技术领域
[0001] 本
发明属于减震技术领域，涉及博物馆中文物浮放平台的减震技术，尤其涉及一种主被动混合减震文物减震浮放平台的控制方法。
背景技术
[0002] 以馆藏浮放文物为主的可移动文物是先人留给我们的宝贵遗产，具有极其重要的科学、文化和历史价值，保护意义重大。然而在
地震作用下，缺乏防震措施的浮放文物很容易产生破坏。仅以我国2008年汶川8.0级特大地震为例，据不完全统计，仅四川省就有216家文物收藏单位的3169件可移动文物受到不同程度破坏，造成了巨大的价值损失。由此可知，对文物采取有效减震措施，是减轻其震害的重要前提。
[0003] 传统方法多为加固或悬挂方式，多数对文物本身的尺寸、形状以及重量等有较多要求，同时需要对文物本身进行一定改造以满足安置限制条件，此外此类多为经验手段，就控制效果而言，传统方法得到的振动输出效果并不是十分理想。浮放展陈文物防震装置运用先进的科技手段提高地震防范能
力，设计的柜内型防震装置固定放置于博物馆展柜内，陈列文物浮放于产品的
台面上。当出现突发地震时，该产品能有效减小地震对台面的影响，维持文物的稳定浮放，杜绝发生因文物倾覆、文物滑移或台面碰撞展柜内壁造成的文物损坏事故。使用柜内型防震装置，不需改变文物原展陈方式，也无需改造博物馆场地和
陈列柜，因此柜内型防震装置是博物馆对浮放展陈珍贵文物实施防震保护的首选。目前已有的浮放平台减震技术主要采用被动减震技术，控制方案主要为通过弹性材料形变或滑动阻尼消耗振动
能量，因此其要求在浮放底座周围有足够的空间来满足地震时滑动的需要。比如
专利号CN201320448519.7，描述了一种双侧空间受限自触发式隔振台座。地震使其不同平面产生相对运动时通过依靠阻尼耗散
地震波的能量，减小传递到文物上的能量。可以看出被动减震存在一定
缺陷，首先被动减震对耗散能量材料要求较高，材料的特性直接影响到了最终的控制效果；其次，被动减震要求在浮放底座周围有足够长的容许位移，即最大滑动位移，以满足滑动或形变的需求；最后在
断层附近的，长周期、高速振动会导致被动减震控制中孤立层的位移行程加大，使控制效果下降也会受到安置
位置的限制，甚至出现放大
加速度的现象。因此，需要找到一种既可以避免受到上述限制，又可以在地
震中起到良好减震控制效果的控制方法。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的不足，本发明提供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。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：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；
[0006] 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；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 该控制方法包括以下步骤：
[0010] (1)模型的建立：
[0011] 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；
[0012] 令底座的加速度ω(t)为：
[0013]
[0014] 其中，x1(t)为底座的位移，t为时间；
[0015] 令滑套的加速度 为：
[0016]
[0017] 其中x3(t)为滑套的位移；u(t)为滑套相对底座的加速度；
[0018] 令第一减震平台的加速度的输出为 则有：
[0019]
[0020] 式中，ks弹簧的
刚度系数，m2为第二减震平台的总质量，B为；
[0021] 由式(1)-式(3)可得到第一减震平台的
状态空间模型：
[0022]
[0023] 其中，Z为第一减震平台的状态空间变量；
[0024] 第一减震平台的状态空间模型的输出Y为：
[0025]
[0026] (2)控制方案的构建：
[0027] 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：
[0028]
[0029] 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；
[0030] 设定允许第一减震平台的最大输出加速度为aset，将aset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＝aset-Y；将偏差值e乘以G(s)的时域方程，得到电机的控制量v1；
[0031] 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；
[0032] (3)控制流程：
[0033] (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；
[0034] (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；
[0035] (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aset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)；
[0036] (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)；
[0037] (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)；
[0038] (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)。
[0039] 进一步的，所述Kalman滤波器输入向量为[acc*T 0]，其中acc为输入的加速度，参数矩阵A、输入矩阵B、
观测矩阵C、输出矩阵D、模型噪声R、观测噪声P的设定如下：
[0040]
[0041]
[0042] C＝[1 0]
[0043] D＝[1]
[0044]
[0045] Q＝[1]
[0046]
[0048] 本发明的有益效果：本方案为第一个采用混合减震方案的设计，经过振动输入测试，该混合减震平台可有效隔振。当输入的振动的最大加速度约为2.5m/s2时(约为8级地震)，最上层输出的加速度小于1m/s2。实物测试时输入的加速度峰值在2.5m/s2时，平台上倒置的水瓶可较长时间保持倒立，不倾覆。可见该文物防震保护方法可获得优良的控制效果，并且由于之前任一种控制方案的减震效果。
附图说明
[0049] 图1为混合减震文物保护平台的结构示意图；
[0050] 图2为底座结构示意图；
[0052] 图4为电器元件连接图；
[0053] 图5为本发明反馈结合前馈的控制
框图；
[0054] 图6为本发明的主被动混合减震文物减震浮放平台的控制框图。
具体实施方式
[0055] 如图1-4所示，本发明的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如图1，包括由下至上依次叠置的底座3、第一滑座2和第二滑座1，所述的第一滑座2具有X向自由度，所述第二滑座1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2和底座3以及第一滑座2和第二滑座1之间均设有主动减震机构和被动减震机构；所述第一滑座2和底座3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2和第二滑座1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；
[0056] 以底座3一层为例，如图2。所述的主动减震机构包括：沿X向或Y向布置且由电机331、减速箱336及
驱动器38，电机的安装板334，电机驱动的丝杆332，丝杆的固定套335，与所述第一滑座2或第二滑座1同步运动并与丝杆332螺纹配合的滑套333，检测底座3或第一滑座2运动加速度的陀螺仪37，所述陀螺仪37用于输出控制所述电机331的信号；所述的主动减震机构还包括检测第一滑座2与滑套333的滑动位移的第一直线位移传感器36和直线位移传感器连接板343，所述第一直线位移传感器36用于输出控制所述电机331的信号；所述被动减震装置如图2和3所示，包括滑套333，滑套333的第一限位板341和第二限位板342，以及两限位板和滑套之间的弹簧35。
[0057] 所述底座3设有适应第一滑座X向运动的X向导轨31及滑
块32，相对应的所述第一滑座2设有适应第二滑座Y向运动的Y向导轨；所述被动减震机构设置在第一、第二滑座与滑套333的连接处；
[0058] 还包括采集卡、第二直线位移传感器39及其连接板344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；
[0059] 如图6所示，该控制方法包括以下步骤：
[0060] (1)模型的建立：
[0061] 因第一、第二减震平台结构相似却不存在耦合关系，故将其分开建模。将第一减震平台和第二减震平台机械结构简化后，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，第一减震平台和第二减震平台的模型形式相同。以下先对第一减震平台进行简化和建模。底座3的运动状态受到地震输入的加速度影响，下面以第一减震平台为例；
[0062] 令底座3的加速度ω(t)为：
[0063]
[0064] 其中，x1(t)为底座3的位移，t为时间；
[0065] 由于滑套333的位移量是底座3的位移以及滑套333相对底座位移之和，对其两次微分，可得滑套333的加速度 为：
[0066]
[0067] 其中x3(t)为滑套333的位移；u(t)为滑套333相对底座的加速度；
[0068] 第一减震平台的加速度的输出受到弹簧的作用力以及阻尼力的影响，令第一减震平台的加速度的输出为 则有：
[0069]
[0070] 式中，ks弹簧的刚度系数，m2为第二减震平台的总质量，B为第一减震平台和底座相对滑动的阻尼系数；
[0071] 由式(1)-式(3)可得到第一减震平台的状态空间模型：
[0072]
[0073] 其中，Z为第一减震平台的状态空间变量；
[0074] 第一减震平台的状态空间模型的输出Y为：
[0075]
[0076] (2)控制方案的构建：
[0077] 根据所构建的模型以及状态量的状态，选择用输出反馈结合前馈的控制方案，如图5所示；反馈部分，选择被控变量为加速度的输出值，即与第一减震平台的加速度数值；加速度的设定值为确保文物不出现损坏的最大允许加速度值aset；反馈量为第一减震平台的输出的加速度aout，由弹簧35和第一直线位移传感器36测量得到，该实际数值同使用理论值计算得到的数值存在一定差异，此处需要用最小二乘辨识求得直线位移与加速度的相关关系。地震所导致的加速度作为底座的加速度ω(t)，直接作用于机械结构上。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：
[0078]
[0079] 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；该方程为复频域下PID控制器公式，使用时，对该式(6)进行拉普拉斯逆变换。
[0080] 设定允许第一减震平台的最大输出加速度为aset，将aset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＝aset-Y；将偏差值e乘以G(s)的时域方程，得到电机的控制量v1；
[0081] 将陀螺仪37测量得到的底座3的加速度通过Kalman滤波器进行滤波处理，得到底座3的速度v2，通过前馈通道将该底座的速度v2传递给电机331，最终电机控制量为v＝v1+v2；
[0082] 所述Kalman滤波器进行滤波处理的过程如下：
[0083] 前馈部分，陀螺仪37测量得到的底座加速度数值通过Kalman滤波器进行滤波处理，的到底座的速度Vf。Kalman方程递推式如公式(6)：
[0084]
[0085] 式中 为状态x(k+1)的最优估计，A为参数矩阵， 为状态x(k)的最优估计，K为滤波增益矩阵，y(k+1)为系统在k+1时刻的输出，C为观测矩阵。Kalman滤波增益阵K(K+1)满足：
[0086]
[0087] 式中R1与R2为的噪声协方差矩阵，P为观测噪声矩阵，∑(k|k)为估计误差协方差矩阵。
[0088] 估计误差协方差阵∑(k+1|k+1)满足：
[0089]
[0090] 所述Kalman滤波器输入向量为[acc*T 0]，其中acc为输入的加速度，参数矩阵A、输入矩阵B、观测矩阵C、输出矩阵D、模型噪声R、观测噪声P的设定如下：
[0091]
[0092]
[0093] C＝[1 0]
[0094] D＝[1]
[0095]
[0096] Q＝[1]
[0097]
[0098] 式中，T为对底座加速度的采样周期。
[0099] 前馈通道函数以实现反向运动，设为常数-0.99。Vf通过前馈通道函数后得到电机的前馈控制量V2。将电机331的前馈控制量和反馈控制量相加，得到最终的电机控制量V＝V1+V2，并传递给电机驱动器。
[0100] (3)控制流程：
[0101] (3.1)第二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；
[0102] (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；
[0103] (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aset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)；
[0104] (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)；
[0105] (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)；
[0106] (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)。
[0107] 在程序中有如下几点需要设置：
[0108] (1)零位的设定：基于目前机械机构，零位设置为机械行程的中间点，此时底座、第一滑座和第二滑座的外形在竖直方向上的投影重合，并取此第二直线位移传感器的AD转换数值的平均值作为零位，将此数值的
波动范围乘以1.5后设置为零位附近的死区。
[0109] (2)加速度阈值设定：静止状态下分别取陀螺仪采集的X、Y方向加速度的均值，设定为零位，同时将数值的波动范围乘以1.5后设置为零位附近的死区。
[0110] (3)判断地震状态：当陀螺仪采集的加速度均超出设置的加速度零位及死区时，认定正在发生地震；当采集到的加速度超出加速度阈值及死区时，进行对地震是否停止的判别，如果加速度未超出阈值的时间大于等于30秒，则认定地震未发生或已停止；如果加速度超出阈值的时间小于30秒，则认定地震仍在进行中。
[0111] (4)设置控制程序运行周期为2ms。
[0112] 本发明首次采用结合了主动控制减震及被动减震的混合减震方案的减震控制方法，同时结合了主动减震和被动减震方案的优点，优于之前的减震控制方案。相较于现有的传统减震和被动减震方案，具有减震效果好、可应对地震能级高、可应对地震持续时间长、可应对地震
频率广、相对滑动位移小等优点。经过振动输入测试，该混合减震平台可有效
隔震。当输入的震动的最大加速度约为2.5m/s2时(约为8级地震)，最上层输出的加速度小于1m/s2，实物测试时输入加速度峰值在2.5m/s2时平台上倒置的水瓶(农夫山泉东方树叶)可较长时间保持直立，不倾覆，可见该文物防震保护平台可有效完成减震工作。
