该文档是关于一种多自由度超低频振动隔离系统的研究论文，发表于《Measurement》期刊，文章标题为”Multi-degree-of-freedom ultra-low frequency vibration isolation system for precision devices with decoupled control”。本文的主要作者为来自上海交通大学的谢希玲、郑世若、王双利和张智毅，主要研究机构为上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室以及振动冲击与噪声研究所。
随着精密制造和测量技术的不断进步，诸如光刻机和电子显微镜等高精度设备对环境中的低频背景振动尤为敏感。低频振动主要由人行走、车辆移动或机器运行引起，其频率通常低于10 Hz。为了保证这些精密设备的正常工作，研究人员必须设计有效的振动隔离系统，尤其是在超低频（<1Hz）范围内的振动隔离技术方面，已经进行了数十年的研究。
传统的振动隔离技术如橡胶隔振器、气弹簧和钢索隔振器已被广泛应用，但它们在共振区存在不可避免的振动放大问题。为解决这一问题，近年来，研究者们开发了诸如高静低动隔振器、准零刚度隔振器和超材料隔振器等新型隔振技术。然而，这些技术仍存在一些限制，如在共振频率下的振动放大和准零刚度区域有限等问题。因此，为了进一步提升超低频隔振性能，本文研究提出了结合主动控制与被动控制的多自由度超低频振动隔离系统。
本研究的目标是开发一种能够适应不同工作模式（操作模式与运输模式）的多自由度超低频振动隔离系统。该系统的设计旨在提高振动隔离的性能，特别是在超低频范围内的隔振效果。
本文提出了一种基于膜片波纹管隔振器与电磁驱动器相结合的多自由度超低频振动隔离系统。该系统使用膜片波纹管隔振器来承受静态载荷，而电磁驱动器用于施加控制力。此外，还采用了可变刚度的辅助隔振器，使得系统能够在操作模式和运输模式之间切换。
系统由四个被动膜片波纹管隔振器、四个电磁驱动器以及四个可变刚度的辅助隔振器组成。被动隔振器安装在平台的四个角落，用于支撑载荷，而电磁驱动器则安装在平台的四边中部，用于施加控制力。辅助隔振器用于在运输模式下提供额外的刚度。这些隔振器与驱动器共同作用，实现了系统在操作模式下的超低频隔振，并在运输模式下提供足够的刚度以保证设备安全运输。
研究通过建立多自由度振动隔离系统的动态模型来分析其振动特性。模型采用哈密顿广义变分原理，考虑了系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和外部力向量。模型中的关键参数如被动隔振器和辅助隔振器的刚度和阻尼系数均在文中详细列出。
通过对模型的计算分析，研究者得到了系统在不同模式下的固有频率和模态振型。在操作模式下，系统的主隔振方向（z方向）的固有频率为3.0 Hz，而在运输模式下，该频率提高到8.0 Hz。此外，研究还分析了系统的振动传递特性，通过对基座输入位移的响应计算得出，系统在操作模式下的振动隔离性能明显优于运输模式。
为了进一步提升系统在超低频范围内的隔振性能，本文提出了一种宽频振动控制方法。该方法结合了反馈控制与前馈控制，基于驱动-测量状态解耦的多通道控制设计，以扩展振动隔离频带并提高隔振性能。
在反馈控制中，采用了负加速度反馈和负速度反馈。通过相位修正模块对混合的加速度和速度信号进行处理，以补偿低频范围内的相位滞后，从而实现对平移振动模式和翻转振动模式的有效控制。前馈控制则利用基座的振动加速度响应信号，通过信号调理形成控制力，以进一步抑制载荷平台的振动。
通过数值模拟和实验验证，研究表明该系统在超低频范围内的振动隔离性能显著。数值模拟结果显示，系统在2 Hz下的振动衰减可以达到20 dB以上。而实验结果也验证了系统在不同控制模式下的振动隔离效果，尤其是在结合反馈和前馈控制后，系统在1 Hz和2 Hz处的传递率分别达到了-8.3 dB和-21.9 dB。
实验还表明，系统的振动隔离区域在反馈控制下得到了扩展，而在结合反馈与前馈控制后，隔振性能进一步提升。
本研究提出的多自由度超低频振动隔离系统不仅在正常操作模式下具有良好的隔振效果，还能够在运输模式下提供足够的刚度以保护高精度设备的安全。通过结合反馈和前馈控制，该系统在超低频范围内表现出优异的振动隔离性能，为精密设备的稳定运行提供了有力保障。
创新性设计：结合膜片波纹管隔振器和电磁驱动器，实现了多自由度的超低频振动隔离，并通过可变刚度的辅助隔振器适应不同工作模式。
多通道宽频控制方法：提出了基于驱动-测量状态解耦的多通道宽频振动控制方法，有效提升了系统的振动隔离性能。
实验验证：通过实际的实验装置验证了系统的隔振效果，进一步证明了该设计的可行性与实用性。
总之，该研究为未来精密设备的振动控制提供了重要的理论基础和实践经验，具有较高的应用价值。