開，所述位移傳感器測量的位移信號即懸浮件和基礎件或者磁懸浮作動器之間的相對位移，所述加速度傳感器測量懸浮件的絕對加速度。

本發明還采用如下技術方案：一種基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制方法，所述雙閉環控制包括控制磁懸浮平臺懸浮的閉環和控制磁懸浮平臺隔振的閉環，所述控制磁懸浮平臺懸浮的閉環采用懸浮件相對于磁懸浮作動器的相對位移信號作為該閉環的負反饋信號，位移傳感器測量懸浮目標相對磁懸浮作動器或基礎件位移，得出的信號即為相對位移信號，實現使懸浮件懸浮在參考信號所表示的懸浮位置上，所述控制磁懸浮平臺隔振的閉環采用懸浮件的絕對加速度信號作為該閉環的負反饋信號，加速度傳感器安裝在懸浮件上，實現使懸浮件的加速度始終接近零。

進一步地，控制磁懸浮平臺隔振的閉環與控制磁懸浮平臺懸浮閉環的第一種連接方法是加速度傳感器從懸浮件測得加速度負反饋信號，輸入到隔振控制環節控制器中，隔振控制環節的控制器輸出信號作為懸浮控制環節的位置參考信號輸入懸浮控制環節，與從懸浮件測量得到的懸浮件與基礎件或磁懸浮作動器的相對位移負反饋信號做差，求得誤差信號輸入懸浮環節控制器，來驅動懸浮件根據參考信號改變懸浮位置。

進一步地，控制磁懸浮平臺隔振的閉環與控制磁懸浮平臺懸浮閉環的第二種連接方法是加速度傳感器從懸浮件測得加速度負反饋信號，輸入到隔振控制環節控制器中，從懸浮件測量得到的懸浮件與基礎件或磁懸浮作動器的相對位移負反饋信號輸入到懸浮控制環節的控制器中，隔振控制環節控制器輸出的控制信號與懸浮控制環節的控制器輸出的控制信號疊加后的控制信號來驅動懸浮件改變懸浮位置。

本發明具有如下有益效果：本發明通過雙閉環控制方法將磁懸浮支承功能與主動寬頻隔振功能結合在一臺磁懸浮作動器上，雙閉環控制方法簡單易實現，能夠在控制平臺穩定懸浮的同時起到主動隔振功能，將基礎件傳遞到懸浮件的高頻和低頻振動。

附圖說明：

圖1為基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制結構圖。

圖2為“內外環”形式雙閉環控制方法框圖。

圖3為“內外環”形式雙閉環控制方法振動傳遞率仿真結果圖。

圖4為“并聯”形式雙閉環控制方法框圖。

圖5為“并聯”形式雙閉環控制方法振動傳遞率仿真結果圖。

具體實施方式：

請參照圖1所示，本發明基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制結構包括基礎件4、固定安裝于基礎件4上的磁懸浮作動器3、安裝于基礎件4或者磁懸浮作動器3上的位移傳感器5、位于磁懸浮作動器3上的懸浮件2以及安裝于懸浮件2上的加速度傳感器1。其中磁懸浮作動器3固定安裝在基礎件4上，兩者作相同的運動，通過控制磁懸浮作動器3的電磁力，使懸浮件2懸浮起來，軸向不與磁懸浮作動器3有任何接觸。位移傳感器5安裝在基礎件4或者磁懸浮作動器3上，其測量的位移信號就是懸浮件2和基礎件4或者磁懸浮作動器3之間的相對位移。加速度傳感器1安裝在懸浮件2上，測量得到懸浮件2的絕對加速度。

本發明中磁懸浮作動器3的關鍵部件是電磁鐵，由通電線圈和導磁金屬組成，通電線圈在電流作用下產生磁場，導磁金屬形狀決定了磁場的磁路，即磁場分布。一部分磁路穿過懸浮件2，懸浮件2就會受到電磁力的作用。通過控制電磁鐵線圈電流來使電磁鐵產生電磁力作用于懸浮件2，以達到對懸浮件2主動控制的目的。

本發明基于雙閉環控制的磁懸浮平臺支承隔振控制方法，通過在控制系統中采用兩個閉環控制的結合，一個閉環控制磁懸浮平臺的懸浮，另一個閉環控制磁懸浮平臺的隔振，同時實現磁懸浮平臺的懸浮支承與高低頻范圍內的主動隔振功能。其中控制磁懸浮平臺懸浮的閉環，即懸浮控制環節，采用懸浮件相對于磁懸浮作動器的相對位移信號作為該閉環的負反饋信號，位移傳感器安裝在磁懸浮作動器或基礎件上，測量懸浮目標相對磁懸浮作動器或基礎件位移，得出的信號即為相對位移信號。控制目的是使懸浮件懸浮在參考信號所表示的懸浮位置上。其中控制磁懸浮平臺隔振的閉環，即隔振控制環節，采用懸浮件的絕對加速度信號作為該閉環的負反饋信號，加速度傳感器安裝在懸浮件上。控制目的是使懸浮件的加速度始終接近零。

控制磁懸浮平臺隔振的閉環與控制磁懸浮平臺懸浮閉環的第一種連接方法是加速度傳感器從懸浮件測得加速度負反饋信號，輸入到隔振控制環節控制器中，隔振控制環節的控制器輸出信號作為懸浮控制環節的位置參考信號輸入懸浮控制環節，與從懸浮件測量得到的懸浮件與基礎件或磁懸浮作動器的相對位移負反饋信號做差，求得誤差信號輸入懸浮環節控制器，來驅動懸浮件根據參考信號改變懸浮位置，形成一種“內外環”結構。

控制磁懸浮平臺隔振的閉環與控制磁懸浮平臺懸浮閉環的第二種連接方法是加速度傳感器從懸浮件測得加速度負反饋信號，輸入到隔振控制環節控制器中；從懸浮件測量得到的懸浮件與基礎件或磁懸浮作動器的相對位移負反饋信號輸入到懸浮控制環節的控制器中，疊加后的控制信號來驅動懸浮件改變懸浮位置，形成一種兩閉環“并聯”結構。

設基礎件與磁懸浮作動器的振動位移為x₁，懸浮件的振動位移為x₂，則懸浮件的振動加速度為

雙閉環控制方法中的一種，“內外環”形式的雙閉環控制方法框圖如附圖2所示，附圖2中，內環為懸浮控制環節，位移傳感器檢測到懸浮件相對于基礎件或者磁懸浮作動器的位移，即x₁-x₂，將相對位移信號作為負反饋與位移參考信號x_ref疊加之后，形成誤差信號輸入到懸浮支承控制器中，懸浮支承控制器輸出相應控制信號，輸入到磁懸浮作動器中，最終控制懸浮件得到所需要的位移量。外環為隔振控制環節，加速度傳感器檢測到懸浮件加速度信號，將加速度信號作為負反饋與隔振控制環節加速度參考信號疊加后輸入到隔振控制環節控制器，隔振控制環節控制器計算出相應的控制信號，作為位移參考信號x_ref輸入到內環中。如此形成“內外環”形式的完整雙閉環。

根據“內外環”形式的雙閉環控制方法仿真得到的振動傳遞率隨頻率變化曲線如附圖3所示。

振動傳遞率λ用懸浮件振幅X₂與基礎件振幅X₁的比值的對數表示，式(1)為振動位移對數傳遞率表達式

$\mathrm{\λ}=20{\log }_{10}\frac{X_2}{X_1}---\left(1\right)$

根據附圖3可知，在只有懸浮控制環節下，在振動頻率小于倍平臺固有頻率，振動對數傳遞率逐漸由0增大，則說明懸浮件的振動幅值大于等于基礎件振動幅值，在振動頻率大于倍平臺固有頻率，振動傳遞率小于0，說懸浮件的振動小于基礎件振動，并且隨著頻率增加逐漸衰減。增加隔振環節之后，“內外環”形式的雙閉環控制，振動傳遞率始終小于等于0，在很低的低頻下(遠小于平臺原固有頻率)，懸浮件振動就開始衰減，并且小于基礎件振動，所以這種控制方法不但保證懸浮件的懸浮，而且隔振效果明顯。

雙閉環控制方法中的第二種，“并聯”形式的雙閉環控制方法框圖如附圖4所示，附圖4中，懸浮控制環節中位移傳感器檢測到懸浮件相對于基礎件或者磁懸浮作動器的位移，即x₁-x₂，將相對位移信號作為負反饋位移信號與懸浮控制環節位移參考信號x_ref疊加后輸入到懸浮支承控制器中，懸浮支承控制器輸出相應控制信號。隔振控制環節中的加速度傳感器檢測到懸浮件加速度信號，將加速度信號作為負反饋與隔振控制環節加速度參考信號疊加后輸入到隔振控制環節控制器，隔振控制環節控制器計算出相應的控制信號。懸浮支承控制器與隔振控制環節控制器輸入的控制信號進行疊加，共同輸入到磁懸浮作動器中，最終控制懸浮件得到所需要的位移量。這種結構的雙閉環控制可認為是“并聯”形式

根據“并聯”形式的雙閉環控制方法仿真得到的振動傳遞率隨頻率變化曲線如附圖5所示。在只有懸浮控制環節下，在振動頻率小于倍平臺固有頻率，振動傳遞率逐漸由0增大，則說明懸浮件的振動幅值大于等于基礎件振動幅值，在振動頻率大于倍平臺固有頻率，振動傳遞率小于0，懸浮件的振動小于基礎件振動，并且隨著頻率增加逐漸衰減。增加隔振環節之后，“并聯”形式的雙閉環控制，振動傳遞率始終小于等于0，在很低的頻率下(遠小于平臺原固有頻率)，懸浮件振動就開始衰減，并且小于基礎件振動，所以這種控制方法不但保證懸浮件的懸浮，而且隔振效果明顯。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。