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面向精密仪器设备的主动隔振关键技术研究

作　者: 李国平
导　师: 陈子辰；魏燕定
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 主动隔振超磁致伸缩驱动器功率流精密仪器振动传递率人工免疫系统二级隔振系统
分类号: TB535.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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引　用: 4次
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内容摘要

本学位论文结合浙江省自然科学基金项目“精密设备系统主动隔振基础理论研究”(No.599085)进行精密仪器设备隔振平台振动主动控制理论与实验研究。针对项目的研究任务和国内外研究现状,采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法,完成了精密仪器设备主动隔振系统的动力学分析,研制了用于该隔振系统的超磁致伸缩驱动器,对该隔振系统中的功率流传递特性进行了研究分析,然后采用免疫控制方法完成了精密仪器主动隔振系统的隔振器设计,搭建了主动隔振系统的模拟实验台,并进行了相关实验研究。第一章,阐述了本学位论文的研究背景与意义,分析了国内外主动隔振技术在隔振方案设计、驱动器与传感器、功率流传递特性和控制策略等方面的研究现状,提出了本论文的主要研究内容。第二章,以电镜类光学仪器为研究对象,建立了平台隔振形式的多自由度隔振系统的动力学模型。在研究典型一级主动、被动隔振系统的振动位移传递率的基础上,针对常用的二级主动隔振模型,考虑以不同参数作为反馈控制变量时,分析隔振系统在单坐标方向上的振动加速度传递率。第三章,在分析超磁致伸缩材料工作特性的基础上,研制了用于精密仪器主动隔振系统的超磁致伸缩驱动器,对超磁致伸缩驱动器的力和位移输出的静态特性和动态特性进行实验测试与分析,并建立了基于磁机耦合原理的驱动器磁滞非线性模型。第四章,建立了精密仪器主被动隔振平台系统的功率流传递模型,对于采用超磁致伸缩驱动器的隔振平台-基础主动隔振系统,采用四端参数法推导出隔振系统的功率流传递函数,对该函数进行数值仿真计算,详细分析了各控制器反馈参量对系统功率流传递特性的影响。第五章,根据人工免疫系统的思想设计出免疫反馈控制器,并将该控制器用于精密仪器的主动隔振系统中。针对精密仪器隔振平台的控制模型,在MATLAB环境中进行了对所设计的主动隔振系统的控制系统的抗干扰能力和时域性能等方面进行了研究。第六章,研制了以工业PC机为核心的精密仪器模拟隔振平台实验系统,完成了相应的软硬件系统开发,并对隔振实验台分别进行被动隔振、主被动复合隔振的实验研究。第七章,对论文的主要研究工作和创新点作了总结,并对未来的研究工作进行了展望。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
致谢  9-14
1 绪论  14-31
  1.1 论文研究的背景及意义  14-16
  1.2 振动主动控制与主动隔振  16-18
    1.2.1 振动主动控制技术  16-18
    1.2.2 主动隔振技术  18
  1.3 国内外主动隔振技术的研究现状  18-28
    1.3.1 精密设备微幅隔振技术的研究  19-21
    1.3.2 主动隔振技术中驱动器与传感器的研究  21-23
    1.3.3 主动隔振技术中功率流传递特性的研究  23-26
    1.3.4 主动隔振技术中控制策略的研究  26-28
  1.4 论文的主要研究内容  28-31
2 精密仪器主动隔振系统的动力学分析  31-47
  2.1 精密仪器的允许振动值与振动环境分析  31-34
    2.1.1 精密仪器的允许振动值  31-32
    2.1.2 电镜类光学仪器的工作原理及其振动激励环境的分析  32-34
  2.2 精密仪器隔振系统的动力学方程  34-38
  2.3 一级隔振系统主被动隔振传递率分析  38-41
    2.3.1 被动隔振系统  38-40
    2.3.2 主动隔振系统  40-41
  2.4 二级主动隔振系统的振动传递率分析  41-46
    2.4.1 主动隔振驱动器不同安装方式的动力学分析  42-43
    2.4.2 不同参数作为控制变量时的振动传递率分析  43
    2.4.3 加速度反馈时的振动传递率分析  43-46
  2.5 本章小结  46-47
3 超磁致伸缩驱动器的输出特性与磁滞模型研究  47-65
  3.1 磁致伸缩机理与超磁致伸缩材料的特性  47-49
  3.2 超磁致伸缩驱动器的结构与磁路设计  49-52
    3.2.1 超磁致伸缩驱动器的结构  49-50
    3.2.2 相关磁路参数设计  50-52
  3.3 超磁致伸缩驱动器热变形的抑制与补偿方法  52-55
    3.3.1 恒温水冷却法  52-53
    3.3.2 热变形抵消法  53
    3.3.3 柔性铰链机构补偿法  53-54
    3.3.4 软件补偿法  54-55
  3.4 超磁致伸缩驱动器的静态特性测试  55-57
    3.4.1 电流-输出位移特性  55-56
    3.4.2 电流-输出力特性  56-57
  3.5 超磁致伸缩驱动器的动态特性测试  57-59
    3.5.1 动态位移输出特性  57-58
    3.5.2 动态驱动力输出特性  58-59
    3.5.3 滞后响应特性  59
  3.6 超磁致伸缩驱动器磁机祸合模型的建立  59-64
    3.6.1 磁致伸缩模型  60
    3.6.2 磁化模型  60-62
    3.6.3 磁机耦合模型  62-63
    3.6.4 模型中各参数的确定  63-64
  3.7 本章小结  64-65
4 精密仪器隔振系统中功率流的传递特性研究  65-82
  4.1 隔振系统的功率流传递方程  65-66
  4.2 隔振平台系统中功率流的传递模型  66-68
  4.3 精密仪器隔振平台系统的导纳分析  68-75
    4.3.1 隔振平台A导纳分析  68-69
    4.3.2 中间质量C导纳分析  69-70
    4.3.3 隔振元件B导纳分析  70-74
    4.3.4 隔振元件D导纳分析  74-75
  4.4 功率流传递特性的仿真计算及分析  75-81
    4.4.1 隔振平台系统中功率流传递方程  75
    4.4.2 计算模型及参数选择  75-77
    4.4.3 相关计算结果  77-81
  4.5 本章小结  81-82
5 精密仪器隔振系统的免疫控制研究  82-99
  5.1 人工免疫系统的控制机理  83-85
    5.1.1 生物免疫系统调节原理  83-84
    5.1.2 人工免疫系统的反馈控制模型  84-85
  5.2 精密仪器隔振平台控制系统的状态方程  85-87
  5.3 免疫PID控制器的设计  87-89
  5.4 隔振系统的免疫PID控制仿真研究  89-98
    5.4.1 免疫控制器的S函数实现  89-91
    5.4.2 隔振系统的Matlab仿真  91-98
  5.5 本章小结  98-99
6 精密仪器模拟隔振平台的实验研究与分析  99-112
  6.1 模拟隔振平台主动控制实验系统  99-103
    6.1.1 模拟隔振实验台的结构设计  99-101
    6.1.2 实验系统测控硬件设计  101-102
    6.1.3 实验系统测控软件设计  102-103
  6.2 模拟隔振平台振动控制实验研究  103-111
    6.2.1 冲击激励隔振实验  103-104
    6.2.2 正弦激励振动隔振实验  104-111
  6.3 本章小结  111-112
7 结论与展望  112-115
  7.1 主要工作与结论  112-114
  7.2 研究展望  114-115
参考文献  115-121
攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况  121
  1、发表的学术论文  121
  2、参加的科研项目  121

面向精密仪器设备的主动隔振关键技术研究

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