面向微纳加工平台的智能隔振系统切换控制研究

Along with the development of micro nano fabrication and precision measurement technology, it had been a difficult and hot problem of desiderate to solve that how to effectively reduce the vibration of the adverse effects. The existing micro vibration control methods mainly include active and passive vibration isolation method. However, the two methods have some disadvantages. The active one has large energy consumption, poor stability and high frequency suppression effects. Correspondingly, the passive one has poor low frequency suppression effects. In order to obtain better vibration suppression effect, by using magnetorheological elastomers and piezoelectric ceramic material, this project designs a semi-active /full-active switching control intelligent isolator. Inverse modeling and identification and studied by using fuzzy neural network. Combined with multi mode control scheme, full frequency vibration suppression is achieved. It has a lot of advantages, such as reduced size and compactness, quick control response, and positioning precision. The presented method to micro vibration control research is the innovation exploration. Combined with switch control and intelligent control theory, develop switching control strategy for isolation system is developed, which helps to realize multi attitude vibration control of the micro-nano processing platform. By using dSPACE and electric vibration table, the software and hardware simulation platform is established to verify the effect of control. This project is significant in academic research and application for the development of micro vibration control theory, which also provides the theory basis and the technical reserve for the research on the smart materials (piezoelectric ceramic, magnetorheological elastomer) in micro nano fabrication and precision measurement technology of application.

微振动对微纳加工和精密测量造成的不良影响日益突出，近年来受到广泛关注。 现有微振动控制主要采用被动隔振技术，但低频抑制效果差；主动隔振已有研究，但能量消耗大，稳定性差，高频抑制效果不理想。为获得更佳的微振动抑制效果，申请人提出采用磁流变弹性体和压电陶瓷材料设计一种半主动/全主动可切换控制智能隔振器，并采用模糊神经网络进行逆模型建立和参数辨识，结合多模态控制思想实现全频段的振动抑制，具有体积紧凑、控制响应快、定位精度高等特点，为解决微振动控制问题进行了创新性探索。申请人还将切换控制理论与仿人智能控制理论相结合，制定了隔振系统的切换控制策略，实现微纳加工平台的多姿态振动控制，并利用dSPACE系统和电动振动台建立软硬件仿真平台以验证控制效果。该项目研究对微振动控制理论的发展具有重要学术意义和实用价值，同时为智能材料（压电陶瓷、磁流变弹性体）在微纳加工和精密测量中的应用提供理论依据和技术储备。

近年来，随着微纳加工、精密测量与装配等技术的发展，微振动对精密加工精度的影响变得十分突出。项目采用磁流变弹性体和压电陶瓷材料设计一种半主动/全主动可切换控制智能隔振器，并设计模糊切换控制器实现宽频微振动抑制。主要完成以下工作：（1）半主动/全主动智能隔振器的设计与加工。包括混合隔振器连接方式、磁路设计、优化与仿真。（2）磁流变弹性体材料磁致变刚度、变阻尼机理和环境适应性研究。通过实验对比，确定聚氨酯基和硅橡胶基磁流变弹性作为隔振材料。（3）智能隔振器力学性能测试。分别完成压电执行器、磁流变弹性体隔振器的力学性能测试，根据测试结果给出半主动、主动切换条件（50Hz为主动与半主动控制切换频率，83Hz为半主动与被动切换频率），并采用递归神经网络对磁流变弹性体隔振器进行模型辨识，与现有建模方法比，所提方法很容易求得系统逆模型，且具有更好的实时性和更高的精度。（4）利用简支梁搭建基于压电堆执行器的二分之一精密平台主动控制系统。从理论和实验两方面完成简支梁的模态分析。根据分析结果，设计模糊控制器进行主动控制仿真与实验验证，实验结果表明主动隔振系统对单频、双频和三频激励都有很大的抑制，振动加速度均方根最大抑制达到57.02%。该方法不依赖梁复杂的模型，且具有很好的自适应性。（5）针对磁流变弹性体隔振器，搭建四分之一精密平台半主动隔振系统，设计半主动模糊控制器，进行模糊控制仿真与实验验证，结果表明半主动隔振器对80-110Hz频率范围内的单频、多频振动都有很大的抑制，加速度均方根最大衰减达到54.04%。该方法不依赖于隔振系统模型，具有很强的鲁棒性，优于现有的ON-OFF控制。（6）搭建半主动/全主动智能隔振控制系统。分析模型参数变化对隔振系统性能的影响。并设计模糊切换控制器，并对0-100Hz的单频、双频、多频等激励进行模糊切换控制仿真，仿真结果证明了所设计的模糊切换控制器的有效性，其中加速度均方根最大衰减量可达到56.45%。 . 本项目将压电陶瓷和磁流变弹性体等智能材料及模糊切换控制理论、神经网络理论引入微振动控制领域，仿真和实验都取得明显的效果，这极大地推动了智能材料、智能控制理论在工程中的应用。项目中搭建了半主动/全主动切换控制平台，并最终转化为产品，进一步推广到工程中去。因此，将新材料、智能控制理论应用于实际系统是本项目的主要研究特色。