武倩倩*,崔寧劉碧龍?jiān)篮楹疲瑒s強(qiáng)
1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,青島 2665202.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001
航天器在軌運(yùn)行時(shí),動(dòng)量輪、制冷機(jī)等設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一種量級(jí)較小、頻帶較寬的微振動(dòng)。這類微振動(dòng)對(duì)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、高分辨率對(duì)地觀測精度、重力梯度測量精度等均有較大影響[1-4]。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的被動(dòng)隔振系統(tǒng)對(duì)高頻振動(dòng)具有較好的隔振控制效果,但對(duì)低頻振動(dòng)控制效果不佳[5-6]。磁懸浮隔振技術(shù)能利用磁場與電場產(chǎn)生的洛倫茲力實(shí)現(xiàn)空間微振動(dòng)的隔離與抑制,對(duì)低至0.01Hz的微振動(dòng)仍有良好的隔振效果,在空間微振動(dòng)隔振領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[7-9]。
磁懸浮隔振系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、高響應(yīng)、寬頻帶等特點(diǎn),并且系統(tǒng)的控制目標(biāo)與定子和浮子之間的相對(duì)位置存在制約關(guān)系,這均增加了系統(tǒng)低頻隔振控制的難度。為了實(shí)現(xiàn)隔振控制,國內(nèi)外學(xué)者采用經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法開展了大量的研究。Tryggvason[10-11]和 Fenn[12]等以擴(kuò)大控制帶寬為目的設(shè)計(jì)了PID控制器,但未考慮以多自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為研究對(duì)象的控制響應(yīng)。Zhu等[13]在此基礎(chǔ)上采用PID型雙積分加速度控制方法,增加了系統(tǒng)隔振頻帶,提高了系統(tǒng)的隔振性能,但其僅對(duì)單自由度隔振系統(tǒng)進(jìn)行了控制仿真。Hu等[14]采用串級(jí)PID控制算法對(duì)一種磁懸浮作動(dòng)器進(jìn)行隔振控制,但也未研究由多個(gè)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度隔振系統(tǒng)的控制響應(yīng)。Liu等[15]分別采用經(jīng)典PID控制算法和H∞控制算法對(duì)整柜級(jí)磁懸浮隔振系統(tǒng)進(jìn)行了控制仿真,仿真結(jié)果表明兩種算法都有良好的隔振效果,但尚缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Li等[16]基于改進(jìn)的FXLMS(Filtered-X Least-Mean-Square)算法對(duì)非線性磁懸浮作動(dòng)器進(jìn)行了自適應(yīng)控制,該算法對(duì)作動(dòng)器的非線性有良好的補(bǔ)償特性,但未涉及多自由度隔振系統(tǒng)的非線性控制特性。Yang等[17]考慮到參數(shù)化和動(dòng)態(tài)不確定性的特點(diǎn),針對(duì)微重力隔振系統(tǒng)g-LIMIT(Glovebox Integrated Microgravity Isolation Technology)設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)性控制器,在高頻增益加速度環(huán)和低頻相對(duì)位置環(huán)內(nèi)加入兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),阻止了自適應(yīng)控制過程中加速度環(huán)與位置環(huán)的相互作用,但文中也僅研究了單自由度隔振系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Hampton等[18]將最優(yōu)前饋與后饋控制方法應(yīng)用到 MIM (Microgravity vibration Isolation Mount)微振動(dòng)隔振系統(tǒng)中,也僅在單自由度隔振模型上實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。綜上可知,當(dāng)前研究大多是在簡化的單自由度模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的,缺少針對(duì)六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)的高精度非線性動(dòng)力學(xué)建模以及基于模型的控制策略設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)仿真。
針對(duì)上述問題,本文首先以定子和浮子之間的相對(duì)位姿為變量,建立了面向控制的六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型;其次,針對(duì)系統(tǒng)的非線性、強(qiáng)耦合、寬頻帶特性,設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)控制策略,并利用PD定點(diǎn)控制算法,仿真了系統(tǒng)在不同頻帶內(nèi)的隔振性能與跟蹤性能;最后,搭建了磁懸浮隔振樣機(jī)測試系統(tǒng),對(duì)建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。
磁懸浮隔振平臺(tái)由定子、浮子、線纜和洛倫茲力作動(dòng)器組成,如圖1所示。作動(dòng)器包含兩組條形永磁體、矩形空心線圈以及磁軛。每個(gè)洛倫茲力作動(dòng)器具有1個(gè)自由度,為了實(shí)現(xiàn)空間6自由度的微振動(dòng)隔振,采用8個(gè)作動(dòng)器均布于定子與浮子之間,通過改變作動(dòng)器的位姿,使8個(gè)作動(dòng)器可以解算六自由度的控制力和控制力矩。當(dāng)定子受到外界擾動(dòng)時(shí),通過調(diào)節(jié)線圈電流的大小和方向使作動(dòng)器產(chǎn)生能抵消外部擾動(dòng)的洛倫茲力,從而為浮子上的有效載荷提供準(zhǔn)靜環(huán)境。為避免浮子與定子在隔振頻帶內(nèi)發(fā)生碰撞,設(shè)計(jì)時(shí)要求控制行程大于隔振頻帶內(nèi)的最大振幅。為避免由于瞬態(tài)擾動(dòng)產(chǎn)生幅值過大的情況,在浮子和定子之間設(shè)計(jì)限位機(jī)構(gòu)?;谏鲜龉ぷ髟恚O(shè)計(jì)了控制行程為±3mm的6自由度磁懸浮隔振平臺(tái),其三維模型及尺寸參數(shù)如圖2所示。

圖1 磁懸浮隔振平臺(tái)示意圖Fig.1 Diagram of maglev vibration isolation platform

圖2 磁懸浮隔振平臺(tái)三維模型Fig.2 Three-dimentional model of maglev vibration isolation platform
高精度的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)隔振控制的前提。為保證模型精度,以浮子和定子之間的相對(duì)位姿為變量,建立面向控制的6自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程[19-22]。系統(tǒng)空間幾何模型如圖3所示,其中NIJK為與地面固聯(lián)的慣性坐標(biāo)系,S為與定子固聯(lián)的坐標(biāo)系,F(xiàn)ijk為與浮子固聯(lián)的坐標(biāo)系。定子坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于定子質(zhì)心,浮子坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)距離其質(zhì)心的位置矢量為rc。假設(shè)在初始狀態(tài)下,定子坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系重合,定子坐標(biāo)系到浮子坐標(biāo)系的位置矢量為RSF。根據(jù)牛頓-歐拉方程,浮子的力和力矩方程為

圖3 系統(tǒng)空間幾何模型Fig.3 Space geometry model for system

式中:m為浮子本體與有效載荷的總質(zhì)量;J為浮子的慣量張量;Fd為直接作用于浮子上的外力;Fu為線纜產(chǎn)生的擾動(dòng)力;Fc(c=1,2,…,8)為主動(dòng)控制力;Md為浮子上作用的外力矩;Mu為線纜產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩;Mc(c=1,2,…,8)為主動(dòng)控制力矩;a為浮子的絕對(duì)加速度;ω為浮子的角速度。
根據(jù)歐拉角和坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方式,可得慣性坐標(biāo)系到浮子坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣Γ為

式中:θx、θy、θz為浮子相對(duì)定子的橫滾、俯仰、偏航運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。
定義空間列陣X= [x y z θxθyθz]T,其中r=[x y z]T表示浮子與定子之間的相對(duì)位移變化,為了描述浮子的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),需要由定子與浮子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加上定子的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)得到。由于浮子相對(duì)于定子為小角度運(yùn)動(dòng),浮子的角速度量級(jí)約10-4~10-3rad/s,而浮子的加速度量級(jí)約10-5~10-3m/s2,基于小角度假設(shè),角速度的平方項(xiàng)或角速度的交叉乘積項(xiàng)可以忽略。另外,忽略定子受到的角位移擾動(dòng),假設(shè)定子受到3自由度的線位移擾動(dòng)¨R0,根據(jù)系統(tǒng)空間幾何模型(圖3)以及坐標(biāo)變換關(guān)系,代入狀態(tài)空間列陣X,得到浮子6自由度運(yùn)動(dòng)微分方程為

式中:()~表示括號(hào)中向量的反對(duì)稱矩陣。
定義8個(gè)作動(dòng)器的力向量為

式中:下標(biāo)中的數(shù)字表示作動(dòng)器的標(biāo)號(hào),字母表示洛倫茲力的方向。
為了進(jìn)行矢量疊加,定義洛倫茲力的方向矩陣為

利用坐標(biāo)系之間的變換矩陣Γ,任意浮子坐標(biāo)系中的向量q都可以轉(zhuǎn)換為慣性坐標(biāo)系中的向量,即建模時(shí)變量均統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到慣性坐標(biāo)系中。

8個(gè)作動(dòng)器作用于浮子的合力在慣性系中可以表示為

式中:I1=I2=…I8=I3×3。
定義浮子坐標(biāo)系下作動(dòng)器的質(zhì)心到浮子質(zhì)心的位置矢量為rFcM(c=1,2,…,8),則作動(dòng)器的合力對(duì)浮子質(zhì)心產(chǎn)生的力矩為

把浮子與定子之間的兩組主要連接線纜等效為彈簧和阻尼系統(tǒng),定義線纜的剛度系數(shù)為Kui(i=1,2),阻尼系數(shù)為Cui(i=1,2),浮子上線纜接口的位置向量為rui(i=1,2),定子上線纜接口的位置向量為Rui(i=1,2),線纜的原始長度為d0i(i=1,2),變形量為dui(i=1,2),則

線纜產(chǎn)生的擾動(dòng)力為

線纜產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩為

式中:rFui為浮子上線纜作用點(diǎn)到浮子質(zhì)心的位置向量。
假設(shè)外部擾動(dòng)力fd直接作用于浮子,并且距離質(zhì)心rd,浮動(dòng)平臺(tái)上外力作用點(diǎn)到平臺(tái)質(zhì)心的位置向量為rFd,則擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩在慣性坐標(biāo)系中可以寫成
把式(6)、式(7)、式(9)~式(12)代入式(3),最終得到面向控制的6自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型為

定義以下參數(shù):

式(13)可寫成通用運(yùn)動(dòng)微分方程的形式:

磁懸浮隔振系統(tǒng)不僅要隔離來自定子的擾動(dòng),還要滿足浮子與定子之間的位置約束。因此,對(duì)磁懸浮隔振系統(tǒng)實(shí)施控制時(shí)需考慮兩個(gè)方面:① 使傳遞到浮子的振動(dòng)最?。虎?使浮子與定子之間的相對(duì)位姿保持不變。為實(shí)現(xiàn)上述控制要求,設(shè)計(jì)了包含相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)環(huán)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略,其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)原則是在低于隔振頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)浮子的運(yùn)動(dòng)跟蹤,而絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)原則是在隔振頻帶內(nèi)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行抑制。磁懸浮隔振系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略框圖如圖4所示。

圖4 雙閉環(huán)控制策略框圖Fig.4 Block diagram of double-closed-loop control strategy
以0.01~100Hz頻帶內(nèi)的振動(dòng)為研究對(duì)象,為了實(shí)現(xiàn)0.01~100Hz頻帶內(nèi)的隔振控制,設(shè)置浮子的絕對(duì)速度、絕對(duì)加速度目標(biāo)為0,設(shè)置絕對(duì)位移目標(biāo)為與系統(tǒng)初始參數(shù)有關(guān)的常量。當(dāng)振動(dòng)頻率低于0.01Hz時(shí),設(shè)置定子與浮子的相對(duì)速度、相對(duì)加速度目標(biāo)為0,設(shè)置相對(duì)位移目標(biāo)為與系統(tǒng)初始參數(shù)有關(guān)的常量,實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。在建立的6自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,采用PD定點(diǎn)控制方法,在 MATLAB/Simulink環(huán)境下,開發(fā)6自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)控制仿真程序,獲得系統(tǒng)在不同頻帶內(nèi)的隔振效果與跟蹤效果。
取ea=X0Λ-XΛ(上標(biāo)Λ表示在絕對(duì)坐標(biāo)系下的變量)為隔振前后的絕對(duì)位移誤差,速度誤差和加速度誤差分別是為常量。
為了便于分析,把擾動(dòng)寫為6×1的矩陣形式,則位移擾動(dòng)為R0= [R003×1]T,速度擾動(dòng)為 R0= [R003×1]T,加 速 度 擾 動(dòng) 為 ¨R0=[¨R003×1]T。根據(jù)絕對(duì)變量與相對(duì)變量之間的關(guān)系得到

把式(15)代入式(14)可得

式中:KxXΛ0是一個(gè)常量,可以通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)補(bǔ)償該常量,因此式(17)可以寫成

其中:Fx包括主動(dòng)控制力Fa和外部擾動(dòng)力Fd。
定義控制規(guī)律為

式中:Kp1和Kd1分別為比例控制系數(shù)和微分控制系數(shù)。
則式(16)可以簡化為

取Lyapunov函數(shù)為

由Mx和Kp1的正定性可知,V全局正定,則

由式(20)和式(22)可得
隔振控制需要滿足阻尼比大于1,則Cx+Kd1正定,此時(shí)有V≤0,即系統(tǒng)可達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)V≡0時(shí),有ea≡0,從而¨ea≡0,ea≡0,所以控制也是收斂的。
為了實(shí)現(xiàn)低頻運(yùn)動(dòng)跟蹤,取ep=X0-X為隔振前后的相對(duì)位移誤差,則速度誤差和加速度誤差 分別為ep= X0-X,¨ep= ¨X0-¨X,其 中 ¨X0=[00 … 0]T,則運(yùn)動(dòng)微分方程可以轉(zhuǎn)換為
定義控制規(guī)律為

式中:Kp2和Kd2分別為比例控制系數(shù)和微分控制系數(shù)??刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性證明同上。
根據(jù)圖2所示的磁懸浮隔振平臺(tái)三維模型,獲得仿真所需的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。此外,浮子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量張量為

表1 磁懸浮隔振平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters of maglev vibration isolation platform

對(duì)磁懸浮隔振系統(tǒng)中的連接線纜進(jìn)行參數(shù)辨識(shí),線纜的剛度矩陣和阻尼矩陣可近似等效為[13]

為了簡化運(yùn)算過程,假設(shè)定子受到的擾動(dòng)為正弦擾動(dòng),忽略直接作用在浮子上的外力。給定子施加沿水平軸x方向,幅值分別為2mm、2mm、2μm,頻率分別為0.005、0.01、100Hz的正弦擾動(dòng),得到了系統(tǒng)的6自由度控制仿真結(jié)果。下面以系統(tǒng)沿著x方向和繞著x方向的隔振控制仿真結(jié)果(圖5、圖6)和跟蹤控制仿真結(jié)果(圖7)為例進(jìn)行說明。
由圖5和圖6可知,當(dāng)頻率分別為0.01Hz和100Hz時(shí),浮子的絕對(duì)位移、速度、加速度以及絕對(duì)角度、角速度、角加速度均在短時(shí)間迅速收斂至0,表明系統(tǒng)具有良好的隔振控制效果。由圖7可以看出,當(dāng)頻率為0.005Hz時(shí),浮子與定子之間的相對(duì)位移、速度、加速度以及相對(duì)角度、角速度、角加速度也迅速收斂至0,表明系統(tǒng)具有良好的跟蹤控制效果。

圖5 0.01Hz時(shí)有/無控制隔振性能對(duì)比Fig.5 Comparison of vibration isolation performance with and without control at 0.01Hz

圖7 0.005Hz時(shí)有/無控制跟蹤性能對(duì)比Fig.7 Comparison of tracking performance with and without control at 0.005Hz
由上述仿真結(jié)果可知,設(shè)計(jì)的控制策略是有效的。通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)在低頻帶到高頻帶內(nèi)的隔振功能,以及系統(tǒng)在極低頻帶內(nèi)的跟蹤功能,滿足磁懸浮隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
研制磁懸浮隔振系統(tǒng)原理樣機(jī),搭建如圖8所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。為獲取樣機(jī)定子受到的擾動(dòng)參數(shù)以及浮子受到的外部作用力,在定子和浮子上分別安裝3個(gè)三維加速度傳感器,在定子和浮子之間安裝4個(gè)二維相對(duì)位置傳感器。其中,加速度傳感器選用Silicon Design的Model2422,相對(duì)位置傳感器選用DL400-7-PCBA。驅(qū)動(dòng)器選用Trust Automation的TA115。數(shù)據(jù)采集、處理及控制軟件在 WinCE系統(tǒng)下利用EVC4.0編寫,通過數(shù)據(jù)采集卡提供C接口控制A/D卡(阿爾泰科技的 ART2153)和D/A卡(阿爾泰科技的ART2003),實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的輸出,并在處理器ARM8019中進(jìn)行濾波處理。設(shè)置振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生沿水平方向的正弦振動(dòng),將磁懸浮隔振系統(tǒng)樣機(jī)的定子固定在振動(dòng)臺(tái)上,分別提取定子和浮子的加速度信息和相對(duì)位移信息。振動(dòng)的加速度頻譜分析結(jié)果如圖9所示(圖中g(shù)為重力加速度)。由圖9可知,該正弦振動(dòng)頻率主要包含5.4、16.22、26.93、37.74、48.55和59.36Hz等多個(gè)主頻成分以及多個(gè)干擾頻帶。根據(jù)提出的雙閉環(huán)控制策略,采用PD定點(diǎn)控制算法,分別從時(shí)域和頻域?qū)Ρ瓤刂魄昂蟾∽拥募铀俣人?,?yàn)證系統(tǒng)的隔振功能。
控制后浮子上沿著振動(dòng)方向的加速度與擾動(dòng)加速度對(duì)比如圖10所示。取相同時(shí)間段內(nèi)擾動(dòng)加速度峰-峰值(147.82×10-3g)與隔振控制后穩(wěn)態(tài)響 應(yīng)峰-峰值(9.53×10-3g)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明系統(tǒng)在振動(dòng)方向上的隔振百分比可達(dá)93.5%,驗(yàn)證了系統(tǒng)的隔振功能。

圖8 樣機(jī)隔振功能測試Fig.8 Vibration isolation performance test of prototype
隔振控制后浮子的加速度與擾動(dòng)加速度頻譜分析結(jié)果如圖11所示,在0~70Hz頻帶范圍內(nèi),不同頻率的擾動(dòng)都得到了有效抑制。

圖9 振動(dòng)的加速度頻譜Fig.9 Acceleration spectrum of vibration

圖10 沿著振動(dòng)方向的加速度測試結(jié)果Fig.10 Test results of acceleration along vibration direction

圖11 控制前后頻域結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of frequency domain results before and after control
把測試得到的擾動(dòng)加速度作為輸入添加到仿真程序中,在相同控制參數(shù)的作用下,獲得基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的控制仿真結(jié)果,并與實(shí)際測試結(jié)果對(duì)比,如圖12所示。結(jié)果表明,基于仿真模型獲得的加速度控制響應(yīng)與實(shí)際模型的響應(yīng)趨勢一致,驗(yàn)證了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

圖12 模型仿真結(jié)果與測試結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of simulation results and test results of model
1)為提高控制精度,獲得高保真的控制響應(yīng),基于牛頓-歐拉方程,建立了面向控制的6自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型。
2)針對(duì)低中頻帶內(nèi)的隔振控制目標(biāo)和極低頻帶內(nèi)的跟蹤控制目標(biāo),設(shè)計(jì)了包含相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)環(huán)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。
3)在MATLAB/Simulink環(huán)境中開發(fā)了控制系統(tǒng)仿真程序,采用PD定點(diǎn)控制算法,通過隔振控制仿真和跟蹤控制仿真,表明系統(tǒng)在隔振頻帶內(nèi)具有良好的隔振效果,在極低頻帶內(nèi)具有良好的跟蹤效果,驗(yàn)證了控制策略的有效性。
4)研制了磁懸浮隔振系統(tǒng)樣機(jī),搭建了樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng),通過試驗(yàn)測試,系統(tǒng)沿振動(dòng)方向的隔振百分比可達(dá)93.5%;頻域響應(yīng)結(jié)果表明系統(tǒng)能有效抑制0~70Hz頻帶內(nèi)的擾動(dòng)。通過對(duì)比測試結(jié)果與仿真結(jié)果,驗(yàn)證了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的正確性。
在未來的研究中,擬建立多自由度振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng),驗(yàn)證磁懸浮隔振系統(tǒng)在多自由度擾動(dòng)耦合作用下的隔振性能。