大型柔性结构的多自由度主被动一体化气动隔振技术研究

被动式气动隔振系统已广泛用于精密加工与检测、舰船动力设备和车辆悬架隔振。随着技术进步，被隔振对象已从近似刚体发展到大型柔性结构，隔振要求日益复杂，从单方向隔振到6自由度全方向隔振，不仅要求降低支撑频率提高隔振性能，而且同时要求提高支撑刚度、改善低频阻尼等。这些仅靠被动式气动隔振系统难以满足，使得以航天器为代表的大型柔性结构常因振动超标而损坏失效。本项目对气弹簧施加控制，使其兼具有气动作动器功能，并构成多自由度主被动一体化气动隔振系统，研究大型柔性结构的多自由度主被动一体化气动隔振技术，包括：1）柔性体主被动一体化气动隔振的反馈信号选择、传感器测点分布和控制算法研究；2）主被动一体化气动隔振系统中不同控制目标的相互影响与制约关系；3）柔性体多自由度多目标主被动一体化气动隔振系统的主动部分与被动部分的匹配优化。研究成果有望为航天器发射、越野车辆等实施性能更优的主被动一体化隔振提供理论依据。

本项目研究了柔性体的气动主被动一体化隔振。主要包括以下几个方面：.　　一、主被动一体化气弹簧控制策略。通过对比双环控制、运动流量补偿的双环控制和直接反馈控制，分析了各自的优缺点，指出直接反馈控制可以有效利用作动器和控制阀带宽，是适合主被动一体化气弹簧的控制策略。.　　二、研究了单自由度柔性体的主被动一体化气动隔振问题。采用接口单元的振动加速度反馈与基座加速度前馈控制策略，可有效改善隔振效果。应用了自适应多凹口陷波滤波器进行了柔性体的主动隔振，控制效果显著。特别是采用柔性体所有单元振动加速度加权输出时，对于提高上部单元的隔振效果效果明显。.　　三、深入研究了柔性体多自由度隔振系统的控制策略。.研究了分组与解耦控制。将振动分成四组：纵向、扭转、横滚和横向、俯仰和前后平动。组间耦合很轻，可以大大简化控制器耦合程度。对于作动杆的耦合，利用平台Jaccobi矩阵的逆进行解耦。.　　采用杆长反馈，提高了支撑刚度，并易于实现。以接口单元加速度反馈为主，辅以内部单元的相对加速度反馈，可以同时改善整体的传递率，并对局部单元的隔振性能有进一步的提升。.　　研究了传感器布置和选择，采用杆长信号、接口单元加速度信号和内部部分单元的加速度信号是既现实可行，又能有效满足控制需要的方案。.对控制器参数、结构参数进行了优化，包括纵向加速度反馈增益、横向加速度反馈增益、转动加速度反馈增益，以及主被动一体化气弹簧中机械弹簧与气弹簧的比例。　　研究表明各向隔振要求对于以上优化参数无矛盾要求，加速度反馈增益过高或过低都不利于改善隔振性能，而气弹簧占比以100%占比对控制性能最为有利。.　　四、深入研究了气弹簧的非线性基础特性。研究了气弹簧在较大振幅下的平衡点偏移、倍频响应、分频响应、组合共振等特有的非线性现象，利用多尺度法分析了气弹簧各非线性特性的规律。并采用自适应多凹口陷波滤波器的主动控制策略，有效地消除气弹簧的倍频非线性响应，且有效作用带宽宽。