The adaptive fuzzy PID control study of active vibration isolation system

Abstract - With the development of space technology, the adverse effects to the spacecraft payload caused by the inevitable vibration from electromechanical system become increasingly prominent. To effectively reduce low frequency vibration, this paper presents a design scheme which takes voice coil motor servo system as active actuator of vibration isolation platform, and for the actual vibration isolation system, it is not possible to establish a precise mathematical model, so the combination of adaptive fuzzy control and PID control are applied to the active vibration isolation system based on voice coil motor. Simulation results show that the self- adaptive fuzzy PID control system has a good stability and anti-jamming capabilities, could isolate external vibration interference in a very wide frequency range, provides new and reasonable control ideas for the complex conditions and high index of control systems.

Index Terms . Voice coil motor, Active actuator, Adaptive fuzzy PID control, Active vibration isolation system

1. INTRODUCTION

In aerospace engineering, the extensive of high-precision instruments are used to perform different tasks. However, there are a lot of spacecraft vibration source, such as flywheels, gyroscopes and accessories drive motors will cause vibration when they work; and with the development of space industries, flexible structure is widely applied in spacecrafts, and the flexible structure is characterized by large deflection, nonlinear, low and dense modal frequency, low damping and so on. While the spacecraft moving (such as large amplitude steering and expansion of flexible attachments), external interference (such as the impact from the solar wind, space dust and space debris) or environmental changing (such as the temperature of spacecraft changing), a dramatic vibration will appear, and vibration will continue for a long time. These low-frequency vibrations will produce damage to spacecraft precision loads and precision instruments. Since the natural frequency of the passive vibration isolation devices cannot be reduced unlimited, it is difficult to effectively isolate the low-frequency and ultra-low frequency vibration signal using the traditional passive vibration isolation. As compared with passive control, active control has strong anti- interference ability through using control Force generated by external energy to control vibration. So the effect of vibration isolation achieved by active control is much better than that achieved by passive control, especially in the low- frequency vibration isolation. Therefore voice coil linear motor is taken as an actuator in active vibration isolation system to suppress the vibration isolation platform in order to improve the precision vibration isolation platform. The research of control program on active vibration isolation system, Dynamics is often adopted to establish double isolation system mathematical model, such as the conventional PID control or fuzzy PID control scheme and so on. But because the parameters of double vibration isolation system exit serious uncertainty and nonlinear, structural model of double vibration isolation system is difficult to accurately determine, besides, the working environment of the controlled objects changes frequently, random noise and so on. Because of above reasons, PID or fuzzy control results are poor. Therefore, we propose self-adaptive fuzzy control scheme, making the fuzzy control parameters and control rules automatically adjust in the control process, modify and improve the performance of the control system to achieve the best results. PID control and self-adaptive fuzzy PID control application voice coil motor experimental study of active vibration isolation system, and active vibration isolation system is stimulated in the horizontal under the active control experiments. The results show that under the low frequency band, two active control methods have good vibration suppression effect, but under the middle frequency, the suppression effect of the self-adaptive fuzzy PID control system is better.

1. THE ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEM

Currently, most of the six degrees of freedom active vibration isolation platform adopt Stewart platform including six actuators, which consists on the table, base and six variable length linear actuator, the actuators are connected respectively through the ball joints or Hooke hinge with the table and the base. By controlling the elongation or shortening of each actuator, the relative motion among the six degrees of freedom between the table and the base can be achieved, and six degrees of freedom vibration isolation can be achieved. Commonly used control method is to proceed static decoupling firstly, then the SISO control for each channel ,the sensors in single degree of freedom active vibration isolation system will transformed interference force or respond of structural vibration into electrical signals, vibration signals are transmitted to the controller through the signal conditioning controller. In controller, the vibration signals are firstly filtered by software and then control signals can be obtained after commutating by the signal control algorithm, through D/A converter, power amplifier the control signals are sent to the actuator, driving actuator to achieve active vibration isolation, active vibration isolation control system is shown in Figure 1.

The actuator in active vibration isolation control system is to transform electricity quantity and other non-mechanical quantities from output of controllers into a strain, displacement, force and other mechanical quantities, in order to achieve the strain driven, displacement-driven, and power-driven on the controlled objects. Targeted active vibration control for on-orbit system actuator should be first strictly

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主动隔振系统的自适应模糊PID控制研究

林燕 刘文定

（北京林业大学 工学院 北京10083）

摘要：随着空间技术的发展，机电系统不可避免的振动对航天器内的仪器设备的不利影响日益突出。为了有效降低低频振动，本文提出了一种采用音圈电机伺服系统作为隔振平台主动作动器的设计方案。对于实际的隔振系统，不可能建立完全精确的数学模型，因此，将自适应模糊控制方法和PID控制方法组合起来应用于基于音圈电机的主动隔振系统。仿真结果表明，自适应模糊PID控制系统具有良好的稳定性和抗干扰能力，能够在很宽的频率范围内隔离外部振动干扰激励，这为条件复杂和高指标要求的控制系统提供了一种新的、合理有效的控制思路。

关键词：音圈电机，主动作动器，自适应模糊PID控制，主动隔振系统

一、引言

在航空航天工程中，高精度仪器被广泛用于执行不同的任务。然而在航天器中却有很多振动源，如飞轮，陀螺仪和配件驱动电机，在工作时会造成振动。随着航天工业的发展，具有大挠度、非线性、低密模态频率，低阻尼等特点的柔性结构被广泛用在航天器中。当航天器移动时（如大幅度转向和扩展柔性附件），外部干扰（如来自太阳风的影响，空间尘埃和空间碎片）或环境变化（如航天器的温度变化），将出现剧烈振动，并且将持续振动一段很长的时间。这些低频振动会对航天器精密负载和精密仪器造成损害。由于无源被动隔振装置的固有频率不能无限降低，因此采用传统的被动隔振方法很难有效地隔离低频和超低频振动信号。与被动控制相比，主动控制通过使用外部能量产生的控制力来控制振动，具有很强的抗干扰能力。所以，采用主动控制方法产生的隔振效果要远远优于被动控制方法，尤其是在隔离低频振动时。因此为了提高隔振平台的精度，将音圈直线电机作为主动隔振系统中的作动器来抑制隔振平台的振动。对主动隔振系统控制程序的研究，动力学常采用建立双隔离系统的数学模型，如常规PID控制或模糊PID控制方案等。但由于双隔振系统的参数存在严重的不确定性和非线性，双隔振系统的结构模型难以准确确定，而且受控对象的工作环境变化频繁，存在随机噪声等。由于上述原因，PID或模糊控制结果很差。因此，我们提出了自适应模糊控制方案，使得模糊控制参数和控制规则在控制过程中自动调整，并自动修正和提高控制系统的性能，以达到最佳效果。 分别将PID控制和自适应模糊PID控制应用于音圈电机主动隔振系统中进行实验研究，并在水平方向上给与主动隔振系统振动激励。结果表明，在低频段，两种主动控制方法具有良好的振动衰减效果；但在中频下，自适应模糊PID控制系统的降振效果更好。

二、主动隔振系统

目前，大多数六自由度主动隔振平台采用Stewart平台，包括六个作动器，包括工作台，底座和六个可变长度线性作动器，作动器分别通过球或胡克铰链与工作台和底座连接。通过控制每个致动器的伸长或缩短，可以实现工作台和底座之间的六个自由度的相对运动，并且可以实现六个自由度的振动隔离。常用的控制方法是先进行静态解耦，然后对每个通道进行SISO控制，单自由度主动隔振系统中的传感器将干扰力或结构振动响应转换成电信号，振动信号通过信号调节控制器被传递给控制器。在控制器中，首先用软件对振动信号进行滤波，然后经过信号控制算法的整流后得到控制信号，通过D / A转换器，功率放大器将控制信号发送给作动器，驱动作动器实现主动隔振，主动隔振控制系统如图1所示。

图 1主动隔振系方案

主动隔振控制系统中的作动器是将从控制器输出的电量等非机械量转变为应变、位移、力等其他机械量，以实现对控制对象的应变驱动、位移驱动和力驱动的目的。在轨系统作动器的定向主动振动控制应首先严格控制，以保证定位精度，如果不能达到初始定位精度，主动隔振效果将偏离预定目标。因此，在作动器的整体结构设计和运动系统和控制系统的设计中，我们需要在保证定位精度的前提下保证执行机构的精度，不能降低精度来提高其他性能;其次，作动器与航天器振动隔离的精密仪器连接在一起，那么表面的刚性结构就变成柔性体，微米级的位移和变形可能到处存在，刚度和精度一样都需要考虑，高刚性是为了保证精度的一致性;最后，运载火箭和运载火箭内部空间的能力有限，航天器的内部空间非常有限，因此要求主动隔振系统结构应简单，体积更小，质量更轻。

近年来，研究人员开发了各种智能作动器，如压电作动器，压电薄膜作动器，电致伸缩作动器，磁致伸缩作动器，形状记忆合金作动器和ER流体装置作动器等。 这些作动器的出现为实现高精度主动隔振控制提供了必要条件。

通过对航天器特定电气环境的分析，系统决定采用音圈电机作为主动隔振系统的作动器，音圈电机属于电磁作动器，具有响应快，位移大，受力大的特点。而音圈电机是一种电机，因此可以采用已经非常成熟的电机控制技术。选用USAS MOTION的VLR0262-0249-00AP音圈线性电机，它是一种MF型具有内磁，动音圈，短音圈的结构的音圈电机。其主要技术指标：力常数为19.9N / A，抗力系数为19.9V / m / s，峰值推力为262N，持续推力为92.2N。 音圈电机控制系统如图2所示。

图 2音圈电机控制系统结构

在主动隔振系统的整个设计阶段，应考虑控制器的独立性，此外，还必须考虑控制器的可扩展性。针对主动隔振系统对控制器的设计要求，并考虑到调试算法的过程，控制算法需要不断修改和完善，控制器采用开放式上下主从控制结构，即下位机采用开放式多轴运动控制器PMAC控制器，上位机通过Visual C 编程实现，上下位机通过串口模式进行通讯。下位机的主要任务是完成传感器数据采集，振动信号的软件过滤，音圈电机的规划以及其他与硬件相关的操作;上位机的主要功能是完成人机交互，实现下位机收集的振动信号的实时显示，实现主动隔振控制算法，并通过发送命令等来调用下位机缓冲区中的数据等。在算法选择和调试中，它非常方便，对于更复杂的算法，高级语言的使用也更容易实现。

下位机PMAC多轴运动控制卡是一种非常强大的开放式控制器，为用户提供两种语言，一种用于运动的语言主要完成与电机相关的所有命令;另一种用于PLC语言，它可以与可编程逻辑控制器（PLC）发挥相同的功能，它可以完成除运动语言之外的所有功能。在作动器和控制算法调试成熟之前，PMAC可以通过串行模式与上位机通信，构成双CPU计算机系统。与运动相关的所有复杂和繁琐的计算都由PMAC处理，上位机可以控制数据采样指令和处理样本数据，根据先进的控制算法生成作动器控制信号，然后以指令形式发送给PMAC执行；在编制和调试PMAC运动程序和相应的编程后，上位机将它们下载到PMAC，PMAC可以独立于上位机完成所有控制工作。

三、自适应模糊PID控制

模糊控制是一种基于模糊数学的数学控制技术，它可以解决传统控制策略无法解决的不确定问题。由于模糊控制具有更好的适应对象参数变化的能力，所以不需要建立对象精确的数学模型。相反，它根据人工控制规则组织决策表，然后由表来决定控制变量的大小，实际上这种控制算法已经被广泛地使用。

然而，模糊控制尤其是一般的模糊控制在实际应用中仍然存在一些局限性，特别是在高性能要求的静态和动态领域。例如，模糊控制系统的稳态质量对目标参数的变化更为敏感；仅使用误差和误差变化率进行基本模糊控制，并且控制论的域级是固定的，它不能使整个系统的稳态误差达到最小限度，而是限制了系统的动态质量；误差和误差变化率的动态变化范围需要重复设定；没有系统的方法来产生规则和自我学习；复杂系统很难得到相对完美的控制规则。

自适应模糊控制器在控制被控过程时，必须了解被控过程，使控制器跟上被控过程和环境的变化，使控制器具有一定的适应变化的能力，这就是智能。将自适应模糊控制与PID控制相结合应用于基于音圈电机的主动隔振系统，自适应模糊PID控制的结构如图3所示。

图 3 模糊自适应PID控制器

在自适应模糊PID控制中增加的模块是由软件完成的，通过反馈不断地调整和提高控制器的性能，使控制过程的效果达到最佳。

模糊控制器控制误差e（t）和误差变化率ec（t）,然后将控制信号u（t）输出到音圈电机、作用于上平台的音圈电机，从而达到隔振的目的。E、EC、U是e（t）、ec（t）、u（t）的对应模糊语言变量，对应的模糊集如下：

其隶属度函数是高斯型。

为了修正控制参数和控制规则，必须对控制性能进行评价，模糊性能评价的定义式是：

其中，OV、RT、AM分别是系统的超调量、上升时间和振荡幅度。

自修正参数系数规则见表1。

表 1自修正参数规则

前片特征		结果
	N	NB	NS	NS	NB
	P	NB	NS	NS	NB
	N	PB	NB	NB	NB
	P	NB	PB	PB	PB
	P	PB	NB	NB	NS

通过实时学习算法对控制规则进行修改，如前一个控制变量过大，则对规则进行如下修正:

通过对主动隔离系统工作过程的分析，确定了模糊控制器的修改规则，如表2所示。

表 2控制规则的修正法则

规则	前片		结果
1	N	N	NB
2	N	O	NM
3	N	P	NS
4	O	N	NS
5	O	O	O
6	O	P	PS
7	P	N	PS
8	P	O	PM
9	P	P	PB

四、主动隔振控制系统的仿真

调整振动台激振峰值为2g，振动信号频率分别为5Hz、10Hz和30Hz。在PC机中启动主动隔振控制软件中的主动控制，根据PC机软件上显示的实时曲线，采用工程整定方法调整主动隔振控制软件中的PID控制器参数，然后观察振动响应信号并记下所有控制参数的值。观察主动隔振后的振动信号，通过采集控制按钮采集主动控制施加的隔离对象的响应信号；当完成PID控制实验数据采集后，在主机软件中发送命令，清除临时下一位多轴运动控制器PMAC电机数据，然后启动自适应模糊控制，模糊控制的自适应和自适应模糊PID控制组成PID控制，重新启用振动信号频率5Hz、10Hz和30Hz，在主动隔振后观察振动信号，采集隔离对象的响应信号。通过采集控制按钮进行采集主动控制的响应信号，数据采集结束后，通过PC软件发送命令，上传PMAC采集的数据。

不同频率的振动响应曲线如图4所示，蓝色虚线为振动干扰信号；红色曲线为PID控制的主动隔振系统振动响应，绿色曲线为自适应模糊PID控制的主动隔振系统振动响应。

（b）10Hz

（a）5Hz

（c）30Hz

图4 振动响应

分别计算了振动干扰信号，得到了PID控制和自适应模糊PID控制后主动隔振系统的均方根值（RMS），结果见表

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资料编号：[1484]