专利名称：一种液压振动主动隔离平台的控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种液压振动主动隔离平台的控制装置及其控制方法，属于结构/机构主动控制技术领域。
背景技术：
随着数据中继、高分辨率观测等技术的广泛应用，对高稳定精密跟踪、瞄准机构的需求日益迫切。车载或机载高性能光学设备及激光设备作为典型的跟瞄机构应具有较高的指向精度和振动控制能力，而主动隔振控制是提供振动控制能力的一种有效技术途径。主动隔振是指在受扰动的系统中引入次级振源，通过有效的控制方法调节次级振源输出，从而抵消主级振源扰动达到最终隔振目标。与被动隔振技术相比，主动隔振技术具有良好的隔振效果及易于低频振动隔离等优点。六自由度平台具有定位精度高、刚度大、结构稳定、承载能力强、运动惯量小、动态特性好等特点，同时又具有6自由度的运动能力，因此被国外科研机构和院所广泛应用于主动隔振的应用研究，比如美国海军研究生院(NPS)的PPH平台、布鲁塞尔自由大学(ULB) 的六自由度主动隔振平台等。六自由的液压隔振平台可用于车载高性能光学设备及激光设备的振动隔离。要实现平台的隔振功能，就必须要相应的控制装置和方法。控制装置要能够测量平台在隔振过程中与振动相关的信号量的变化，同时装置需要通过相应的控制方法对这些量做出反应，操控平台运动，隔离外部的振动。这些过程都要求控制装置在限定的时间类完成，要求实时响应。目前国内外隔振平台的控制系统各有差异，其中PPH平台控制系统的实现方式为 dSPACE实时仿真控制系统。dSPACE实时仿真控制系统是一套成熟的商业系统，提供实时信号采集和数据处理功能，有良好的控制性能，和便捷的操作性，但也因其为商业产品，它的底层是不开放的，用户很难拓展系统，比如增加通道数，提高通道精度等，就必须要向原厂商购买更高级的dSPACE系统。实现液压平台的隔振功能，需要的信号很多，要求控制装置有大量的信号采集通道。而相关的控制方法，所需的实时计算量也比较庞大，要求控制装置有高性能的数据处理能力，低版本的dSPACE系统无法满足要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种液压振动主动隔离平台的控制装置及其控制方法。本发明提供一种液压振动主动隔离平台的控制装置包括控制计算机、A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B、功率放大器、 加速度传感器A、加速度传感器B和位移传感器。所述的控制计算机、A/D数据处理卡A、A/ D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B均为1个，当该控制装置应用于具有六个自由度的液压振动主动隔离平台时，加速度传感器A和加速度传感器B分别选用6个，位移传感器选用6个。液压振动主动隔离平台的每个液压主动作动杆上分别安装有1个加速度传感器A、1个加速度传感器B和1个位移传感器，其中加速度传感器A安装在液压主动作动杆内缸顶部，加速度传感器B安装在液压主动作动杆的外缸的顶部。所述的位移传感器沿液压主动作动杆的杆向伸缩运动方向，平行地安装在液压缸中外缸的侧面，轴向与外缸平行。每个加速度传感器A和加速度传感器B的输出端通过屏蔽线缆与信号调理器A的输入端连接，每个位移传感器的输出端通过屏蔽线缆信号调理器B的输入端连接，信号调理器A和信号调理器B的输出端分别由屏蔽线缆连接到A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B的输入端，A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B安装到控制计算机的PCI插槽上。D/ A数据处理卡安装在控制计算机的PCI插槽上，D/A数据卡的输出端通过屏蔽线缆与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端通过屏蔽线缆连接到液压振动主动隔离平台的液压主动作动杆的液压伺服阀上。所述的安装在液压主动作动杆的内缸顶部的加速度传感器A用于采集液压振动主动隔离平台的液压主动作动杆杆向的误差加速度信号el(k) e6(k)，安装在液压主动作动杆的外缸顶部的加速度传感器B用于采集液压振动主动隔离平台六根主动作动杆杆向的参考加速度信号Xl (k) X6 (k)，平行安装与外缸侧面的轴向方向的位移传感器用于采集实际杆长信号Ll (k) L6(k)。误差加速度信号el(k) e6(k)和参考加速度Xl (k) X6 (k)通过信号调理器A，进行滤波和信号放大，转换为-IOV +IOV的模拟电压信号，经A/ D数据处理卡A转换为数字信号，实际杆长信号Ll (k) L6(k)通过信号调理器B，进行整流和信号放大，转换为-IOV +IOV的模拟电压信号，经A/D数据处理卡B转换为数字信号， 上面所有的数字信号通过PCI总线进入控制计算机，控制计算机利用控制模块生成的液压主动作动杆的液压伺服阀控制信号Ul (k) TO(k)，该液压伺服阀控制信号再经D/A数据处理卡转换为-IOV +IOV的模拟电压信号，最终通过功率放大器生成液压主动作动杆的运动控制电信号，作用到液压主动作动杆的液压伺服阀上。所述的控制计算机中设置有控制模块，该控制模块由六个控制模块构成，每个控制模块分别用于接收相应液压主动作动杆的误差加速度信号el(k) e6(k)、参考加速度信号Xl (k) X6 (k)和实际杆长信号Ll (k) L6 (k)，经每个对应控制模块的控制后生成各自液压主动作动杆的响应运动控制信号，进而实现液压主动作动杆相应的运动。每个控制模块均为全数字控制，均通过在控制计算机中的Matlab软件生成后导入到实时Linux系统中运行，该Linux系统包含实时内核和非实时内核，通过实时内核提供控制模块对D/A数据处理卡、A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B的实时控制，通过非实时内核提供对控制模块中相关控制参数在线修改及支持相关信号的显示。控制模块由Matlab软件的Simulink 环境按照自适应逆方法和PID方法进行编写，搭建仿真程序，用Simulink环境提供的数值仿真工具进行仿真，通过仿真验证后，加入A/D数据处理卡和D/A数据处理卡的实时驱动、与实时Linux系统所对应的实时Linux系统中目标模板文件、满足实时控制模块代码格式的代码生成控制主程序，再由Simulink环境中的实时工作空间工具(RTW，Real Time Workshop)根据目标模板文件和代码生成控制主程序自动将含有驱动的控制仿真程序生成为适合于实时Linux系统内核运行的代码，最后生成控制序，载入到实时内核中，构成控制模块。非实时内核主要是提供实时的控制模块中各控制器相关参数的接口及进行相关信号数据的图形化显示。
每个控制模块均为一个单杆控制子模块，对应实现一个液压主动作动杆的运动。 各控制模块按照与A/D数据采集卡A的Chl Ch6通道对应的地址ADl_Chl ADl_Ch6分别读取各液压主动作动杆对应的误差加速度信号el (k) e6(k)，各控制模块按照与A/D 数据采集卡A的Ch7 Chl2通道对应的地址ADl_Ch7 ADl_Chl2分别读取各液压主动作动杆的参考加速度信号Xl (k) X6 (k)，各控制模块按照与A/D数据采集卡B的Chl Ch6 通道对应的地址AD2_Chl AD2_Ch6分别读取各液压主动作动杆的实际杆长信号Ll (k) L6 (k)。经过控制模块实时计算得到各液压主动作动杆上液压伺服阀的控制信号，写入到D/ A数据采集卡通道Chl Ch6对应地址DA_Chl DA_Ch6，最终得到各杆液压伺服阀的驱动信号Ul(k) TO (k)，输出控制计算机。 每个控制模块均由自适应逆控制器和数字PID控制器组成，所述的自适应逆控制器包含有自适应滤波器，自适应滤波器有两个，分别为自适应滤波器A和自适应滤波器B。 所述的自适应逆控制器A和自适应滤波器B用于对杆向的误差加速度信号e (k)及参考加速度信号X(k)进行实时处理，其中误差加速度信号e(k)直接进入自适应滤波器A，参考加速度信号X(k)经过液压主动作动杆传递函数P(ζ)滤波后，同时进入自适应滤波器A和自适应滤波器B，自适应滤波器A利用误差加速度信号e(k)和参考加速度信号X (k)调节权值W，自适应滤波器B与自适应滤波器A通过权值W建立联系，两者的权值W —致。自适应滤波器B根据权值W和参考加速度信号X (k)，输出能使误差加速度信号e (k)趋向最小的期望杆长信号C (k)。C(k)再进入数字PID控制器，位移反馈的实际杆长信号L (k)也接入数字PID控制器。在数字PID控制器中C(k)与L(k)的差值经过比例放大(P)、积分(I)和微分(D)运算后，把三个运算结果求和得到的期望控制量U (k)，控制液压主动作动杆作动， 使e(k)趋向最小，实现液压主动作动杆的振动隔离，从而实现上平台的振动主动隔离。控制模块中，作动杆的传递函数P (ζ)，滤波器的系数，数字PID控制器的系数等，根据各杆的特性由实验测得。在实验时，各子控制模块提供了单独的参数在线修改功能，可以在线调节相关系数，使隔振控制效果达到最优。所述的液压振动主动隔离平台包括上平台、下平台、两自由度虎克铰、三自由度虎克铰和液压主动作动杆。所述的下平台边缘处按中心对称的设置有下基座Α、下基座B和下基座C，下基座Α、下基座B和下基座C通过螺栓连接于下平台上，下基座A上设置有定心孔a和定心孔b，下基座B上设置有定心孔c和定心孔d，下基座C上设置有定心孔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沿下平台按周向顺序分布。所述的上平台边缘处按中心对称的设置有上基座A、上基座B和上基座C，上基座A、 上基座B和上基座C通过螺栓连接于上平台上。上基座A上设置有定心孔AlOll和定心孔 B，上基座B上设置有定心孔C和定心孔D，上基座C上设置有定心孔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沿上平台按周向顺序分布。所述的三自由度虎克铰、两自由度虎克铰和液压主动作动杆分别有六个。连接关系为每个三自由度虎克铰的上铰座与液压主动作动杆的外缸均使用螺栓进行同心连接， 每个两自由度虎克铰通过铰座环B与液压主动作动杆的内缸均使用螺栓同心连接；三自由度虎克铰的基座盘与下基座A的定心孔b所在面使用螺钉连接，两自由度虎克铰的上铰座与上基座A的定心孔a所在面使用螺钉连接，其余五个三自由度虎克铰和两自由度虎克铰均通过相同的方法分别与下基座B的定心孔c和上基座A的定心孔b所在面进行连接、下基座B的定心孔d与上基座B的定心孔c所在面连接、下基座C的定心孔e与上基座B的定心孔d所在面连接、下基座C的定心孔f与上基座C的定心孔e所在面连接、下基座A的定心孔a与上基座C的定心孔f所在面连接，最终使上平台与下平台之间顺次连接有六组两自由度虎克铰、液压主动作动杆和三自由度虎克铰。所述两自由度虎克铰能提供两个转动自由度。所述三自由度虎克铰为提供三个转动自由度的铰链。同样通过采用下转台角接触轴承预紧的方法消除轴承间隙，达到承载力大、精度高的效果。所述的液压主动作动杆包括内缸、外缸和液压伺服阀。所述的加速度传感器A通过螺钉安装于外缸的顶部，加速度传感器B安装在内缸顶部部件上，所述的位置传感器安装于外缸一侧，轴向与外缸轴向平行。本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置是通过控制方法实现的，该控制方法具体包括以下几个步骤步骤一液压振动主动隔离平台的下平台在k时刻受到扰动时，加速度传感器A和加速度传感器B采集误差加速度信号el (k) e6 (k)和参考加速度信号Xl (k) X6 (k)， 并通过屏蔽线缆传输到信号调理器A中，经信号调理器A传输到A/D数据处理卡A中，再经 A/D数据处理卡A传输到控制计算机中；控制计算机的控制模块的自适应逆控制器根据接收的信号进行实时处理，得到k时刻期望杆长信号Cl (k) C6 (k)。步骤二 在k时刻，位置传感器采集实际杆长信号Ll (k) L6(k)，经将该信号经屏蔽线缆传输到信号调理器B中，经信号调理器B转换为-IOV +IOV的模拟电压信号后， 经A/D数据处理卡B向控制计算机的控制模块中的数字PID控制器传输；步骤三自适应逆控制器将期望杆长信号Cl (k) C6(k)向数字PID控制器中输入，数字PID控制器将接收的k时刻的实际杆长信号Ll (k) L6(k)与期望杆长信号 Cl(k) C6(k)做差(后者减去前者)，利用得到差值的比例放大值(P)、积分值(I)和微分值(D)的和作为6个液压主动作动杆的液压伺服阀控制信号Ul (k) U6 (k)。步骤四液压伺服阀控制信号Ul (k) 从控制计算机输出后，经功率放大器的功率放大，输出到液压伺服阀上，使液压主动作动杆产生期望作动量，以抵消下平台的扰动，实现上平台的稳定。上述的控制方法通过控制计算机的控制模块中进行运行，具有实时数据处理的功能。通过六个控制模块独立控制六根液压主动作动杆的运动。本发明的优点在于(1)本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，能够实现平台在大振幅(厘米级)、低频(5 20Hz)、重载(85kg以上)环境下的隔振功能。(2)本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，采用高性能控制计算机及数据处理板卡，配合实时控制模块，有效的提供了多通道信号实时采集，快速数据计算及处理能力。(3)本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置具有较强的可扩展性， 通过改写控制模块，增加数据采集卡的类型和数量，可以很方便的实现多个类似隔振平台的同时控制。(4)本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置的控制模块的内部参数可依据各液压的性能状态在线调整，使平台的整体隔振控制效果达到最优，这样可以节约控制器的开发时间.
图1 本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置的结构图；图2 本发明中液压振动主动隔离平台中安装加速度传感器和位移传感器的结构图；图3 本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置中数据处理卡的通道分配及其与控制计算机的连接关系境程图4:本发明提出的-图5:本发明提出的-
-种液压振动主动隔离平台的控制装置中控制模块结构图； -种液压振动主动隔离平台的控制装置中控制模块的原理
图6 本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置中控制模块的运行环
图7 本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置中控制模块的生成流
图8 本发明中液压振动主动隔离平台的俯视图9 本发明中液压振动主动隔离平台的下平台的等轴视图10 本发明中液压振动主动隔离平台的上平台的底视图11 本发明中液压振动主动隔离平台的两自由度虎克铰的爆炸图12 本发明中液压振动主动隔离平台的两自由度虎克铰的主视图13 本发明中液压振动主动隔离平台的两自由度虎克铰的主视图A-A剖视图14 本发明中液压振动主动隔离平台的三自由度虎克铰的等轴视图15 本发明中液压振动主动隔离平台的三自由度虎克铰的主视图16 本发明中液压振动主动隔离平台的三自由度虎克铰的主视图A-A剖视图17 本发明中液压振动主动隔离平台中虎克铰十字轴的等轴视图18 本发明中液压主动作动杆上安装加速度传感器和位移传感器的结构图。
图中
1-上平台 5-液压主动作动杆 9-铰座端盖 13-基座盖 17-下转台角接触轴承 21-外缸
25-加速度传感器β 1011-定心孔A 1031-定心孔E 203-下基座C 2022-定心孔d
2_下平台 6-上铰座 10-角接触轴承 14-下转台预紧螺钉 18-轴承垫片 22-位移传感器 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_两自由度虎克铰4-三自由度虎克铰 7-铰座环A8-预紧螺钉
11-虎克铰十字轴12-连接叉 15-基座盘16-压紧螺母
19-内缸
23-液压伺服阀 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-加速度传感器A 24-铰座环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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具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提供一种液压振动主动隔离平台的控制装置包括控制计算机、A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B、功率放大器、加速度传感器A、加速度传感器B和位移传感器22，如图1所示。所述的控制计算机、A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B均为1个，当该控制装置应用于具有六个自由度的液压振动主动隔离平台时，加速度传感器A20和加速度传感器B25分别选用6个，位移传感器22选用6个。如图2所示，液压振动主动隔离平台的每个液压主动作动杆上分别安装有1个加速度传感器A20、l个加速度传感器B25和1个位移传感器22，其中加速度传感器A20安装在液压主动作动杆5内缸19顶部，加速度传感器B25安装在液压主动作动杆5的外缸21的顶部。所述的位移传感器22沿液压主动作动杆5的杆向伸缩运动方向，平行地安装在液压缸中外缸21的侧面，轴向与外缸21平行。每个加速度传感器A20和加速度传感器B25的输出端通过屏蔽线缆与信号调理器 A的输入端连接，每个位移传感器22的输出端通过屏蔽线缆信号调理器B的输入端连接，信号调理器A和信号调理器B的输出端分别由屏蔽线缆连接到A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B的输入端，A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B安装到控制计算机的PCI插槽上。D/A数据处理卡安装在控制计算机的PCI插槽上，D/A数据处理卡的输出端通过屏蔽线缆与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端通过屏蔽线缆连接到液压振动主动隔离平台的液压主动作动杆5的液压伺服阀上。所述的安装在液压主动作动杆5的内缸19顶部的加速度传感器A20用于采集液压振动主动隔离平台的液压主动作动杆5杆向的误差加速度信号el (k) e6(k)，安装在液压主动作动杆5的外缸21顶部的加速度传感器B25用于采集液压振动主动隔离平台六根液压主动作动杆5杆向的参考加速度信号Xl (k) X6 (k)，平行安装于外缸21侧面的轴向方向的位移传感器22用于采集实际杆长信号Ll (k) L6(k)。误差加速度信号 el(k) e6(k)和参考加速度Xl (k) X6 (k)通过信号调理器A，进行滤波和信号放大，转换为-IOV +IOV的模拟电压信号，经A/D数据处理卡A转换为数字信号，实际杆长信号 Ll (k) L6(k)通过信号调理器B，进行整流和信号放大，转换为-IOV +IOV的模拟电压信号，经A/D数据处理卡B转换为数字信号，上面所有的数字信号通过PCI总线进入控制计算机，控制计算机利用控制模块生成的液压主动作动杆的液压伺服阀控制信号Ul (k) U6 (k)，该液压伺服阀控制信号再经D/A数据处理卡转换为-IOV +IOV的模拟电压信号， 最终通过功率放大器生成液压主动作动杆5的运动控制电信号，作用到液压主动作动杆5 的液压伺服阀23上。所述的控制计算机中设置有控制模块，该控制模块由六个控制模块构成，每个控制模块分别用于接收相应液压主动作动杆5的误差加速度信号el (k) e6 (k)、参考加速度信号Xl (k) X6 (k)和实际杆长信号Ll (k) L6 (k)，经每个对应控制模块的控制后生成各自液压主动作动杆5的响应运动控制信号，进而实现液压主动作动杆5相应的运动。每个控制模块均为全数字控制，均通过在控制计算机中的Matlab软件生成后导入到实时Linux 系统中运行，如图6和图7所示，该Linux系统包含实时内核和非实时内核，通过实时内核提供控制模块对D/A数据处理卡、A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B的实时控制，通过非实时内核提供对控制模块中相关控制参数在线修改及支持相关信号的显示。控制模块由Matlab软件的Simulink环境按照自适应逆方法和PID方法进行编写，搭建仿真程序， 用Simulink环境提供的数值仿真工具进行仿真，通过仿真验证后，加入A/D数据处理卡A、 A/D数据处理卡B和D/A数据处理卡三者的实时驱动模块、与实时Linux系统所对应的实时Linux系统中目标模板文件、满足实时控制模块代码格式的代码生成控制主程序，再由 Simulink环境中的实时工作空间工具(RTW，Real Time Workshop)根据目标模板文件和代码生成控制主程序自动将控制仿真程序生成为适合于实时Linux系统内核运行的代码，最后生成控制序，载入到实时内核中，构成控制模块。所述的控制仿真程序用于验证控制方法同时作为控制模块代码的来源。实时驱动模块用于驱动A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡 B和D/A数据处理卡。非实时内核主要是提供实时的控制模块中各控制器相关参数的接口及进行相关信号数据的图形化显示。每个控制模块均为一个单杆控制子模块，对应实现一个液压主动作动杆的运动。 各控制模块按照与A/D数据采集卡A的Chl Ch6通道对应的地址ADl_Chl ADl_Ch6分别读取各液压主动作动杆对应的误差加速度信号el (k) e6 (k)，如图3和图4所示，各控制模块按照与A/D数据采集卡A的Ch7 Ch 12通道对应的地址ADl_Ch7 ADl_Chl2分别读取各液压主动作动杆的参考加速度信号Xl (k) X6 (k)，各控制模块按照与A/D数据采集卡B的Chl Ch6通道对应的地址AD2_Chl AD2_Ch6分别读取各液压主动作动杆5的实际杆长信号Ll (k) L6(k)。经过控制模块实时计算得到各液压主动作动杆5上液压伺服阀的控制信号，写入到D/A数据采集卡通道Chl Ch6对应地址DA_Chl DA_Ch6，最终得到各杆液压伺服阀23的驱动信号Ul (k) TO (k)，输出控制计算机。每个控制模块均由自适应逆控制器和数字PID控制器组成，如图5所示，所述的自适应逆控制器包含有自适应滤波器，自适应滤波器有两个，分别为自适应滤波器A和自适应滤波器B。所述的自适应逆控制器A和自适应滤波器B用于对杆向的误差加速度信号 e(k)及参考加速度信号X(k)进行实时处理，其中误差加速度信号e(k)直接进入自适应滤波器A，参考加速度信号X (k)经过液压主动作动杆传递函数P (ζ)滤波后，同时进入自适应滤波器A和自适应滤波器B，自适应滤波器A利用误差加速度信号e (k)和参考加速度信号 X(k)调节权值W，自适应滤波器B与自适应滤波器A通过权值W建立联系，两者的权值W — 致。自适应滤波器B根据权值W和参考加速度信号X (k)，输出能使误差加速度信号e(k)趋向最小的期望杆长信号C(k)。C(k)再进入数字PID控制器，位移反馈的实际杆长信号L(k) 也接入数字PID控制器。在数字PID控制器中C (k)与L (k)的差值经过比例放大(P)、积分 (I)和微分(D)运算后，把三个运算结果求和得到的期望控制量U(k)，控制液压主动作动杆作动，使e(k)趋向最小，实现液压主动作动杆的振动隔离，从而实现上平台的振动主动隔离。控制模块中，作动杆的传递函数P (ζ)、自适应滤波器的系数和数字PID控制器的系数等根据各液压主动作动杆5的特性由实验测得。在实验时，各子控制模块提供了单独的参数在线修改功能，可以在线调节相关参数，使隔振控制效果达到最优。所述的液压振动主动隔离平台，如图2和图8所示，包括上平台1、下平台2、两自由度虎克铰3、三自由度虎克铰4和液压主动作动杆5。所述的下平台2优选为平面人字型结构以减轻重量，下平台2的边缘处按中心对称的设置有下基座A201、下基座B202和下基座C203，如图9所示，下基座A201、下基座B202和下基座C203通过螺栓连接于下平台2上，下基座A201上设置有定心孔a2011和定心孔b2012，下基座B202上设置有定心孔c2021和定心孔d2022，下基座C203上设置有定心孔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沿下平台2按周向顺序分布。所述的上平台1优选为圆盘状结构，如图10所示，上平台1的边缘处按中心对称的设置有上基座A101、上基座B102和上基座C103，上基座A101、上基座B102和上基座C103 通过螺栓连接于上平台1上。上基座AlOl上设置有定心孔AlOll和定心孔B1012，上基座 B102上设置有定心孔C1021和定心孔D1022，上基座C103上设置有定心孔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沿上平台1按周向顺序分布。所述的三自由度虎克铰4、两自由度虎克铰3和液压主动作动杆5分别有六个。连接关系为每个三自由度虎克铰4的上铰座6与液压主动作动杆5的外缸21均使用螺栓进行同心连接，每个两自由度虎克铰3通过铰座环B24与液压主动作动杆5的内缸19均使用螺栓同心连接；三自由度虎克铰4的基座盘15与下基座A201的定心孔b2012所在面使用螺钉连接，两自由度虎克铰的上铰座6与上基座AlOl的定心孔a2011所在面使用螺钉连接，其余五个三自由度虎克铰4和两自由度虎克铰均通过相同的方法分别与下基座B202的定心孔c2021和上基座AlOl的定心孔b2012所在面进行连接、下基座B202的定心孔d2022 与上基座B102的定心孔c2021所在面连接、下基座C203的定心孔e2031与上基座B102的定心孔d2022所在面连接、下基座C203的定心孔f2032与上基座C103的定心孔e2031所在面连接、下基座A201的定心孔a2011与上基座C103的定心孔f2032所在面连接，最终使上平台1与下平台2之间顺次连接有六组两自由度虎克铰3、液压主动作动杆5和三自由度虎克铰4。所述两自由度虎克铰3包括上铰座6，铰座环A7、铰座环B24、角接触轴承10、铰座端盖9、预紧螺钉8和虎克铰十字轴11，能提供两个转动自由度，如图11、图12、图13和图 17所示。所述的虎克铰十字轴11的四个轴端分别与铰座环A7和铰座环B24的轴承安装孔相连接，并在铰座环A7/铰座环B24的轴承安装孔与虎克铰十字轴11的四个轴端的连接处套接有四个角接触轴承10。铰座环A7和铰座环B24的侧表面分别通过预紧螺钉8固定铰座端盖9。铰座环A7的铰座连接臂上固定有上铰座6，上铰座6的上表面用于与上平台 1的上基座的安装孔相连接。所述的铰座端盖9为法兰盘结构，中心有中空圆柱凸台，铰座端盖9的法兰盘表面具有三个通孔A，用于安装预紧螺钉8。通过预紧两侧的虎克铰预紧螺栓，可使铰座端盖9向内施压，将一对角接触轴承10的外框压紧，消除轴承间隙，实现虎克铰十字轴11的两个转动自由度的无间隙传动。所述的铰座环A7和铰座环B24的两侧分别具有轴承安装孔，两个轴承安装孔的轴向外壁通过铰座连接臂平行连接，且每个轴承安装孔上分别具有三个通孔B，用于实现与铰座端盖9的连接。所述三自由度虎克铰4为提供三个转动自由度的铰链。同样通过采用下转台角接触轴承17预紧的方法消除轴承间隙，达到承载力大、精度高的效果。三自由度虎克铰4是在两自由度虎克铰3的基础上设计的，三自由度虎克铰4通过在两自由度虎克铰3的铰座环B24的下表面连接有转台构成，如图14、图15和图16所示。下转台与两自由度虎克铰3部分通过连接叉12联接在一起，共形成三个独立的转动自由度。
所述的下转台由基座盘15、基座盖13、下转台预紧螺钉14、压紧螺母16、连接叉 12、下转台角接触轴承17和轴承垫片18组成，如图9所示。所述基座盘15中心具有通孔 C，通孔C下方具有凸台A，所述的下转台角接触轴承17为两个，外径与基座盘15的通孔C 直径相等，两个下转台角接触轴承17顺次同轴装配于基座盘15的通孔C内，中间加装有轴承垫片18，两个下转台角接触轴承17通过基座盘15的凸台A卡装在基座盘15的通孔C 中。所述的基座盖13为中心具有通孔D，下表面具有凸台B的法兰结构，凸台外径等于基座盘15的通孔C的直径，基座盖13四周具有螺钉沉孔(优选为四个)，使用下转台预紧螺钉14将基座盖13安装在基座盘15的上表面上，使基座盖13的凸台B将位于通孔C中的下转台角接触轴承17的外框并压紧在凸台A上，实现了间隙的消除。所述的连接叉12的叉端依次穿过基座盖13的通孔D、基座盘15的通孔C和下转台角接触轴承17的内框，并用压紧螺母16将连接叉12叉端的边缘固定在最靠近凸台A的下转台角接触轴承17内框上， 从而实现了一个独立的转动自由度。连接叉12的上部通过与两自由度虎克铰3的铰座环连接臂安装，组成三自由度虎克铰4，以此实现两个独立转动自由度，进而实现三个独立转动自由度的无间隙传动。所述的三自由度虎克铰4的基座盘15的凸台A的端面与下平台 2的下基座进行连接。所述液压主动作动杆5是一种基于液压设备的大承载力的振动主动隔离杆，可对中低频振动进行主动隔离，如图8所示。所述的液压主动作动杆5液压主动作动杆5包括内缸19、外缸21和液压伺服阀 23如图18，其中内缸19和外缸21构成液压缸。所述的加速度传感器A20通过螺钉安装于外缸21的顶部，加速度传感器B25安装在内缸19顶部零件上，所述的位置传感器22安装于外缸一侧，轴向与外缸21轴向平行。液压主动作动杆5在运行时，内缸19在上，外缸21 在下，内缸19相对外缸21上下运动，抵消由外缸21传来的振动，使内缸19顶部及与其通过两自由度虎克铰3相连的上平台1保持稳定。由于使用了液压驱动装置，且使用了消除间隙的两自由度虎克铰3和三自由度虎克铰4，因此该平台具有承载力大、精度高、可靠性高等优点。两自由度虎克铰3和三自由度虎克铰4均采用了预紧消隙技术，保证平台运动时精度不会受到铰链间隙的影响。通过六根液压主动作动杆5的伸缩运动，上平台1可实现三自由度平动和三自由度转动运动，当这六个自由度上的运动与下平台2传来的运动方向相反时，即可实现全方位的振动隔离效果，使上平台1拥有稳定的工作环境，大大提高安装在上平台1上的光学设备及激光设备的精度。所述的液压振动主动隔离平台，具有六自由度运动能力，可以进行全方位的振动隔离和抑制。其液压主动作动杆5响应速度快，定位精度高，承载能力强，因此可使液压振动主动隔离平台在大负载情况下对高频、大振幅振动进行有效隔离和抑制。所述的液压主动作动杆5内缸19和液压主动作动杆5外缸21直径优选为10 15mm和25 30mm，液压主动作动杆5总行程50 60mm，内部采用间隙密封，空载固有频率大于IOOHz。所述的液压伺服阀23额定流量20L/min，额定电流40mA，额定加油压力6MPa。 位置传感器22与液压缸配套。加速度传感器A20和加速度传感器B25优选为朗斯(Lance) 公司的LC108型(内装IC)传感器，其灵敏度为500mV/g，量程为10g，谐振频率16Hz，分辨率为 0. 00004g。所述的上平台1优选使用硬铝合金加工，下平台2优选使用45号钢加工。该液压振动隔离平台总质量约为50kg，下平台2的外接圆半径不大于410mm，承载能力大于200Kg。
本发明提出的一种液压振动主动隔离平台的控制装置是通过控制方法实现的，该控制方法具体包括以下几个步骤步骤一液压振动主动隔离平台的下平台2在k时刻受到扰动时，加速度传感器 A20和加速度传感器B25采集误差加速度信号el (k) e6 (k)和参考加速度信号Xl (k) X6 (k)，并通过屏蔽线缆传输到信号调理器A中，经信号调理器A传输到A/D数据处理卡A 中，再经A/D数据处理卡A传输到控制计算机中；控制计算机的控制模块的自适应逆控制器根据接收的信号进行实时处理，其中误差加速度信号e(k)直接进入自适应滤波器A，参考加速度信号X(k)经过液压主动作动杆传递函数P (ζ)滤波后，同时进入自适应滤波器A和自适应滤波器B，自适应滤波器A利用误差加速度信号e(k)和参考加速度信号X (k)调节权值W，自适应滤波器B与自适应滤波器A通过权值W建立联系，两者的权值W —致。自适应滤波器B根据权值W和参考加速度信号X (k)，输出能使误差加速度信号e (k)趋向最小的k 时刻期望杆长信号Cl (k) C6 (k)。步骤二 在k时刻，位置传感器22采集实际杆长信号Ll (k) L6 (k)，经将该信号经屏蔽线缆传输到信号调理器B中，经信号调理器B转换为-IOV +IOV的模拟电压信号后，经A/D数据处理卡B向控制计算机的控制模块中的数字PID控制器传输。步骤三自适应逆控制器将期望杆长信号Cl (k) C6(k)向数字PID控制器中输入，数字PID控制器将接收的k时刻的实际杆长信号Ll (k) L6(k)与期望杆长信号 Cl(k) C6(k)做差(后者减去前者)，利用得到差值的比例放大值(P)、积分值(I)和微分值(D)的和作为6个液压主动作动杆5的液压伺服阀控制信号Ul (k) U6 (k)。步骤四液压伺服阀控制信号Ul (k) 从控制计算机输出后，经功率放大器的功率放大，输出到液压伺服阀23上，使液压主动作动杆5产生期望作动量，以抵消下平台 2的扰动，实现上平台1的稳定。上述的控制方法通过控制计算机的控制模块中进行运行，具有实时数据处理的功能。通过六个控制模块独立控制六根液压主动作动杆5的运动。所述的控制计算机优选为Intel-X86构架的工业控制计算机，具有的部件优选为，CPU为Intel Q9400，四核心，2. 66GHz的核心频率及6MB的二级缓存，为控制模块的实时运行提供保障；内存为大小为4GB，为控制模块提供充足的运行空间。所述的加速度传感器A和加速度传感器B优选为Lance-LCOlOS型内装IC的加速度传感器。所述的位置传感器优选为GA-30型LVDT (Linear Variable Differential Transformers,线性可变差动变压器)。所述的A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B优选为PCI-911IHR型16通道16位分辨率数据采集卡，所述的D/A数据处理卡优选为PCI-6208V型8通道16位电压输出卡。
权利要求
1.一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于包括控制计算机、A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B、功率放大器、加速度传感器A、加速度传感器B和位移传感器；所述的控制计算机、A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B均为1个，加速度传感器A、加速度传感器B和位移传感器分别选用6个，液压振动主动隔离平台的每个液压主动作动杆上分别安装有1个加速度传感器A、1个加速度传感器B和1个位移传感器，其中加速度传感器 A安装在液压主动作动杆内缸顶部，加速度传感器B安装在液压主动作动杆的外缸的顶部， 所述的位移传感器沿液压主动作动杆的杆向伸缩运动方向，平行地安装在液压缸中外缸的侧面，轴向与外缸平行；每一个加速度传感器A和加速度传感器B的输出端通过屏蔽线缆与信号调理器A的输入端连接，每个位移传感器的输出端通过屏蔽线缆信号调理器B的输入端连接，信号调理器A和信号调理器B的输出端分别由屏蔽线缆连接到A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡 B的输入端，A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B安装到控制计算机的PCI插槽上，D/A 数据处理卡安装在控制计算机的PCI插槽上，D/A数据处理卡的输出端通过屏蔽线缆与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端通过屏蔽线缆连接到液压振动主动隔离平台的液压主动作动杆的液压伺服阀上。
2.根据权利要求1所述的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于所述的控制计算机中设置有控制模块，该控制模块由六个控制模块构成，每个控制模块均由自适应逆控制器和数字PID控制器组成；每个控制模块分别用于接收相应液压主动作动杆的经加速度传感器A采集的误差加速度信号e 1 (k) e6 (k)、加速度传感器B采集的参考加速度信号Xl (k) X6 (k)和位移传感器采集的实际杆长信号Ll (k) L6 (k)，经每个对应控制模块的控制后生成各自液压主动作动杆的响应运动控制信号。
3.根据权利要求2所述的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于所述的控制模块为全数字控制，控制模块由Matlab软件的Simulink环境按照自适应逆方法和 PID方法进行编写，搭建仿真程序，用Simulink环境提供的数值仿真工具进行仿真，并且直接由Simulink生成实时控制程序，载入到实时内核中，构成控制模块。
4.根据权利要求1所述的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于所述的控制计算机为Intel-X86构架的工业控制计算机。
5.根据权利要求1所述的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于所述的加速度传感器A和加速度传感器B为Lance-LCOlOS型内装IC的加速度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于所述的位置传感器为GA-30型LVDT线性可变差动变压器。
7.根据权利要求1所述的一种液压振动主动隔离平台的控制装置，其特征在于所述的A/D数据处理卡A和A/D数据处理卡B为PCI-9111HR型16通道16位分辨率数据采集卡，所述的D/A数据处理卡为PCI-6208V型8通道16位电压输出卡。
8.一种液压振动主动隔离平台的控制方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤步骤一液压振动主动隔离平台的下平台在k时刻受到扰动时，加速度传感器A和加速度传感器B采集误差加速度信号和参考加速度信号，并通过屏蔽线缆传输到信号调理器A 中，进行滤波和信号放大，转换为模拟电压信号后，经信号调理器A传输到A/D数据处理卡A中，再经A/D数据处理卡A传输到控制计算机中；控制计算机的控制模块的自适应逆控制器根据接收的信号进行实时处理，得到k时刻期望杆长信号；步骤二 在k时刻，位置传感器采集实际杆长信号Ll (k) L6 (k)，经将该信号经屏蔽线缆传输到信号调理器B中，经信号调理器B转换为模拟电压信号后，经A/D数据处理卡B 向控制计算机的控制模块中的数字PID控制器传输；步骤三自适应逆控制器将期望杆长信号Cl (k) C6(k)向数字PID控制器中输入， 数字PID控制器将接收的k时刻的实际杆长信号Ll (k) L6 (k)与期望杆长信号Cl (k) C6(k)做差，利用得到差值的比例放大值(P)、积分值(I)和微分值(D)的和作为6个液压主动作动杆的液压伺服阀控制信号Ul (k) ；步骤四液压伺服阀控制信号Ul (k) 从控制计算机输出后，经功率放大器的功率放大，输出到液压伺服阀上，使液压主动作动杆产生期望作动量，以抵消下平台的扰动， 实现上平台的稳定。
全文摘要
本发明提供一种液压振动主动隔离平台的控制装置及其控制方法，该控制装置包括控制计算机、A/D数据处理卡A、A/D数据处理卡B、D/A数据处理卡、信号调理器A、信号调理器B、功率放大器、加速度传感器A、加速度传感器B和位移传感器。液压振动主动隔离平台的每个液压主动作动杆上分别安装有1个加速度传感器A、1个加速度传感器B和1个位移传感器，其中加速度传感器A安装在液压主动作动杆内缸顶部，加速度传感器B安装在液压主动作动杆的外缸的顶部。该控制装置具有较强的可扩展性，通过改写控制模块，增加数据采集卡的类型和数量，可以很方便的实现多个类似隔振平台的同时控制，能够实现平台在大振幅、低频、重载环境下的隔振功能。
文档编号G05B17/02GK102163042SQ201110024688
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者崔龙, 张泽, 王海强, 黄海 申请人:北京航空航天大学