一种主被动混合减震文物减震浮放平台的控制方法

摘要

本发明公开了一种主被动混合减震文物减震浮放平台的控制方法，该方法首次将主被动混合减震方法应用于文物保护的防地震研究中。该方法结合了主动减震技术和被动减震技术，可以拥有优于主动减震和被动减震二者任一的控制效果，同时又能弥补单独依靠主动减震或被动减震的不足。可实现在突发地震中减弱地震波对文物的影响，做到文物不倾覆、不滑移、不碰撞，从而保护文物的完整性。该方法主要抑制水平方向的振动传递，即地震波中的横波。地震波中的横波传播速度小于纵波，但是破坏效果远远大于纵波。该装置设置水平方向上正交的X、Y方向的主动控制，有效的通过主动振动控制抑制横波传递给文物的水平加速度分量，速度分量以及位移分量，减弱文物震动，保护文物安全。

主权项

一种主被动混合减震文物减震浮放平台的控制方法，所述主被动混合减震文物减震浮放平台包括由下至上依次叠置的底座、第一滑座和第二滑座，所述第一滑座具有X向自由度，所述第二滑座具有Y向自由度，所述X向和Y向为水平向且水平投影交叉成90度；第一滑座和底座以及第一滑座和第二滑座之间均设有主动减震机构和被动减震机构；所述第一滑座和底座以及它们之间的主动减震机构和被动减震机构构成第一减震平台，所述第一滑座和第二滑座以及它们之间的主动减震机构和被动减震机构构成第二减震平台；所述的主动减震机构包括：沿X向或Y向布置且由电机驱动的丝杆，与所述第一滑座或第二滑座同步运动并与丝杆螺纹配合的滑套，检测底座或第一滑座运动加速度的陀螺仪，所述陀螺仪用于输出控制所述电机的信号；所述的主动减震机构还包括检测第一滑座与滑套的滑动位移的第一直线位移传感器，所述直线位移传感器用于输出控制所述电机的信号；所述底座设有适应第一滑座X向运动的X向导轨，所述第一滑座设有适应第二滑座Y向运动的Y向导轨；所述被动减震机构为弹簧，所述弹簧设置在第一、第二滑座与滑套的连接处。还包括采集卡、第二直线位移传感器和计算机，所述第二直线位移传感器用于检测第一滑座或第二滑座的滑动位移，所述第一直线位移传感器和第二直线位移传感器均与采集卡相连，所述采集卡和陀螺仪与计算机相连。其特征在于，该控制方法包括以下步骤：(1)模型的建立：分别建立第一减震平台和第二减震平台的弹簧—质量—阻尼模型，两模型相同，下面以第一减震平台为例；令底座的加速度ω(t)为：$\omega \left(t\right)={\stackrel{··}{x}}_1\left(t\right)---\left(1\right)$其中，x₁(t)为底座的位移，t为时间；令滑套的加速度为：${\stackrel{··}{x}}_3\left(t\right)=u\left(t\right)+\omega \left(t\right)---\left(2\right)$其中x₃(t)为滑套的位移；u(t)为滑套相对底座的加速度；令第一减震平台的加速度的输出为则有：${\stackrel{··}{x}}_2\left(t\right)=-\frac{k_s}{m_2}\left(x_2\right(t)-x_3(t\left)\right)-\frac{B}{m_2}\left({\stackrel{·}{x}}_2\right(t)-{\stackrel{·}{x}}_1(t\left)\right)---\left(3\right)$式中，k_s弹簧的刚度系数，m₂为第二减震平台的总质量，B为；由式(1)‑式(3)可得到第一减震平台的状态空间模型：$\stackrel{·}{Z}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& \frac{B}{m_2}& -\frac{k_s}{m_2}& -\frac{B}{m_2}& \frac{k_s}{m_2}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]Z+\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 1& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\omega \left(t\right)\\ u\left(t\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$其中，Z为第一减震平台的状态空间变量；第一减震平台的状态空间模型的输出Y为：$Y=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right]\stackrel{·}{Z}=\left[\begin{array}{cccccc}0& \frac{B}{m_2}& -\frac{k_s}{m_2}& -\frac{B}{m_2}& \frac{k_s}{m_2}& 0\end{array}\right]Z---\left(5\right)$(2)控制方案的构建：控制方法采用输出反馈和前馈的方法，控制器采用PID控制器，控制器输出结果G(s)为：$G\left(s\right)=Kp+Ki\frac{1}{s}+Kd\frac{N}{1+N\frac{1}{s}}---\left(6\right)$式中，s为复变量，kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，N为滤波系数；设定允许第一减震平台的最大输出加速度为a_set，将a_set与步骤(1)中的第一减震平台的状态空间模型的输出Y做差值，得到偏差值e＝a_set‑Y；将偏差值e乘以G(s)的时域方程，得到电机的控制量v1；将陀螺仪测量得到的底座加速度通过Kalman滤波器进行滤波处理，得到底座的速度v2，通过前馈通道将该底座的速度v2传递给电机，最终电机控制量为v＝v1+v2；(3)控制流程：(3.1)直线位移传感器获取第一减震平台和底座的相对位移量，通过AD转换后输出给采集卡，计算机读取采集卡采集到的位移量，如果读取到的位移量超出设定的位移阈值时，计算机使电机转动，使滑套复位；(3.2)如果读取到的位移量未超出设定的位移阈值时，计算机将陀螺仪采集到的加速度与设定的加速度阈值进行比较；(3.2.1)如果陀螺仪采集到的加速度超出设定的加速度阈值时，将底座的加速度与a_set做差值，再将该差值作为G(s)的输入量，得到电机的速度控制指令，并下发到电机，控制电机进行减震运动，指令发送完毕后重复步骤(3.1)和步骤(3.2)；(3.2.2)如果陀螺仪采集到的加速度未超出设定的加速度阈值，且地震已停止时，则控制电机执行复位运动，如果已在零位则不运动，重复步骤(3.1)和步骤(3.2)；(3.2.3)如果陀螺仪采集到的加速度未超出设定的加速度的阈值，且地震未停止时，直接重复步骤(3.1)和步骤(3.2)；(3.2.4)如果陀螺仪采集到的加速度未超出设定的加速度阈值，且地震未发生时，计算机使控制电机使滑套复位，并重复步骤(3.1)和步骤(3.2)。