【摘 要】
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外部的环境振动会影响重力仪等精密仪器的正常工作,而MEMS重力仪面向野外移动测试对轻量化的小型主动隔振平台提出需求。小型化主动隔振平台主要存在以下问题:结构小型化后竖直方向的交叉轴抑制比需要提高,低本底噪声的控制电路设计,传感器小型化后针对其参数进行控制效果优化。而目前国内外针对重力仪所设计定制的主动隔振平台均是大型主动隔振平台,结构和所用传感器都偏大,缺少对小型主动隔振平台的研究。本文针对小型主
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外部的环境振动会影响重力仪等精密仪器的正常工作,而MEMS重力仪面向野外移动测试对轻量化的小型主动隔振平台提出需求。小型化主动隔振平台主要存在以下问题:结构小型化后竖直方向的交叉轴抑制比需要提高,低本底噪声的控制电路设计,传感器小型化后针对其参数进行控制效果优化。而目前国内外针对重力仪所设计定制的主动隔振平台均是大型主动隔振平台,结构和所用传感器都偏大,缺少对小型主动隔振平台的研究。本文针对小型主动隔振平台小型化存在的问题,分别从小型主动隔振平台的结构设计优化上来提高竖直方向的交叉轴抑制比,然后在低噪声的要求下设计了整体控制电路并且进行噪声测试分析,最后通过提出利用遗传算法进行PID参数整定优化的方法,实现现有传感器参数基础上整体控制系统效果的优化。首先对主动隔振控制系统建立相应的数学物理模型,对比了不同物理量反馈方式的主动隔振系统幅频响应,选择合适的主动反馈方式进行设计。同时完成了速度传感器的选型以及对其进行了关键参数的测试,包括带宽和本底噪声,测试结果满足需求。然后对音圈电机进行选型和在不同位置的输入输出系数进行标定,为后续整体控制模型的建立提供参考。在小型隔振平台结构设计方面,通过对比不同方案的模态仿真分析验证了改进方案可以有效提高竖直方向的交叉轴抑制比,再针对设计的结构进行弹性元件的选择以及参数确定。其次在低本底噪声需求下设计了主动隔振控制电路,包括高通滤波电路,PID控制电路,压流转换电路。同时建立其噪声模型分析其噪声大小,并且实际噪声测试显示电路本底噪声在0.1-10 Hz频段之间都在0.5 ng/√Hz以下。最后针对加工完成的隔振平台机械结构和控制电路进行整体调试,其中针对隔振系统中由于传感器存在的相位频率响应所导致的闭环控制系统不稳定的问题,本文提出一种基于遗传算法的PID参数的优化方法,以整体主动隔振系统的幅值裕度和相位裕度为约束条件,以闭环系统的传递函数的幅频响应曲线中1 Hz处的幅值的最小值为目标函数,进行PID参数求解。经过仿真和实验验证,该方法能够在主动隔振系统稳定的基础上得到隔振效果相对最优的参数。完成了主动隔振系统的主动隔振调试,实验结果显示在实验室环境下,主动隔振平台的隔振频段为0.6-100 Hz,隔振率在3 Hz处达到-20 d B。同时对比了主动隔振台面残余噪声与传感器本底噪声,分析了在0.1-1 Hz频段制约隔振效果未做到传感器本底噪声的原因是因为被动隔振结构的本征频率偏大,要达到隔振需求,被动结构的本征频率要达到0.2 Hz以下。总结来说,本文创新点在于:（1）通过改进被动隔振结构的弹簧和音圈电机的布局设计,提高了竖直方向的交叉轴抑制比。（2）设计了一种低本底噪声的主动隔振控制电路,本底噪声在0.1-10 Hz频段之间都在0.5 ng/√Hz以下,整个控制电路可以满足隔振需求为0.1-10 Hz频段内隔振残余噪声值为0.5 ng/√Hz以上的隔振系统使用。（3）提出了一种基于遗传算法的PID参数整定优化方法,该方法可以针对不同的传感器的相位频率响应情况,在控制系统稳定的条件下,得到隔振效果相对最优的PID参数。
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