本文關(guān)鍵詞：基于主動(dòng)負(fù)剛度原理的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振技術(shù)

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【摘要】：大型空氣彈簧隔微振平臺(tái)是大型超精密儀器及裝備領(lǐng)域必不可少的核心裝備,為了更好的隔離環(huán)境中的微振動(dòng)干擾,需要隔振平臺(tái)能夠同時(shí)兼顧低固有頻率與大阻尼比。目前最常見的解決方法是降低系統(tǒng)剛度并附加阻尼裝置。由于地面脈動(dòng)干擾的振動(dòng)頻率通常與空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率接近,且常用的被動(dòng)阻尼裝置在地面脈動(dòng)的微振動(dòng)干擾下產(chǎn)生的阻尼力十分有限,使得被動(dòng)隔振方法并不適用于隔離地面脈動(dòng)干擾。因此如何在大承載、微振動(dòng)干擾條件下進(jìn)一步降低系統(tǒng)固有頻率、提高系統(tǒng)阻尼比,成為大型精密儀器系統(tǒng)隔微振領(lǐng)域的前沿性課題。本論文針對(duì)以上問題,提出了一種基于洛倫茲力致動(dòng)器主動(dòng)負(fù)剛度的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法,并將基于該控制方法的主動(dòng)負(fù)剛度隔振裝置與空氣彈簧并聯(lián)來進(jìn)一步降低系統(tǒng)固有頻率。另外,提出了一種基于洛倫茲力致動(dòng)器主動(dòng)阻尼的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法,進(jìn)一步改善系統(tǒng)的阻尼特性。論文在上述方面進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究,主要內(nèi)容和結(jié)果如下:1.為解決大型空氣彈簧隔振平臺(tái)在被動(dòng)控制下難以進(jìn)一步降低固有頻率的問題,提出了一種基于洛倫茲力致動(dòng)器主動(dòng)負(fù)剛度的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法。首先通過分析負(fù)剛度彈性元件的力與位移特性,基于洛倫茲力原理,提出了能夠使洛倫茲力致動(dòng)器產(chǎn)生等效負(fù)剛度的主動(dòng)控制方法;然后分析了彈性系統(tǒng)中剛度與穩(wěn)定性的關(guān)系,明確了各獨(dú)立自由度中總剛度必須大于零;最后建立了基于主動(dòng)負(fù)剛度控制的洛倫茲力致動(dòng)器與空氣彈簧并聯(lián)的正、負(fù)剛度并聯(lián)隔振系統(tǒng)模型,通過對(duì)該模型的振動(dòng)傳遞率進(jìn)行建模仿真,表明該方法能夠有效降低系統(tǒng)的固有頻率,擴(kuò)大振動(dòng)衰減頻帶。2.為解決被動(dòng)阻尼裝置在微振動(dòng)干擾下無法產(chǎn)生足夠阻尼力的問題,提出了一種基于洛倫茲力致動(dòng)器主動(dòng)阻尼的大型精密儀器系統(tǒng)隔微振控制方法。首先通過控制洛倫茲力致動(dòng)器的輸出力與負(fù)載速度成反比,使洛倫茲力致動(dòng)器能夠等效為主動(dòng)阻尼裝置;然后在分析了空氣彈簧隔振系統(tǒng)的被動(dòng)阻尼特性的基礎(chǔ)上,建立了基于主動(dòng)阻尼控制方法的主、被動(dòng)阻尼隔振系統(tǒng)模型,并對(duì)該模型的振動(dòng)傳遞率和阻尼比進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了該方法能有效提高隔振系統(tǒng)的阻尼比;最后基于線性二次型最優(yōu)控制方法對(duì)洛倫茲力致動(dòng)器的主動(dòng)控制輸出力進(jìn)行了優(yōu)化。3.主動(dòng)負(fù)剛度控制方法和主動(dòng)阻尼控制方法是建立在單自由度隔振系統(tǒng)上的主動(dòng)控制方法,無法直接應(yīng)用在含有振動(dòng)耦合的多自由度隔振系統(tǒng)上,針對(duì)這一問題,首先建立了隔振平臺(tái)的六自由度振動(dòng)模型并進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)該模型的耦合固有頻率和耦合度等進(jìn)行了推導(dǎo)和仿真,然后建立了基于洛倫茲力致動(dòng)器的主動(dòng)解耦控制模型并進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明主動(dòng)解耦控制方法能夠有效降低耦合自由度間的耦合度,從而為主動(dòng)負(fù)剛度控制方法和主動(dòng)阻尼控制方法在大型氣浮隔振平臺(tái)各自由度上的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。4.對(duì)本文提出的主動(dòng)控制方法和仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在大型氣浮隔振平臺(tái)上,分別在主動(dòng)負(fù)剛度控制方法和主動(dòng)阻尼控制方法下對(duì)隔振平臺(tái)進(jìn)行了沖擊響應(yīng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隔振平臺(tái)短軸向、長(zhǎng)軸向和垂向的固有頻率分別從被動(dòng)控制時(shí)的0.53Hz、0.50Hz和0.66Hz,降為主動(dòng)負(fù)剛度控制時(shí)的0.47Hz、0.47Hz和0.59Hz,表明主動(dòng)負(fù)剛度控制方法能夠有效降低系統(tǒng)固有頻率;隔振平臺(tái)短軸向、長(zhǎng)軸向和垂向的阻尼比從被動(dòng)控制時(shí)的13.76%、14.32%和14.10%,分別提高到主動(dòng)阻尼控制時(shí)的14.38%、15.74%和15.50%,表明主動(dòng)阻尼控制方法能夠有效提高系統(tǒng)阻尼比。最后在主動(dòng)負(fù)剛度控制方法和主動(dòng)阻尼控制方法的聯(lián)合控制下,對(duì)隔振平臺(tái)進(jìn)行了環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隔振平臺(tái)短軸向、長(zhǎng)軸向和垂向的時(shí)域速度有效值分別從被動(dòng)控制時(shí)的4.07μm/s、4.28μm/s和3.69μm/s降為主動(dòng)控制后的2.84μm/s、2.39μm/s和1.85μm/s,驗(yàn)證了主動(dòng)負(fù)剛度控制方法和主動(dòng)阻尼控制方法對(duì)最終降低大型氣浮隔振平臺(tái)振動(dòng)速度的有效性。
【關(guān)鍵詞】：隔微振 固有頻率 阻尼比 主動(dòng)負(fù)剛度 主動(dòng)阻尼
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH703.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-33
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義15-16
• 1.2 大型精密儀器系統(tǒng)隔振裝置的研究現(xiàn)狀16-20
• 1.3 負(fù)剛度隔振技術(shù)的研究現(xiàn)狀20-27
• 1.3.1 倒立擺負(fù)剛度裝置20-23
• 1.3.2 歐拉壓桿負(fù)剛度裝置23-25
• 1.3.3 基于可變阻尼器的負(fù)剛度裝置25
• 1.3.4 基于磁力的負(fù)剛度裝置25-27
• 1.4 主動(dòng)變阻尼技術(shù)研究現(xiàn)狀27-31
• 1.4.1 變孔徑流體阻尼器28-29
• 1.4.2 磁流變液阻尼器29-30
• 1.4.3 半主動(dòng)摩擦阻尼器30-31
• 1.5 本研究領(lǐng)域存在的關(guān)鍵技術(shù)問題31
• 1.6 本文的主要研究?jī)?nèi)容31-33
• 第2章 基于洛倫茲力致動(dòng)器的主動(dòng)負(fù)剛度隔振技術(shù)33-50
• 2.1 引言33
• 2.2 主動(dòng)負(fù)剛度控制方法分析33-37
• 2.3 負(fù)剛度隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析37-39
• 2.4 空氣彈簧剛度特性分析39-42
• 2.4.1 垂向剛度特性39-41
• 2.4.2 橫向剛度特性41-42
• 2.5 正負(fù)剛度并聯(lián)隔振系統(tǒng)的模型與分析42-49
• 2.5.1 絕對(duì)位移反饋主動(dòng)負(fù)剛度控制方法44-47
• 2.5.2 相對(duì)位移反饋主動(dòng)負(fù)剛度控制方法47-49
• 2.6 本章小結(jié)49-50
• 第3章 基于洛倫茲力致動(dòng)器的主動(dòng)阻尼隔振技術(shù)50-65
• 3.1 引言50
• 3.2 主動(dòng)阻尼控制方法分析50-52
• 3.3 空氣彈簧隔振系統(tǒng)的阻尼特性52-56
• 3.4 基于主動(dòng)阻尼技術(shù)的空氣彈簧隔振系統(tǒng)的模型與分析56-60
• 3.4.1 絕對(duì)速度反饋主動(dòng)阻尼控制方法57-59
• 3.4.2 相對(duì)速度反饋主動(dòng)阻尼控制方法59-60
• 3.5 主動(dòng)阻尼隔振系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制設(shè)計(jì)60-64
• 3.6 本章小結(jié)64-65
• 第4章 基于洛倫茲力致動(dòng)器的主動(dòng)解耦技術(shù)65-85
• 4.1 引言65
• 4.2 大型氣浮隔振平臺(tái)六自由度振動(dòng)模型65-69
• 4.3 彈性支承相對(duì)兩個(gè)垂直坐標(biāo)面對(duì)稱的振動(dòng)模型分析69-76
• 4.3.1 重心的Z向位置變化對(duì)耦合固有頻率的影響分析69-72
• 4.3.2 重心的Z向位置變化對(duì)耦合度的影響分析72-73
• 4.3.3 地面平動(dòng)干擾下的隔振平臺(tái)響應(yīng)分析73-76
• 4.4 基于洛倫茲力致動(dòng)器的隔振平臺(tái)主動(dòng)解耦技術(shù)76-84
• 4.4.1 主動(dòng)解耦控制對(duì)耦合固有頻率和耦合度的影響分析78-80
• 4.4.2 絕對(duì)位移和絕對(duì)速度反饋控制的系統(tǒng)傳遞率分析80-82
• 4.4.3 相對(duì)位移和相對(duì)速度反饋控制的系統(tǒng)傳遞率分析82-84
• 4.5 本章小結(jié)84-85
• 第5章 基于主動(dòng)隔微振技術(shù)的隔振平臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究85-109
• 5.1 引言85
• 5.2 大型氣浮隔振平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)85-94
• 5.2.1 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及剛度特性分析87-89
• 5.2.2 被動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)89-91
• 5.2.3 主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)91-94
• 5.3 實(shí)驗(yàn)研究94-107
• 5.3.1 隔振效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)95-96
• 5.3.2 主動(dòng)解耦技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究96-99
• 5.3.3 主動(dòng)負(fù)剛度隔振技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究99-101
• 5.3.4 主動(dòng)阻尼隔振技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究101-103
• 5.3.5 環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)103-107
• 5.4 本章小結(jié)107-109
• 結(jié)論109-112
• 參考文獻(xiàn)112-121
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果121-123
• 致謝123-124
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷124

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：553283