一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置及其控制方法

專利名稱：一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置及其控制方法，屬于結構/機構主動控制技術領域。
背景技術：
隨著數據中繼、高分辨率觀測等技術的廣泛應用，對高穩定精密跟蹤、瞄準機構的需求日益迫切。車載或機載高性能光學設備及激光設備作為典型的跟瞄機構應具有較高的指向精度和振動控制能力，而主動隔振控制是提供振動控制能力的一種有效技術途徑。主動隔振是指在受擾動的系統中引入次級振源，通過有效的控制方法調節次級振源輸出，從而抵消主級振源擾動達到最終隔振目標。與被動隔振技術相比，主動隔振技術具有良好的隔振效果及易于低頻振動隔離等優點。六自由度平臺具有定位精度高、剛度大、結構穩定、承載能力強、運動慣量小、動態特性好等特點，同時又具有6自由度的運動能力，因此被國外科研機構和院所廣泛應用于主動隔振的應用研究，比如美國海軍研究生院(NPS)的PPH平臺、布魯塞爾自由大學(ULB) 的六自由度主動隔振平臺等。六自由的液壓隔振平臺可用于車載高性能光學設備及激光設備的振動隔離。要實現平臺的隔振功能，就必須要相應的控制裝置和方法。控制裝置要能夠測量平臺在隔振過程中與振動相關的信號量的變化，同時裝置需要通過相應的控制方法對這些量做出反應，操控平臺運動，隔離外部的振動。這些過程都要求控制裝置在限定的時間類完成，要求實時響應。目前國內外隔振平臺的控制系統各有差異，其中PPH平臺控制系統的實現方式為 dSPACE實時仿真控制系統。dSPACE實時仿真控制系統是一套成熟的商業系統，提供實時信號采集和數據處理功能，有良好的控制性能，和便捷的操作性，但也因其為商業產品，它的底層是不開放的，用戶很難拓展系統，比如增加通道數，提高通道精度等，就必須要向原廠商購買更高級的dSPACE系統。實現液壓平臺的隔振功能，需要的信號很多，要求控制裝置有大量的信號采集通道。而相關的控制方法，所需的實時計算量也比較龐大，要求控制裝置有高性能的數據處理能力，低版本的dSPACE系統無法滿足要求。

發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置及其控制方法。本發明提供一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置包括控制計算機、A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B、功率放大器、 加速度傳感器A、加速度傳感器B和位移傳感器。所述的控制計算機、A/D數據處理卡A、A/ D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B均為1個，當該控制裝置應用于具有六個自由度的液壓振動主動隔離平臺時，加速度傳感器A和加速度傳感器B分別選用6個，位移傳感器選用6個。液壓振動主動隔離平臺的每個液壓主動作動桿上分別安裝有1個加速度傳感器A、1個加速度傳感器B和1個位移傳感器，其中加速度傳感器A安裝在液壓主動作動桿內缸頂部，加速度傳感器B安裝在液壓主動作動桿的外缸的頂部。所述的位移傳感器沿液壓主動作動桿的桿向伸縮運動方向，平行地安裝在液壓缸中外缸的側面，軸向與外缸平行。每個加速度傳感器A和加速度傳感器B的輸出端通過屏蔽線纜與信號調理器A的輸入端連接，每個位移傳感器的輸出端通過屏蔽線纜信號調理器B的輸入端連接，信號調理器A和信號調理器B的輸出端分別由屏蔽線纜連接到A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B的輸入端，A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B安裝到控制計算機的PCI插槽上。D/ A數據處理卡安裝在控制計算機的PCI插槽上，D/A數據卡的輸出端通過屏蔽線纜與功率放大器的輸入端連接，功率放大器的輸出端通過屏蔽線纜連接到液壓振動主動隔離平臺的液壓主動作動桿的液壓伺服閥上。所述的安裝在液壓主動作動桿的內缸頂部的加速度傳感器A用于采集液壓振動主動隔離平臺的液壓主動作動桿桿向的誤差加速度信號el(k) e6(k)，安裝在液壓主動作動桿的外缸頂部的加速度傳感器B用于采集液壓振動主動隔離平臺六根主動作動桿桿向的參考加速度信號Xl (k) X6 (k)，平行安裝與外缸側面的軸向方向的位移傳感器用于采集實際桿長信號Ll (k) L6(k)。誤差加速度信號el(k) e6(k)和參考加速度Xl (k) X6 (k)通過信號調理器A，進行濾波和信號放大，轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號，經A/ D數據處理卡A轉換為數字信號，實際桿長信號Ll (k) L6(k)通過信號調理器B，進行整流和信號放大，轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號，經A/D數據處理卡B轉換為數字信號， 上面所有的數字信號通過PCI總線進入控制計算機，控制計算機利用控制模塊生成的液壓主動作動桿的液壓伺服閥控制信號Ul (k) TO(k)，該液壓伺服閥控制信號再經D/A數據處理卡轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號，最終通過功率放大器生成液壓主動作動桿的運動控制電信號，作用到液壓主動作動桿的液壓伺服閥上。所述的控制計算機中設置有控制模塊，該控制模塊由六個控制模塊構成，每個控制模塊分別用于接收相應液壓主動作動桿的誤差加速度信號el(k) e6(k)、參考加速度信號Xl (k) X6 (k)和實際桿長信號Ll (k) L6 (k)，經每個對應控制模塊的控制后生成各自液壓主動作動桿的響應運動控制信號，進而實現液壓主動作動桿相應的運動。每個控制模塊均為全數字控制，均通過在控制計算機中的Matlab軟件生成后導入到實時Linux系統中運行，該Linux系統包含實時內核和非實時內核，通過實時內核提供控制模塊對D/A數據處理卡、A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B的實時控制，通過非實時內核提供對控制模塊中相關控制參數在線修改及支持相關信號的顯示。控制模塊由Matlab軟件的Simulink 環境按照自適應逆方法和PID方法進行編寫，搭建仿真程序，用Simulink環境提供的數值仿真工具進行仿真，通過仿真驗證后，加入A/D數據處理卡和D/A數據處理卡的實時驅動、與實時Linux系統所對應的實時Linux系統中目標模板文件、滿足實時控制模塊代碼格式的代碼生成控制主程序，再由Simulink環境中的實時工作空間工具(RTW，Real Time Workshop)根據目標模板文件和代碼生成控制主程序自動將含有驅動的控制仿真程序生成為適合于實時Linux系統內核運行的代碼，最后生成控制序，載入到實時內核中，構成控制模塊。非實時內核主要是提供實時的控制模塊中各控制器相關參數的接口及進行相關信號數據的圖形化顯示。
每個控制模塊均為一個單桿控制子模塊，對應實現一個液壓主動作動桿的運動。 各控制模塊按照與A/D數據采集卡A的Chl Ch6通道對應的地址ADl_Chl ADl_Ch6分別讀取各液壓主動作動桿對應的誤差加速度信號el (k) e6(k)，各控制模塊按照與A/D 數據采集卡A的Ch7 Chl2通道對應的地址ADl_Ch7 ADl_Chl2分別讀取各液壓主動作動桿的參考加速度信號Xl (k) X6 (k)，各控制模塊按照與A/D數據采集卡B的Chl Ch6 通道對應的地址AD2_Chl AD2_Ch6分別讀取各液壓主動作動桿的實際桿長信號Ll (k) L6 (k)。經過控制模塊實時計算得到各液壓主動作動桿上液壓伺服閥的控制信號，寫入到D/ A數據采集卡通道Chl Ch6對應地址DA_Chl DA_Ch6，最終得到各桿液壓伺服閥的驅動信號Ul(k) TO (k)，輸出控制計算機。 每個控制模塊均由自適應逆控制器和數字PID控制器組成，所述的自適應逆控制器包含有自適應濾波器，自適應濾波器有兩個，分別為自適應濾波器A和自適應濾波器B。 所述的自適應逆控制器A和自適應濾波器B用于對桿向的誤差加速度信號e (k)及參考加速度信號X(k)進行實時處理，其中誤差加速度信號e(k)直接進入自適應濾波器A，參考加速度信號X(k)經過液壓主動作動桿傳遞函數P(ζ)濾波后，同時進入自適應濾波器A和自適應濾波器B，自適應濾波器A利用誤差加速度信號e(k)和參考加速度信號X (k)調節權值W，自適應濾波器B與自適應濾波器A通過權值W建立聯系，兩者的權值W —致。自適應濾波器B根據權值W和參考加速度信號X (k)，輸出能使誤差加速度信號e (k)趨向最小的期望桿長信號C (k)。C(k)再進入數字PID控制器，位移反饋的實際桿長信號L (k)也接入數字PID控制器。在數字PID控制器中C(k)與L(k)的差值經過比例放大(P)、積分(I)和微分(D)運算后，把三個運算結果求和得到的期望控制量U (k)，控制液壓主動作動桿作動， 使e(k)趨向最小，實現液壓主動作動桿的振動隔離，從而實現上平臺的振動主動隔離。控制模塊中，作動桿的傳遞函數P (ζ)，濾波器的系數，數字PID控制器的系數等，根據各桿的特性由實驗測得。在實驗時，各子控制模塊提供了單獨的參數在線修改功能，可以在線調節相關系數，使隔振控制效果達到最優。所述的液壓振動主動隔離平臺包括上平臺、下平臺、兩自由度虎克鉸、三自由度虎克鉸和液壓主動作動桿。所述的下平臺邊緣處按中心對稱的設置有下基座Α、下基座B和下基座C，下基座Α、下基座B和下基座C通過螺栓連接于下平臺上，下基座A上設置有定心孔a和定心孔b，下基座B上設置有定心孔c和定心孔d，下基座C上設置有定心孔e和定心孔f，且定心孔a、定心孔b、定心孔C、定心孔d、定心孔e和定心孔f沿下平臺按周向順序分布。所述的上平臺邊緣處按中心對稱的設置有上基座A、上基座B和上基座C，上基座A、 上基座B和上基座C通過螺栓連接于上平臺上。上基座A上設置有定心孔AlOll和定心孔 B，上基座B上設置有定心孔C和定心孔D，上基座C上設置有定心孔E和定心孔F，且定心孔A1011、定心孔B、定心孔C、定心孔D、定心孔E和定心孔F沿上平臺按周向順序分布。所述的三自由度虎克鉸、兩自由度虎克鉸和液壓主動作動桿分別有六個。連接關系為每個三自由度虎克鉸的上鉸座與液壓主動作動桿的外缸均使用螺栓進行同心連接， 每個兩自由度虎克鉸通過鉸座環B與液壓主動作動桿的內缸均使用螺栓同心連接；三自由度虎克鉸的基座盤與下基座A的定心孔b所在面使用螺釘連接，兩自由度虎克鉸的上鉸座與上基座A的定心孔a所在面使用螺釘連接，其余五個三自由度虎克鉸和兩自由度虎克鉸均通過相同的方法分別與下基座B的定心孔c和上基座A的定心孔b所在面進行連接、下基座B的定心孔d與上基座B的定心孔c所在面連接、下基座C的定心孔e與上基座B的定心孔d所在面連接、下基座C的定心孔f與上基座C的定心孔e所在面連接、下基座A的定心孔a與上基座C的定心孔f所在面連接，最終使上平臺與下平臺之間順次連接有六組兩自由度虎克鉸、液壓主動作動桿和三自由度虎克鉸。所述兩自由度虎克鉸能提供兩個轉動自由度。所述三自由度虎克鉸為提供三個轉動自由度的鉸鏈。同樣通過采用下轉臺角接觸軸承預緊的方法消除軸承間隙，達到承載力大、精度高的效果。所述的液壓主動作動桿包括內缸、外缸和液壓伺服閥。所述的加速度傳感器A通過螺釘安裝于外缸的頂部，加速度傳感器B安裝在內缸頂部部件上，所述的位置傳感器安裝于外缸一側，軸向與外缸軸向平行。本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置是通過控制方法實現的，該控制方法具體包括以下幾個步驟步驟一液壓振動主動隔離平臺的下平臺在k時刻受到擾動時，加速度傳感器A和加速度傳感器B采集誤差加速度信號el (k) e6 (k)和參考加速度信號Xl (k) X6 (k)， 并通過屏蔽線纜傳輸到信號調理器A中，經信號調理器A傳輸到A/D數據處理卡A中，再經 A/D數據處理卡A傳輸到控制計算機中；控制計算機的控制模塊的自適應逆控制器根據接收的信號進行實時處理，得到k時刻期望桿長信號Cl (k) C6 (k)。步驟二 在k時刻，位置傳感器采集實際桿長信號Ll (k) L6(k)，經將該信號經屏蔽線纜傳輸到信號調理器B中，經信號調理器B轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號后， 經A/D數據處理卡B向控制計算機的控制模塊中的數字PID控制器傳輸；步驟三自適應逆控制器將期望桿長信號Cl (k) C6(k)向數字PID控制器中輸入，數字PID控制器將接收的k時刻的實際桿長信號Ll (k) L6(k)與期望桿長信號 Cl(k) C6(k)做差(后者減去前者)，利用得到差值的比例放大值(P)、積分值(I)和微分值(D)的和作為6個液壓主動作動桿的液壓伺服閥控制信號Ul (k) U6 (k)。步驟四液壓伺服閥控制信號Ul (k) 從控制計算機輸出后，經功率放大器的功率放大，輸出到液壓伺服閥上，使液壓主動作動桿產生期望作動量，以抵消下平臺的擾動，實現上平臺的穩定。上述的控制方法通過控制計算機的控制模塊中進行運行，具有實時數據處理的功能。通過六個控制模塊獨立控制六根液壓主動作動桿的運動。本發明的優點在于(1)本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，能夠實現平臺在大振幅(厘米級)、低頻(5 20Hz)、重載(85kg以上)環境下的隔振功能。(2)本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，采用高性能控制計算機及數據處理板卡，配合實時控制模塊，有效的提供了多通道信號實時采集，快速數據計算及處理能力。(3)本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置具有較強的可擴展性， 通過改寫控制模塊，增加數據采集卡的類型和數量，可以很方便的實現多個類似隔振平臺的同時控制。(4)本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置的控制模塊的內部參數可依據各液壓的性能狀態在線調整，使平臺的整體隔振控制效果達到最優，這樣可以節約控制器的開發時間.


圖1 本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置的結構圖；圖2 本發明中液壓振動主動隔離平臺中安裝加速度傳感器和位移傳感器的結構圖；圖3 本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置中數據處理卡的通道分配及其與控制計算機的連接關系境程圖4:本發明提出的-圖5:本發明提出的-
-種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置中控制模塊結構圖； -種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置中控制模塊的原理
圖6 本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置中控制模塊的運行環
圖7 本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置中控制模塊的生成流
圖8 本發明中液壓振動主動隔離平臺的俯視圖9 本發明中液壓振動主動隔離平臺的下平臺的等軸視圖10 本發明中液壓振動主動隔離平臺的上平臺的底視圖11 本發明中液壓振動主動隔離平臺的兩自由度虎克鉸的爆炸圖12 本發明中液壓振動主動隔離平臺的兩自由度虎克鉸的主視圖13 本發明中液壓振動主動隔離平臺的兩自由度虎克鉸的主視圖A-A剖視圖14 本發明中液壓振動主動隔離平臺的三自由度虎克鉸的等軸視圖15 本發明中液壓振動主動隔離平臺的三自由度虎克鉸的主視圖16 本發明中液壓振動主動隔離平臺的三自由度虎克鉸的主視圖A-A剖視圖17 本發明中液壓振動主動隔離平臺中虎克鉸十字軸的等軸視圖18 本發明中液壓主動作動桿上安裝加速度傳感器和位移傳感器的結構圖。
圖中
1-上平臺 5-液壓主動作動桿 9-鉸座端蓋 13-基座蓋 17-下轉臺角接觸軸承 21-外缸
25-加速度傳感器β 1011-定心孔A 1031-定心孔E 203-下基座C 2022-定心孔d
2_下平臺 6-上鉸座 10-角接觸軸承 14-下轉臺預緊螺釘 18-軸承墊片 22-位移傳感器 101-上基座A 1012-定心孔B 1032-定心孔F 2011-定心孔a 2031-定心孔e
3_兩自由度虎克鉸4-三自由度虎克鉸 7-鉸座環A8-預緊螺釘
11-虎克鉸十字軸12-連接叉 15-基座盤16-壓緊螺母
19-內缸
23-液壓伺服閥 102-上基座B 1021-定心孔C 201-下基座A 2012定心孔b 2032-定心孔f
20-加速度傳感器A 24-鉸座環B 103-上基座C 1022-定心孔D 202-下基座B 2021-定心孔c
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具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明提供一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置包括控制計算機、A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B、功率放大器、加速度傳感器A、加速度傳感器B和位移傳感器22，如圖1所示。所述的控制計算機、A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B均為1個，當該控制裝置應用于具有六個自由度的液壓振動主動隔離平臺時，加速度傳感器A20和加速度傳感器B25分別選用6個，位移傳感器22選用6個。如圖2所示，液壓振動主動隔離平臺的每個液壓主動作動桿上分別安裝有1個加速度傳感器A20、l個加速度傳感器B25和1個位移傳感器22，其中加速度傳感器A20安裝在液壓主動作動桿5內缸19頂部，加速度傳感器B25安裝在液壓主動作動桿5的外缸21的頂部。所述的位移傳感器22沿液壓主動作動桿5的桿向伸縮運動方向，平行地安裝在液壓缸中外缸21的側面，軸向與外缸21平行。每個加速度傳感器A20和加速度傳感器B25的輸出端通過屏蔽線纜與信號調理器 A的輸入端連接，每個位移傳感器22的輸出端通過屏蔽線纜信號調理器B的輸入端連接，信號調理器A和信號調理器B的輸出端分別由屏蔽線纜連接到A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B的輸入端，A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B安裝到控制計算機的PCI插槽上。D/A數據處理卡安裝在控制計算機的PCI插槽上，D/A數據處理卡的輸出端通過屏蔽線纜與功率放大器的輸入端連接，功率放大器的輸出端通過屏蔽線纜連接到液壓振動主動隔離平臺的液壓主動作動桿5的液壓伺服閥上。所述的安裝在液壓主動作動桿5的內缸19頂部的加速度傳感器A20用于采集液壓振動主動隔離平臺的液壓主動作動桿5桿向的誤差加速度信號el (k) e6(k)，安裝在液壓主動作動桿5的外缸21頂部的加速度傳感器B25用于采集液壓振動主動隔離平臺六根液壓主動作動桿5桿向的參考加速度信號Xl (k) X6 (k)，平行安裝于外缸21側面的軸向方向的位移傳感器22用于采集實際桿長信號Ll (k) L6(k)。誤差加速度信號 el(k) e6(k)和參考加速度Xl (k) X6 (k)通過信號調理器A，進行濾波和信號放大，轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號，經A/D數據處理卡A轉換為數字信號，實際桿長信號 Ll (k) L6(k)通過信號調理器B，進行整流和信號放大，轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號，經A/D數據處理卡B轉換為數字信號，上面所有的數字信號通過PCI總線進入控制計算機，控制計算機利用控制模塊生成的液壓主動作動桿的液壓伺服閥控制信號Ul (k) U6 (k)，該液壓伺服閥控制信號再經D/A數據處理卡轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號， 最終通過功率放大器生成液壓主動作動桿5的運動控制電信號，作用到液壓主動作動桿5 的液壓伺服閥23上。所述的控制計算機中設置有控制模塊，該控制模塊由六個控制模塊構成，每個控制模塊分別用于接收相應液壓主動作動桿5的誤差加速度信號el (k) e6 (k)、參考加速度信號Xl (k) X6 (k)和實際桿長信號Ll (k) L6 (k)，經每個對應控制模塊的控制后生成各自液壓主動作動桿5的響應運動控制信號，進而實現液壓主動作動桿5相應的運動。每個控制模塊均為全數字控制，均通過在控制計算機中的Matlab軟件生成后導入到實時Linux 系統中運行，如圖6和圖7所示，該Linux系統包含實時內核和非實時內核，通過實時內核提供控制模塊對D/A數據處理卡、A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B的實時控制，通過非實時內核提供對控制模塊中相關控制參數在線修改及支持相關信號的顯示。控制模塊由Matlab軟件的Simulink環境按照自適應逆方法和PID方法進行編寫，搭建仿真程序， 用Simulink環境提供的數值仿真工具進行仿真，通過仿真驗證后，加入A/D數據處理卡A、 A/D數據處理卡B和D/A數據處理卡三者的實時驅動模塊、與實時Linux系統所對應的實時Linux系統中目標模板文件、滿足實時控制模塊代碼格式的代碼生成控制主程序，再由 Simulink環境中的實時工作空間工具(RTW，Real Time Workshop)根據目標模板文件和代碼生成控制主程序自動將控制仿真程序生成為適合于實時Linux系統內核運行的代碼，最后生成控制序，載入到實時內核中，構成控制模塊。所述的控制仿真程序用于驗證控制方法同時作為控制模塊代碼的來源。實時驅動模塊用于驅動A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡 B和D/A數據處理卡。非實時內核主要是提供實時的控制模塊中各控制器相關參數的接口及進行相關信號數據的圖形化顯示。每個控制模塊均為一個單桿控制子模塊，對應實現一個液壓主動作動桿的運動。 各控制模塊按照與A/D數據采集卡A的Chl Ch6通道對應的地址ADl_Chl ADl_Ch6分別讀取各液壓主動作動桿對應的誤差加速度信號el (k) e6 (k)，如圖3和圖4所示，各控制模塊按照與A/D數據采集卡A的Ch7 Ch 12通道對應的地址ADl_Ch7 ADl_Chl2分別讀取各液壓主動作動桿的參考加速度信號Xl (k) X6 (k)，各控制模塊按照與A/D數據采集卡B的Chl Ch6通道對應的地址AD2_Chl AD2_Ch6分別讀取各液壓主動作動桿5的實際桿長信號Ll (k) L6(k)。經過控制模塊實時計算得到各液壓主動作動桿5上液壓伺服閥的控制信號，寫入到D/A數據采集卡通道Chl Ch6對應地址DA_Chl DA_Ch6，最終得到各桿液壓伺服閥23的驅動信號Ul (k) TO (k)，輸出控制計算機。每個控制模塊均由自適應逆控制器和數字PID控制器組成，如圖5所示，所述的自適應逆控制器包含有自適應濾波器，自適應濾波器有兩個，分別為自適應濾波器A和自適應濾波器B。所述的自適應逆控制器A和自適應濾波器B用于對桿向的誤差加速度信號 e(k)及參考加速度信號X(k)進行實時處理，其中誤差加速度信號e(k)直接進入自適應濾波器A，參考加速度信號X (k)經過液壓主動作動桿傳遞函數P (ζ)濾波后，同時進入自適應濾波器A和自適應濾波器B，自適應濾波器A利用誤差加速度信號e (k)和參考加速度信號 X(k)調節權值W，自適應濾波器B與自適應濾波器A通過權值W建立聯系，兩者的權值W — 致。自適應濾波器B根據權值W和參考加速度信號X (k)，輸出能使誤差加速度信號e(k)趨向最小的期望桿長信號C(k)。C(k)再進入數字PID控制器，位移反饋的實際桿長信號L(k) 也接入數字PID控制器。在數字PID控制器中C (k)與L (k)的差值經過比例放大(P)、積分 (I)和微分(D)運算后，把三個運算結果求和得到的期望控制量U(k)，控制液壓主動作動桿作動，使e(k)趨向最小，實現液壓主動作動桿的振動隔離，從而實現上平臺的振動主動隔離。控制模塊中，作動桿的傳遞函數P (ζ)、自適應濾波器的系數和數字PID控制器的系數等根據各液壓主動作動桿5的特性由實驗測得。在實驗時，各子控制模塊提供了單獨的參數在線修改功能，可以在線調節相關參數，使隔振控制效果達到最優。所述的液壓振動主動隔離平臺，如圖2和圖8所示，包括上平臺1、下平臺2、兩自由度虎克鉸3、三自由度虎克鉸4和液壓主動作動桿5。所述的下平臺2優選為平面人字型結構以減輕重量，下平臺2的邊緣處按中心對稱的設置有下基座A201、下基座B202和下基座C203，如圖9所示，下基座A201、下基座B202和下基座C203通過螺栓連接于下平臺2上，下基座A201上設置有定心孔a2011和定心孔b2012，下基座B202上設置有定心孔c2021和定心孔d2022，下基座C203上設置有定心孔e2031和定心孔f2032，且定心孔a2011、定心孔 b2012、定心孔c2021、定心孔d2022、定心孔e2031和定心孔f2032沿下平臺2按周向順序分布。所述的上平臺1優選為圓盤狀結構，如圖10所示，上平臺1的邊緣處按中心對稱的設置有上基座A101、上基座B102和上基座C103，上基座A101、上基座B102和上基座C103 通過螺栓連接于上平臺1上。上基座AlOl上設置有定心孔AlOll和定心孔B1012，上基座 B102上設置有定心孔C1021和定心孔D1022，上基座C103上設置有定心孔E1031和定心孔 F1032，且定心孔A1011、定心孔B1012、定心孔C1021、定心孔D1022、定心孔E1031和定心孔 F1032沿上平臺1按周向順序分布。所述的三自由度虎克鉸4、兩自由度虎克鉸3和液壓主動作動桿5分別有六個。連接關系為每個三自由度虎克鉸4的上鉸座6與液壓主動作動桿5的外缸21均使用螺栓進行同心連接，每個兩自由度虎克鉸3通過鉸座環B24與液壓主動作動桿5的內缸19均使用螺栓同心連接；三自由度虎克鉸4的基座盤15與下基座A201的定心孔b2012所在面使用螺釘連接，兩自由度虎克鉸的上鉸座6與上基座AlOl的定心孔a2011所在面使用螺釘連接，其余五個三自由度虎克鉸4和兩自由度虎克鉸均通過相同的方法分別與下基座B202的定心孔c2021和上基座AlOl的定心孔b2012所在面進行連接、下基座B202的定心孔d2022 與上基座B102的定心孔c2021所在面連接、下基座C203的定心孔e2031與上基座B102的定心孔d2022所在面連接、下基座C203的定心孔f2032與上基座C103的定心孔e2031所在面連接、下基座A201的定心孔a2011與上基座C103的定心孔f2032所在面連接，最終使上平臺1與下平臺2之間順次連接有六組兩自由度虎克鉸3、液壓主動作動桿5和三自由度虎克鉸4。所述兩自由度虎克鉸3包括上鉸座6，鉸座環A7、鉸座環B24、角接觸軸承10、鉸座端蓋9、預緊螺釘8和虎克鉸十字軸11，能提供兩個轉動自由度，如圖11、圖12、圖13和圖 17所示。所述的虎克鉸十字軸11的四個軸端分別與鉸座環A7和鉸座環B24的軸承安裝孔相連接，并在鉸座環A7/鉸座環B24的軸承安裝孔與虎克鉸十字軸11的四個軸端的連接處套接有四個角接觸軸承10。鉸座環A7和鉸座環B24的側表面分別通過預緊螺釘8固定鉸座端蓋9。鉸座環A7的鉸座連接臂上固定有上鉸座6，上鉸座6的上表面用于與上平臺 1的上基座的安裝孔相連接。所述的鉸座端蓋9為法蘭盤結構，中心有中空圓柱凸臺，鉸座端蓋9的法蘭盤表面具有三個通孔A，用于安裝預緊螺釘8。通過預緊兩側的虎克鉸預緊螺栓，可使鉸座端蓋9向內施壓，將一對角接觸軸承10的外框壓緊，消除軸承間隙，實現虎克鉸十字軸11的兩個轉動自由度的無間隙傳動。所述的鉸座環A7和鉸座環B24的兩側分別具有軸承安裝孔，兩個軸承安裝孔的軸向外壁通過鉸座連接臂平行連接，且每個軸承安裝孔上分別具有三個通孔B，用于實現與鉸座端蓋9的連接。所述三自由度虎克鉸4為提供三個轉動自由度的鉸鏈。同樣通過采用下轉臺角接觸軸承17預緊的方法消除軸承間隙，達到承載力大、精度高的效果。三自由度虎克鉸4是在兩自由度虎克鉸3的基礎上設計的，三自由度虎克鉸4通過在兩自由度虎克鉸3的鉸座環B24的下表面連接有轉臺構成，如圖14、圖15和圖16所示。下轉臺與兩自由度虎克鉸3部分通過連接叉12聯接在一起，共形成三個獨立的轉動自由度。
所述的下轉臺由基座盤15、基座蓋13、下轉臺預緊螺釘14、壓緊螺母16、連接叉 12、下轉臺角接觸軸承17和軸承墊片18組成，如圖9所示。所述基座盤15中心具有通孔 C，通孔C下方具有凸臺A，所述的下轉臺角接觸軸承17為兩個，外徑與基座盤15的通孔C 直徑相等，兩個下轉臺角接觸軸承17順次同軸裝配于基座盤15的通孔C內，中間加裝有軸承墊片18，兩個下轉臺角接觸軸承17通過基座盤15的凸臺A卡裝在基座盤15的通孔C 中。所述的基座蓋13為中心具有通孔D，下表面具有凸臺B的法蘭結構，凸臺外徑等于基座盤15的通孔C的直徑，基座蓋13四周具有螺釘沉孔(優選為四個)，使用下轉臺預緊螺釘14將基座蓋13安裝在基座盤15的上表面上，使基座蓋13的凸臺B將位于通孔C中的下轉臺角接觸軸承17的外框并壓緊在凸臺A上，實現了間隙的消除。所述的連接叉12的叉端依次穿過基座蓋13的通孔D、基座盤15的通孔C和下轉臺角接觸軸承17的內框，并用壓緊螺母16將連接叉12叉端的邊緣固定在最靠近凸臺A的下轉臺角接觸軸承17內框上， 從而實現了一個獨立的轉動自由度。連接叉12的上部通過與兩自由度虎克鉸3的鉸座環連接臂安裝，組成三自由度虎克鉸4，以此實現兩個獨立轉動自由度，進而實現三個獨立轉動自由度的無間隙傳動。所述的三自由度虎克鉸4的基座盤15的凸臺A的端面與下平臺 2的下基座進行連接。所述液壓主動作動桿5是一種基于液壓設備的大承載力的振動主動隔離桿，可對中低頻振動進行主動隔離，如圖8所示。所述的液壓主動作動桿5液壓主動作動桿5包括內缸19、外缸21和液壓伺服閥 23如圖18，其中內缸19和外缸21構成液壓缸。所述的加速度傳感器A20通過螺釘安裝于外缸21的頂部，加速度傳感器B25安裝在內缸19頂部零件上，所述的位置傳感器22安裝于外缸一側，軸向與外缸21軸向平行。液壓主動作動桿5在運行時，內缸19在上，外缸21 在下，內缸19相對外缸21上下運動，抵消由外缸21傳來的振動，使內缸19頂部及與其通過兩自由度虎克鉸3相連的上平臺1保持穩定。由于使用了液壓驅動裝置，且使用了消除間隙的兩自由度虎克鉸3和三自由度虎克鉸4，因此該平臺具有承載力大、精度高、可靠性高等優點。兩自由度虎克鉸3和三自由度虎克鉸4均采用了預緊消隙技術，保證平臺運動時精度不會受到鉸鏈間隙的影響。通過六根液壓主動作動桿5的伸縮運動，上平臺1可實現三自由度平動和三自由度轉動運動，當這六個自由度上的運動與下平臺2傳來的運動方向相反時，即可實現全方位的振動隔離效果，使上平臺1擁有穩定的工作環境，大大提高安裝在上平臺1上的光學設備及激光設備的精度。所述的液壓振動主動隔離平臺，具有六自由度運動能力，可以進行全方位的振動隔離和抑制。其液壓主動作動桿5響應速度快，定位精度高，承載能力強，因此可使液壓振動主動隔離平臺在大負載情況下對高頻、大振幅振動進行有效隔離和抑制。所述的液壓主動作動桿5內缸19和液壓主動作動桿5外缸21直徑優選為10 15mm和25 30mm，液壓主動作動桿5總行程50 60mm，內部采用間隙密封，空載固有頻率大于IOOHz。所述的液壓伺服閥23額定流量20L/min，額定電流40mA，額定加油壓力6MPa。 位置傳感器22與液壓缸配套。加速度傳感器A20和加速度傳感器B25優選為朗斯(Lance) 公司的LC108型(內裝IC)傳感器，其靈敏度為500mV/g，量程為10g，諧振頻率16Hz，分辨率為 0. 00004g。所述的上平臺1優選使用硬鋁合金加工，下平臺2優選使用45號鋼加工。該液壓振動隔離平臺總質量約為50kg，下平臺2的外接圓半徑不大于410mm，承載能力大于200Kg。
本發明提出的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置是通過控制方法實現的，該控制方法具體包括以下幾個步驟步驟一液壓振動主動隔離平臺的下平臺2在k時刻受到擾動時，加速度傳感器 A20和加速度傳感器B25采集誤差加速度信號el (k) e6 (k)和參考加速度信號Xl (k) X6 (k)，并通過屏蔽線纜傳輸到信號調理器A中，經信號調理器A傳輸到A/D數據處理卡A 中，再經A/D數據處理卡A傳輸到控制計算機中；控制計算機的控制模塊的自適應逆控制器根據接收的信號進行實時處理，其中誤差加速度信號e(k)直接進入自適應濾波器A，參考加速度信號X(k)經過液壓主動作動桿傳遞函數P (ζ)濾波后，同時進入自適應濾波器A和自適應濾波器B，自適應濾波器A利用誤差加速度信號e(k)和參考加速度信號X (k)調節權值W，自適應濾波器B與自適應濾波器A通過權值W建立聯系，兩者的權值W —致。自適應濾波器B根據權值W和參考加速度信號X (k)，輸出能使誤差加速度信號e (k)趨向最小的k 時刻期望桿長信號Cl (k) C6 (k)。步驟二 在k時刻，位置傳感器22采集實際桿長信號Ll (k) L6 (k)，經將該信號經屏蔽線纜傳輸到信號調理器B中，經信號調理器B轉換為-IOV +IOV的模擬電壓信號后，經A/D數據處理卡B向控制計算機的控制模塊中的數字PID控制器傳輸。步驟三自適應逆控制器將期望桿長信號Cl (k) C6(k)向數字PID控制器中輸入，數字PID控制器將接收的k時刻的實際桿長信號Ll (k) L6(k)與期望桿長信號 Cl(k) C6(k)做差(后者減去前者)，利用得到差值的比例放大值(P)、積分值(I)和微分值(D)的和作為6個液壓主動作動桿5的液壓伺服閥控制信號Ul (k) U6 (k)。步驟四液壓伺服閥控制信號Ul (k) 從控制計算機輸出后，經功率放大器的功率放大，輸出到液壓伺服閥23上，使液壓主動作動桿5產生期望作動量，以抵消下平臺 2的擾動，實現上平臺1的穩定。上述的控制方法通過控制計算機的控制模塊中進行運行，具有實時數據處理的功能。通過六個控制模塊獨立控制六根液壓主動作動桿5的運動。所述的控制計算機優選為Intel-X86構架的工業控制計算機，具有的部件優選為，CPU為Intel Q9400，四核心，2. 66GHz的核心頻率及6MB的二級緩存，為控制模塊的實時運行提供保障；內存為大小為4GB，為控制模塊提供充足的運行空間。所述的加速度傳感器A和加速度傳感器B優選為Lance-LCOlOS型內裝IC的加速度傳感器。所述的位置傳感器優選為GA-30型LVDT (Linear Variable Differential Transformers,線性可變差動變壓器)。所述的A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B優選為PCI-911IHR型16通道16位分辨率數據采集卡，所述的D/A數據處理卡優選為PCI-6208V型8通道16位電壓輸出卡。
權利要求
1.一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于包括控制計算機、A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B、功率放大器、加速度傳感器A、加速度傳感器B和位移傳感器；所述的控制計算機、A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B均為1個，加速度傳感器A、加速度傳感器B和位移傳感器分別選用6個，液壓振動主動隔離平臺的每個液壓主動作動桿上分別安裝有1個加速度傳感器A、1個加速度傳感器B和1個位移傳感器，其中加速度傳感器 A安裝在液壓主動作動桿內缸頂部，加速度傳感器B安裝在液壓主動作動桿的外缸的頂部， 所述的位移傳感器沿液壓主動作動桿的桿向伸縮運動方向，平行地安裝在液壓缸中外缸的側面，軸向與外缸平行；每一個加速度傳感器A和加速度傳感器B的輸出端通過屏蔽線纜與信號調理器A的輸入端連接，每個位移傳感器的輸出端通過屏蔽線纜信號調理器B的輸入端連接，信號調理器A和信號調理器B的輸出端分別由屏蔽線纜連接到A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡 B的輸入端，A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B安裝到控制計算機的PCI插槽上，D/A 數據處理卡安裝在控制計算機的PCI插槽上，D/A數據處理卡的輸出端通過屏蔽線纜與功率放大器的輸入端連接，功率放大器的輸出端通過屏蔽線纜連接到液壓振動主動隔離平臺的液壓主動作動桿的液壓伺服閥上。
2.根據權利要求1所述的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于所述的控制計算機中設置有控制模塊，該控制模塊由六個控制模塊構成，每個控制模塊均由自適應逆控制器和數字PID控制器組成；每個控制模塊分別用于接收相應液壓主動作動桿的經加速度傳感器A采集的誤差加速度信號e 1 (k) e6 (k)、加速度傳感器B采集的參考加速度信號Xl (k) X6 (k)和位移傳感器采集的實際桿長信號Ll (k) L6 (k)，經每個對應控制模塊的控制后生成各自液壓主動作動桿的響應運動控制信號。
3.根據權利要求2所述的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于所述的控制模塊為全數字控制，控制模塊由Matlab軟件的Simulink環境按照自適應逆方法和 PID方法進行編寫，搭建仿真程序，用Simulink環境提供的數值仿真工具進行仿真，并且直接由Simulink生成實時控制程序，載入到實時內核中，構成控制模塊。
4.根據權利要求1所述的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于所述的控制計算機為Intel-X86構架的工業控制計算機。
5.根據權利要求1所述的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于所述的加速度傳感器A和加速度傳感器B為Lance-LCOlOS型內裝IC的加速度傳感器。
6.根據權利要求1所述的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于所述的位置傳感器為GA-30型LVDT線性可變差動變壓器。
7.根據權利要求1所述的一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置，其特征在于所述的A/D數據處理卡A和A/D數據處理卡B為PCI-9111HR型16通道16位分辨率數據采集卡，所述的D/A數據處理卡為PCI-6208V型8通道16位電壓輸出卡。
8.一種液壓振動主動隔離平臺的控制方法，其特征在于，具體包括以下幾個步驟步驟一液壓振動主動隔離平臺的下平臺在k時刻受到擾動時，加速度傳感器A和加速度傳感器B采集誤差加速度信號和參考加速度信號，并通過屏蔽線纜傳輸到信號調理器A 中，進行濾波和信號放大，轉換為模擬電壓信號后，經信號調理器A傳輸到A/D數據處理卡A中，再經A/D數據處理卡A傳輸到控制計算機中；控制計算機的控制模塊的自適應逆控制器根據接收的信號進行實時處理，得到k時刻期望桿長信號；步驟二 在k時刻，位置傳感器采集實際桿長信號Ll (k) L6 (k)，經將該信號經屏蔽線纜傳輸到信號調理器B中，經信號調理器B轉換為模擬電壓信號后，經A/D數據處理卡B 向控制計算機的控制模塊中的數字PID控制器傳輸；步驟三自適應逆控制器將期望桿長信號Cl (k) C6(k)向數字PID控制器中輸入， 數字PID控制器將接收的k時刻的實際桿長信號Ll (k) L6 (k)與期望桿長信號Cl (k) C6(k)做差，利用得到差值的比例放大值(P)、積分值(I)和微分值(D)的和作為6個液壓主動作動桿的液壓伺服閥控制信號Ul (k) ；步驟四液壓伺服閥控制信號Ul (k) 從控制計算機輸出后，經功率放大器的功率放大，輸出到液壓伺服閥上，使液壓主動作動桿產生期望作動量，以抵消下平臺的擾動， 實現上平臺的穩定。
全文摘要
本發明提供一種液壓振動主動隔離平臺的控制裝置及其控制方法，該控制裝置包括控制計算機、A/D數據處理卡A、A/D數據處理卡B、D/A數據處理卡、信號調理器A、信號調理器B、功率放大器、加速度傳感器A、加速度傳感器B和位移傳感器。液壓振動主動隔離平臺的每個液壓主動作動桿上分別安裝有1個加速度傳感器A、1個加速度傳感器B和1個位移傳感器，其中加速度傳感器A安裝在液壓主動作動桿內缸頂部，加速度傳感器B安裝在液壓主動作動桿的外缸的頂部。該控制裝置具有較強的可擴展性，通過改寫控制模塊，增加數據采集卡的類型和數量，可以很方便的實現多個類似隔振平臺的同時控制，能夠實現平臺在大振幅、低頻、重載環境下的隔振功能。
文檔編號G05B17/02GK102163042SQ201110024688
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者崔龍, 張澤, 王海強, 黃海 申請人:北京航空航天大學