專利名稱：變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)及利用該實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，更具體地說涉及一種變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)及利用該實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法。
背景技術(shù)：
“中心剛體+撓性附件”是一類在實際工程中具有廣泛代表性的撓性結(jié)構(gòu)，也是動力學(xué)與控制研究的典型對象。作為動力學(xué)建模研究來說，在精度要求不高時一般采用伯努利-歐拉梁模型，精度要求較高時則應(yīng)當(dāng)考慮轉(zhuǎn)動慣量的剪切力影響的Timoshenko梁模型，而更嚴(yán)格的模型是同時考慮了幾何非線形和材料非線形的有限變形梁。到底采用什么模型？怎樣離散化？剛體與彈性體之間、及其同控制之間如何耦合？以及系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性等，這些都需要通過全物理實驗來進(jìn)行研究和驗證。實驗的目的，從動力學(xué)角度看主要是研究剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的力學(xué)特性，從控制角度看主要是研究在附件振動影響下能否實現(xiàn)對中心剛體姿態(tài)角運(yùn)動的控制目標(biāo)。
此外，長期以來，結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化是影響系統(tǒng)動力學(xué)控制的重要因素，而撓性振動是其中最典型的表現(xiàn)形式。幾十年來，由于對撓性振動沒有考慮或考慮不夠而造成工程上的故障及任務(wù)失敗的例子不勝枚舉。所以加強(qiáng)撓性結(jié)構(gòu)全物理控制實驗研究迫在眉睫。將剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)變參數(shù)智能控制技術(shù)研究的結(jié)果通過更完善的全物理仿真實驗進(jìn)行比較驗證，具有及其重要的現(xiàn)實意義。
然而，目前國內(nèi)外這類實驗裝置的技術(shù)現(xiàn)狀并不理想。其中David B S，Daniel B E.所著的Experiment demonstration ofthe flexible sructures.J.Guidance(第7卷，1984年第5號)描述了早期的撓性結(jié)構(gòu)實驗，由于沒有采取抵消重力影響的適當(dāng)措施，所以測得的頻率和振型不是撓性板自身的；狼嘉彰，木田隆等所著的《大型撓性衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制的實驗研究》(日本航空宇宙學(xué)會志，1987年，第407號，第35卷，第569-576頁)中介紹的實驗系統(tǒng)采用了氣浮臺技術(shù)，因此解決了上述重力影響問題，但是其電源是由地面通過外加纜索接入的，達(dá)不到對象模型的純粹性。剛體姿態(tài)角由三腳架上的攝像機(jī)測量，依賴于地面信息計算處理，達(dá)不到測控功能的獨(dú)立性；李季蘇，牟小剛所著的《撓性結(jié)構(gòu)物理仿真研究》等文獻(xiàn)所介紹的實驗系統(tǒng)在對象模型的純粹性和測控功能的獨(dú)立性方面有了一定的改進(jìn)，但由于獨(dú)立測量和無線通訊等技術(shù)條件的限制，所以實驗效果并不能令人滿意。
尤其需要強(qiáng)調(diào)的是，目前已有的實驗設(shè)備都不具備模型參數(shù)的可調(diào)性和時變性，因此理論參考和工程應(yīng)用價值都不大。具體地說，在現(xiàn)有的實驗裝置中，僅僅只能通過在每次實驗中更換撓性功能模板或增減配重等做法來改變系統(tǒng)剛?cè)狁詈舷禂?shù)、模態(tài)頻率等關(guān)鍵參數(shù)。并且在每次實驗中都是通過人工操作給撓性板施加干擾，因此每次實驗中干擾力矩的大小都不一樣，這導(dǎo)致實驗結(jié)果不一致。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以達(dá)到對象模型的純粹性、測控功能的獨(dú)立性和模型參數(shù)的可調(diào)性與時變性的目標(biāo)。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種利用上述變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)手段實現(xiàn)的。
本發(fā)明提供一種變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，包括氣源及由氣浮臺和氣浮軸承組成的氣浮裝置；剛性主體；主體噴氣力矩執(zhí)行裝置；撓性附件裝置；主體角運(yùn)動測量裝置；信號調(diào)理及數(shù)顯裝置；通訊測控裝置；其中，所述撓性附件裝置與所述剛性主體固連在一起，所述主體噴氣力矩執(zhí)行裝置包括依次相連的儲氣瓶、主體送氣管路、主體電磁閥和主體噴嘴；儲氣瓶安裝在剛性主體底部，主體噴嘴固定設(shè)置在撓性附件裝置上；所述剛性主體、主體噴氣力矩執(zhí)行裝置、撓性附件裝置、主體角運(yùn)動測量裝置及信號調(diào)理數(shù)顯裝置安裝在由氣浮軸承浮起的與地面隔離的氣浮臺上；其中，所述撓性附件裝置包括撓性附件支架、可伸縮撓性附件和約束夾緊部件，其中附件支架與剛性主體固連，約束夾緊部件固連在附件支架兩端，可伸縮撓性附件穿過約束夾緊部件可伸縮地連接在撓性附件支架上；可伸縮撓性附件與約束夾緊部件之間滑動配合；所述主體角運(yùn)動測量裝置為感應(yīng)同步器，該同步器的輸出端與所述信號調(diào)理及數(shù)顯裝置通過導(dǎo)線電連接；所述測控通訊裝置包括固連在剛性主體內(nèi)的現(xiàn)場計算機(jī)和采用無線方式與該現(xiàn)場計算機(jī)通訊的地面主計算機(jī)；所述實驗系統(tǒng)還包括用于為該實驗系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)干擾力矩的撓性結(jié)構(gòu)小推力驅(qū)動裝置，該裝置可移動地安裝在撓性附件裝置的可伸縮撓性附件端部。
本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的第一個改進(jìn)之處在于所述撓性附件裝置中的撓性附件支架是一個固連在剛性主體兩側(cè)的對稱桁架支撐件，該支撐件由底梁、側(cè)梁和頂梁連接構(gòu)成；所述可伸縮撓性附件包括驅(qū)動部件、傳動部件、撓性附件組合件，其中驅(qū)動部件是步進(jìn)電機(jī)，傳動部件由滾珠絲杠和套筒組成，滾珠絲杠兩端固定在桁架支撐件的底梁上；步進(jìn)電機(jī)固連在桁架支撐件底梁一端并與滾珠絲杠同軸連接；所述撓性附件組合件包括撓性模板和與其一端固連的運(yùn)動滑塊，該運(yùn)動滑塊與套筒固連且可滑動地安裝在桁架支撐件底梁上。
本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的第二個改進(jìn)之處在于所述約束夾緊部件包括托架、固連在該托架內(nèi)的夾緊組合和支撐組合；其中托架為方框形且固連在所述撓性附件支架兩端，夾緊組合由成對設(shè)置在托架兩側(cè)內(nèi)壁的相對位置處的夾緊件組成，支撐組合由設(shè)置在托架底板上的支撐件組成；所述撓性模板穿過托架，且其兩側(cè)與夾緊件之間滑動配合，該撓性模板底面與支撐件之間滑動配合。
本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的第三個改進(jìn)之處在于所述夾緊組合由四對滾珠軸承構(gòu)成，且該滾珠軸承分別通過各自的軸承架固連在托架側(cè)壁上，所述支撐組合由一個滾針軸承構(gòu)成，且該滾針軸承通過其軸承架固連在托架的底板上。
本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的第四個改進(jìn)之處在于所述感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子固定安裝在氣浮臺底部，定子固定安裝在一個與剛性主體通過一根中空管固連的底盤上，定子的輸出經(jīng)由一個直接前級放大器并通過設(shè)置在該中空管中的所述導(dǎo)線與所述信號調(diào)理和數(shù)顯裝置電連接。
本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的第五個改進(jìn)之處在于所述撓性結(jié)構(gòu)小推力驅(qū)動裝置包括可移動限位部件、閥門、噴氣部件和送氣管路；其中可移動限位部件與噴氣部件固連，閥門連接在送氣管路上，該送氣管路一端與噴氣部件相連，另一端通過一個三通管接頭與所述主體送氣管路相連。
本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的第六個改進(jìn)之處在于所述閥門是通過現(xiàn)場計算機(jī)以脈寬調(diào)制信號進(jìn)行控制的電磁閥，所述噴氣部件具有噴氣方向相反的兩個噴嘴，且該噴嘴的口徑為所述主體噴氣力矩執(zhí)行裝置中主體噴嘴口徑的0.2倍。
此外，本發(fā)明還提供一種利用上述實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法。
本發(fā)明的實驗方法包括下列步驟(1)對氣浮軸承供氣以浮起氣浮臺，以便將所述剛性主體及與其連接的其他裝置浮起與地面隔離；(2)向所述現(xiàn)場計算機(jī)輸入控制程序；(3)現(xiàn)場計算機(jī)依據(jù)所述控制程序執(zhí)行對實驗系統(tǒng)中各裝置的控制，并采集相關(guān)實驗數(shù)據(jù)；(4)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理；其中，所述控制程序由主計算機(jī)通過無線通訊的方式發(fā)送給現(xiàn)場計算機(jī)，該現(xiàn)場計算機(jī)讀取控制程序中的模態(tài)參數(shù)用以控制所述撓性附件裝置中撓性模板的伸縮，和讀取該控制程序中的干擾力矩參數(shù)用以控制所述撓性小推力驅(qū)動裝置所產(chǎn)生的干擾力矩；現(xiàn)場計算機(jī)從所述信號調(diào)理和數(shù)顯裝置中直接采集剛性主體角運(yùn)動信號并通過無線通訊方式將此信號傳送給主計算機(jī)進(jìn)行處理。
本發(fā)明的實驗方法的第一個改進(jìn)之處在于所述撓性模態(tài)參數(shù)是用于控制撓性附件裝置中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈寬調(diào)制波參數(shù)和用于控制該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的計數(shù)器參數(shù)；所述干擾力矩參數(shù)是用于控制撓性小推力驅(qū)動裝置中電磁閥開關(guān)的脈寬調(diào)制參數(shù)。
本發(fā)明的實驗方法的第二個改進(jìn)之處在于現(xiàn)場計算機(jī)的軟件系統(tǒng)包括駐留軟件模塊和當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊，其中駐留軟件模塊用于保留現(xiàn)場計算機(jī)與主計算機(jī)之間的通訊并執(zhí)行當(dāng)前軟件運(yùn)行軟件模塊；現(xiàn)場計算機(jī)將主計算機(jī)傳送過來的參數(shù)和指令嵌入駐留軟件模塊中以形成當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊，并依據(jù)所形成的該當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊讀取所述參數(shù)和指令以便對實驗系統(tǒng)中的相應(yīng)裝置進(jìn)行控制；駐留軟件模塊可通過接收主計算機(jī)的指令刪除和更換當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊。
本發(fā)明的實驗系統(tǒng)和實驗方法可帶來如下有益效果本發(fā)明的動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)的相似實驗系統(tǒng)相比，由于在結(jié)構(gòu)和控制方面的大膽突破，所以能夠較完滿地完成前述的對象模型的純粹性、測控功能的獨(dú)立性和模型參數(shù)的可調(diào)性與時變性的目標(biāo)。具體來說，將實驗臺浮起，并把測量剛性主體角運(yùn)動的感應(yīng)同步器的輸出直接接到實驗臺上，以及主計算機(jī)和現(xiàn)場計算機(jī)采用無線方式進(jìn)行通訊，這些特點(diǎn)都使得系統(tǒng)可滿足對象模型的純粹性和測控功能的獨(dú)立性的要求。同時，采用可伸縮撓性附件裝置和撓性小推力驅(qū)動裝置則成功地解決了傳統(tǒng)的類似實驗系統(tǒng)中參數(shù)無法時變的難題。
根據(jù)本實驗系統(tǒng)的第一至第三個改進(jìn)之處，所述撓性附件裝置中的撓性附件可伸縮，即夾緊部件7和運(yùn)動滑塊6之間的撓性附件由于其平面外的運(yùn)動受到約束夾緊部件7的限制，因此不產(chǎn)生振動，而夾緊部件7以外的部分可以自由振動。由于撓性附件的有效振動長度隨著撓性附件的伸縮發(fā)生變化，因此導(dǎo)致實驗系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量、耦合參數(shù)及振動頻率同時發(fā)生了變化。由此在實驗過程中達(dá)到系統(tǒng)主要參數(shù)時變的目的。
根據(jù)本實驗系統(tǒng)的第四個改進(jìn)之處，將所述感應(yīng)同步器反裝，即該同步器的直接前級放大輸出接到實驗臺上并由現(xiàn)場計算機(jī)直接采集角度處理信號。因而無需像傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)中那樣，將定子裝在轉(zhuǎn)子的上方，主體角運(yùn)動信號必須傳送到地面上另行處理。這就使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，并且保證了被控對象的純粹性與測控功能的獨(dú)立性。
根據(jù)本發(fā)明的第五和第六個改進(jìn)之處，利用所述撓性結(jié)構(gòu)小推力驅(qū)動裝置為實驗系統(tǒng)提供相同的干擾力矩，從而避免了以往實驗中由操作人員人為給撓性板干擾，使得每次實驗的干擾力矩都不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致實驗結(jié)果不一致的弊端。同時，該裝置還實現(xiàn)了撓性結(jié)構(gòu)邊界(點(diǎn))控制的噴氣方式。
根據(jù)本發(fā)明的實驗方法，在一次完整的實驗過程中，本發(fā)明的實驗系統(tǒng)可脫離實驗人員的人為控制自主進(jìn)行實驗，可由現(xiàn)場計算機(jī)直接采集主體角運(yùn)動參數(shù)而無需由地面附加裝置測量該角運(yùn)動數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對象模型的純粹性和測控功能獨(dú)立性的目的。此外，在實驗過程中還可根據(jù)需要隨時改變相關(guān)動力學(xué)或控制實驗參數(shù)達(dá)到實驗系統(tǒng)參數(shù)時變的目的。
根據(jù)本發(fā)明的實驗方法的第一個改進(jìn)之處，可通過改變撓性附件裝置的可伸縮附件的伸縮方向和伸縮速率達(dá)到實驗系統(tǒng)的剛?cè)狁詈舷禂?shù)、模態(tài)頻率、振動阻尼等關(guān)鍵參數(shù)時變的目的；還可通過改變撓性小推力驅(qū)動裝置中噴氣控制電磁閥的開關(guān)來改變其所產(chǎn)生的干擾力矩。
根據(jù)本發(fā)明的實驗方法的第二個改進(jìn)之處，在每個實驗循環(huán)過程中，無需實驗人員的介入本發(fā)明的實驗系統(tǒng)就可以獨(dú)立完成實驗。并且可以通過主計算機(jī)向現(xiàn)場計算機(jī)發(fā)送不同的控制運(yùn)行軟件而實現(xiàn)不同模式的實驗，如可進(jìn)行仿真實驗、遙控實驗等，且同一模式實驗中的實驗條件也可以實現(xiàn)時變，因而在變參數(shù)動力學(xué)和控制實驗研究中意義重大。
附圖簡要說明下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。其中

圖1是本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)中由現(xiàn)場計算機(jī)所控制的實驗臺部分的示意圖；圖2是本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的撓性附件裝置中約束夾緊部件處的部分側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的主體角運(yùn)動測量裝置中感應(yīng)同步器的安裝結(jié)構(gòu)簡圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實驗方法的流程示意圖。
具體實施例方式參照圖1。圖1是本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)中由現(xiàn)場計算機(jī)所控制的實驗臺部分的示意圖。從圖中可看出，該實驗裝置在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的，因此在此僅描述一側(cè)的結(jié)構(gòu)即可。如圖1所示，打開實驗系統(tǒng)氣源后，氣浮軸承2動作將剛性主體4和撓性附件桁架支撐件3，以及安裝在剛性主體內(nèi)4內(nèi)的其他實驗裝置浮起并與地面隔離。這樣就可以無接觸地托起整個動力學(xué)系統(tǒng)，克服自身重力影響，模擬動力學(xué)系統(tǒng)的自由運(yùn)動。所述撓性附件裝置由桁架支撐件3、固連在該支撐件3兩端的撓性附件以及約束夾緊部件7組成。其中桁架支撐件3對稱安裝在剛性主體4兩側(cè)并由頂梁、底梁和側(cè)梁連接構(gòu)成，撓性附件包括用作驅(qū)動裝置的步進(jìn)電機(jī)5，用作傳動裝置的滾珠絲杠及其套筒13，和由撓性模板8及固連在其一端的運(yùn)動滑塊6組成的撓性附件組合件。其中步進(jìn)電機(jī)5固連在桁架支撐件3的底梁一端且與滾珠絲杠13同軸連接，該滾珠絲杠13兩端用滾珠軸承固定在桁架支撐件3的底梁上。運(yùn)動滑塊6與滾珠套筒固連，并通過滾針式平動軸承安裝在桁架支撐件3的底梁上。步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動產(chǎn)生驅(qū)動力，通過滾珠絲杠和套筒13帶動運(yùn)動滑塊6在桁架支撐件3的底梁上作直線平動，從而帶動撓性模板8沿水平方向作伸縮運(yùn)動。在桁架支撐件底梁端部安裝有夾緊部件7，用于夾緊穿過其中的撓性模板8(將在下文結(jié)合圖2詳細(xì)說明)。在本實施例中，可由主計算機(jī)設(shè)置脈寬調(diào)制波參數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)5的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制撓性模板8的伸縮速率，并由該主計算機(jī)設(shè)置現(xiàn)場計算機(jī)內(nèi)的一個計數(shù)器的工作狀態(tài)來控制該撓性模板8的伸縮方向。撓性模板8可以是鋼板、鋁板或帶方孔的鋁板等多種形式。下列表1示出了采用這種可伸縮撓性附件裝置的實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。
表1 關(guān)鍵參數(shù)變化范圍結(jié)果 從表1中可看出，本實驗系統(tǒng)各個關(guān)鍵參數(shù)都有較大的變化范圍。所以就可以根據(jù)理論研究和實際需要，并按照任務(wù)模型將運(yùn)動滑塊6伸縮到適當(dāng)位置，與要求的模型參數(shù)相匹配，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)和動力學(xué)控制實驗。這樣實現(xiàn)的參數(shù)可調(diào)性是以往僅僅通過更換撓性功能模板或增減配重等做法難以比擬的。
此外，桁架支撐件3側(cè)梁上安裝有用于為剛性主體4提供執(zhí)行力矩的電磁閥及主體噴嘴12?？捎晌挥趧傂灾黧w4內(nèi)部的現(xiàn)場計算機(jī)(未示出)控制電磁閥開關(guān)，選擇正反相噴氣，由此使主體實現(xiàn)正反相旋轉(zhuǎn)。在桁架支撐件3的頂梁上安裝有一天線11，用于在實驗中實現(xiàn)地面主計算機(jī)(未示出)與現(xiàn)場計算機(jī)之間的無線通訊。而且，在撓性模板8的端部設(shè)置有撓性結(jié)構(gòu)小推力驅(qū)動裝置。該裝置包括一個可沿?fù)闲阅０?端部移動的夾緊限位部件20、一個具有正反兩個方向噴嘴的噴氣部件21、送氣管路和控制電磁閥。經(jīng)由一個三通管接頭從主體4的噴氣力矩執(zhí)行裝置的主體噴嘴12前端引出一分支，給本驅(qū)動裝置供氣。可用一個夾子或類似部件將夾緊限位部件20固定在撓性模板8板端部不同位置處。該裝置中噴氣部件噴嘴的口徑最好為所述主體噴氣執(zhí)行力矩執(zhí)行裝置中主體噴嘴12口徑的0.2倍。所述控制電磁閥由現(xiàn)場計算機(jī)通過脈寬調(diào)制進(jìn)行控制，因而可根據(jù)實驗需要提供各種標(biāo)準(zhǔn)干擾力矩。
如圖1所示，由于本實驗系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格對稱，故另一側(cè)結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與上述相應(yīng)部分的內(nèi)容相同，在此不再贅述。
參照圖2。圖2是本發(fā)明變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)的撓性附件裝置中約束夾緊部件處的部分側(cè)視圖。在圖中，撓性模板8穿過方框形的托架14，該托架14固連在桁架支撐件3的底梁端部。在托架14兩側(cè)內(nèi)壁上相對位置處固定地設(shè)置有兩對夾緊件9，9′和10，10′，在托架14的底板上固定設(shè)置有一支撐件15。適當(dāng)調(diào)整夾緊件9，9′之間和10，10′之間的距離及支撐件15的安裝高度，以使得撓性模板8與夾緊件和支撐件之間實現(xiàn)滑動配合，即當(dāng)撓性模板8在作伸縮運(yùn)動時，夾緊件9，9′和10，10′將該模板8夾緊，而支撐件15將該撓性模板8托住。由此能夠確保在夾緊模板8的同時不影響其伸縮性能，所以能限制撓性附件的振動。在本實施例中，夾緊件可選用滾珠軸承，支撐件可選用滾針軸承。
參照圖3。圖3是主體角運(yùn)動測量裝置感應(yīng)同步器的裝配示意圖。與工程上的慣用方式相比，這種裝配方式實現(xiàn)了定轉(zhuǎn)子反裝。在圖中，定子18和轉(zhuǎn)子19安裝在氣浮軸承2的底部氣浮臺1(如圖1所示)中。其中定子18固定安裝在底盤22上，該底盤22通過一中空管17與剛性主體4固連；轉(zhuǎn)子19通過一連接件24固定安裝在氣浮臺1底部。定子18輸出的主體角運(yùn)動信號通過一個前級放大器23直接連接到由氣浮軸承4浮起的實驗臺上，并由現(xiàn)場計算機(jī)直接采集角度信號并進(jìn)行相應(yīng)處理，隨后響應(yīng)主計算機(jī)的指令將處理過的角運(yùn)動信號發(fā)送到主計算機(jī)。
參照圖4，圖4是根據(jù)本發(fā)明的實驗方法的流程示意圖。實驗開始后，主計算機(jī)先進(jìn)行辨識、初始化，現(xiàn)場計算機(jī)(即從機(jī))進(jìn)行通信、計數(shù)器初始化；然后主計算機(jī)通過無線通訊方式向現(xiàn)場計算機(jī)發(fā)送開始控制指令；隨后，主計算機(jī)打開存儲文件，根據(jù)需要選擇控制程序，進(jìn)入控制循環(huán)。在一個控制循環(huán)周期中，現(xiàn)場計算機(jī)根據(jù)由主計算機(jī)發(fā)送過來的控制程序(該程序中包括有關(guān)數(shù)據(jù)及控制指令)對相關(guān)實驗裝置進(jìn)行控制，即驅(qū)動相關(guān)控制電磁閥；然后讀取由所述感應(yīng)同步器測得的剛性主體4的角運(yùn)動參數(shù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，最后將這些數(shù)據(jù)打包并發(fā)送給主計算機(jī)。主計算機(jī)接收現(xiàn)場計算機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行辨識和控制參數(shù)計算，根據(jù)對數(shù)據(jù)計算和分析的結(jié)果，并結(jié)合實驗?zāi)康暮鸵?，向現(xiàn)場計算機(jī)發(fā)送相應(yīng)控制數(shù)據(jù)和指令，從而進(jìn)入新一輪動力學(xué)或控制實驗循環(huán)。其中所述的參數(shù)包括控制撓性附件裝置中撓性模板伸縮方向的計數(shù)器參數(shù)、控制該模板伸縮速率的脈寬調(diào)制波參數(shù)，以及控制撓性小推力驅(qū)動裝置中電磁閥開關(guān)的脈寬調(diào)制波參數(shù)。現(xiàn)場計算機(jī)接收到這些控制參數(shù)后就可以對撓性模板的伸縮及撓性小推力驅(qū)動裝置所產(chǎn)生的干擾力矩的大小和方向進(jìn)行控制。同時，主計算機(jī)接收來自現(xiàn)場計算機(jī)的剛性主體角運(yùn)動數(shù)據(jù)并根據(jù)實際需要調(diào)整控制所述主體噴氣控制電磁閥的脈寬調(diào)制信號，以便改變主體噴氣力矩的大小和方向。通過上述參數(shù)的設(shè)置以及對參數(shù)和相關(guān)控制指令的執(zhí)行，就可以達(dá)到在一次實驗中控制主體運(yùn)行姿態(tài)和比較不同實驗條件下不同實驗結(jié)果的目的。
現(xiàn)場計算機(jī)的軟件系統(tǒng)包括駐留軟件模塊(可稱之為“殼”軟件)和當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊(可稱之為“內(nèi)核”軟件)，現(xiàn)場計算機(jī)電源一起動，就自動運(yùn)行其“殼”軟件，即環(huán)境軟件?，F(xiàn)場計算機(jī)具有接收內(nèi)核、開始執(zhí)行內(nèi)核、停止執(zhí)行內(nèi)核和退出系統(tǒng)等功能，由主計算機(jī)發(fā)送遙控通訊命令來決定現(xiàn)場計算機(jī)具體執(zhí)行哪種功能。相應(yīng)地，主計算機(jī)可進(jìn)行上傳內(nèi)核、開始執(zhí)行內(nèi)核、停止執(zhí)行內(nèi)核、下載數(shù)據(jù)和退出系統(tǒng)等命令操作?，F(xiàn)場計算機(jī)和主計算機(jī)都有自己相應(yīng)的內(nèi)核(數(shù)據(jù))駐留文件夾。在進(jìn)行所述內(nèi)核軟件和有關(guān)數(shù)據(jù)通訊傳送的過程中，只需起動“上傳內(nèi)核”命令，所述“殼”軟件便自動執(zhí)行“接收內(nèi)核”功能模塊，把從主計算機(jī)內(nèi)核軟件中駐留文件夾傳來的文件代碼放置在現(xiàn)場計算機(jī)的內(nèi)核(數(shù)據(jù))駐留文件夾中，以便覆蓋原來的內(nèi)核文件夾。于是，下次再執(zhí)行“內(nèi)核”軟件時，便是執(zhí)行最新傳來的內(nèi)核文件。必須強(qiáng)調(diào)，只有不退出所述“殼”軟件這一環(huán)境軟件的前提下，才能完成上述功能。
利用本發(fā)明的實驗系統(tǒng)和實驗方法可以進(jìn)行對稱安裝與不對稱安裝撓性結(jié)構(gòu)動力學(xué)實驗和各種控制實驗，可以進(jìn)行撓性附件伸縮過程中的動力學(xué)與控制方法實驗研究，可以做振動抑制實驗也可以做大角度機(jī)動實驗，可以針對有關(guān)型號任務(wù)在一定程度上進(jìn)行控制方案的實驗驗證。同時，可以用于對航天器控制工程師進(jìn)行控制系統(tǒng)培訓(xùn)、以及用于幫助高校自控專業(yè)學(xué)生掌握典型控制系統(tǒng)。
雖然上文結(jié)合實施例對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離附后的所要求保護(hù)的范圍和精神的前提下，本發(fā)明還可以有各種變化和實施方式。
權(quán)利要求
1.一種變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，包括氣源及由氣浮臺和氣浮軸承組成的氣浮裝置；剛性主體；主體噴氣力矩執(zhí)行裝置；撓性附件裝置；主體角運(yùn)動測量裝置；信號調(diào)理及數(shù)顯裝置；通訊測控裝置；其中，所述撓性附件裝置與所述剛性主體固連在一起，所述主體噴氣力矩執(zhí)行裝置包括依次相連的儲氣瓶、主體送氣管路、主體電磁閥和主體噴嘴；儲氣瓶安裝在剛性主體底部，主體噴嘴固定設(shè)置在撓性附件裝置上；所述剛性主體、主體噴氣力矩執(zhí)行裝置、撓性附件裝置、主體角運(yùn)動測量裝置及信號調(diào)理數(shù)顯裝置安裝在由氣浮軸承浮起的與地面隔離的氣浮臺上，其特征在于所述撓性附件裝置包括撓性附件支架、可伸縮撓性附件和約束夾緊部件，其中附件支架與剛性主體固連，約束夾緊部件固連在附件支架兩端，可伸縮撓性附件穿過約束夾緊部件可伸縮地連接在撓性附件支架上；可伸縮撓性附件與約束夾緊部件之間滑動配合；所述主體角運(yùn)動測量裝置為感應(yīng)同步器，該同步器的輸出端與所述信號調(diào)理及數(shù)顯裝置通過導(dǎo)線電連接；所述測控通訊裝置包括固連在剛性主體內(nèi)的現(xiàn)場計算機(jī)和采用無線方式與該現(xiàn)場計算機(jī)通訊的地面主計算機(jī)；所述實驗系統(tǒng)還包括用于為該實驗系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)干擾力矩的撓性結(jié)構(gòu)小推力驅(qū)動裝置，該裝置可移動地安裝在撓性附件裝置的可伸縮撓性附件端部。
2.如權(quán)利要求1所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，其特征在于所述撓性附件裝置中的撓性附件支架是一個固連在剛性主體兩側(cè)的對稱桁架支撐件，該支撐件由底梁、側(cè)梁和頂梁連接構(gòu)成；所述可伸縮撓性附件包括驅(qū)動部件、傳動部件、撓性附件組合件，其中驅(qū)動部件是步進(jìn)電機(jī)，傳動部件由滾珠絲杠和套筒組成，滾珠絲杠兩端固定在桁架支撐件的底梁上；步進(jìn)電機(jī)固連在桁架支撐件底梁一端并與滾珠絲杠同軸連接；所述撓性附件組合件包括撓性模板和與其一端固連的運(yùn)動滑塊，該運(yùn)動滑塊與套筒固連且可滑動地安裝在桁架支撐件底梁上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，其特征在于所述約束夾緊部件包括托架、固連在該托架內(nèi)的夾緊組合和支撐組合；其中托架為方框形且固連在所述撓性附件支架兩端，夾緊組合由成對設(shè)置在托架兩側(cè)內(nèi)壁的相對位置處的夾緊件組成，支撐組合由設(shè)置在托架底板上的支撐件組成；所述撓性模板穿過托架，且其兩側(cè)與夾緊件之間滑動配合，該撓性模板底面與支撐件之間滑動配合。
4.如權(quán)利要求3所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，其特征在于所述夾緊組合由四對滾珠軸承構(gòu)成，且該滾珠軸承分別通過各自的軸承架固連在托架側(cè)壁上，所述支撐組合由一個滾針軸承構(gòu)成，且該滾針軸承通過其軸承架固連在托架的底板上。
5.如權(quán)利要求1或2所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，其特征在于所述感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子固定安裝在氣浮臺底部，定子固定安裝在一個與剛性主體通過一根中空管固連的底盤上，定子的輸出經(jīng)由一個直接前級放大器并通過設(shè)置在該中空管中的所述導(dǎo)線與所述信號調(diào)理和數(shù)顯裝置電連接。
6.如權(quán)利要求1或2所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，其特征在于所述撓性結(jié)構(gòu)小推力驅(qū)動裝置包括可移動限位部件、閥門、噴氣部件和送氣管路；其中可移動限位部件與噴氣部件固連，閥門連接在送氣管路上，該送氣管路一端與噴氣部件相連，另一端通過一個三通管接頭與所述主體送氣管路相連。
7.如權(quán)利要求6所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)，其特征在于所述閥門是通過現(xiàn)場計算機(jī)以脈寬調(diào)制信號進(jìn)行控制的電磁閥，所述噴氣部件具有噴氣方向相反的兩個噴嘴，且該噴嘴的口徑為所述主體噴氣力矩執(zhí)行裝置中主體噴嘴口徑的0.2倍。
8.一種以權(quán)利要求1所述的變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法，包括下列步驟(1)、對氣浮軸承供氣以浮起氣浮臺，以便將所述剛性主體及與其連接的其他裝置浮起與地面隔離；(2)、向所述現(xiàn)場計算機(jī)輸入控制程序；(3)、現(xiàn)場計算機(jī)依據(jù)所述控制程序執(zhí)行對實驗系統(tǒng)中各裝置的控制，并采集相關(guān)實驗數(shù)據(jù)；(4)、對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理；其特征在于所述控制程序由主計算機(jī)通過無線通訊的方式發(fā)送給現(xiàn)場計算機(jī)，該現(xiàn)場計算機(jī)讀取控制程序中的模態(tài)參數(shù)用以控制所述撓性附件裝置中撓性模板的伸縮，和讀取該控制程序中的干擾力矩參數(shù)用以控制所述撓性小推力驅(qū)動裝置所產(chǎn)生的干擾力矩；現(xiàn)場計算機(jī)從所述信號調(diào)理和數(shù)顯裝置中直接采集剛性主體角運(yùn)動信號并通過無線通訊方式將此信號傳送給主計算機(jī)進(jìn)行處理。
9.如權(quán)利要求8所述的控制實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法，其特征在于所述撓性模態(tài)參數(shù)是用于控制撓性附件裝置中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈寬調(diào)制波參數(shù)和用于控制該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的計數(shù)器參數(shù)；所述干擾力矩參數(shù)是用于控制撓性小推力驅(qū)動裝置中電磁閥開關(guān)的脈寬調(diào)制參數(shù)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的控制實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法，其特征在于現(xiàn)場計算機(jī)的軟件系統(tǒng)包括駐留軟件模塊和當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊，其中駐留軟件模塊用于保留現(xiàn)場計算機(jī)與主計算機(jī)之間的通訊并執(zhí)行當(dāng)前軟件運(yùn)行軟件模塊；現(xiàn)場計算機(jī)將主計算機(jī)傳送過來的參數(shù)和指令嵌入駐留軟件模塊中以形成當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊，并依據(jù)所形成的該當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊讀取所述參數(shù)和指令以便對實驗系統(tǒng)中的相應(yīng)裝置進(jìn)行控制；駐留軟件模塊可通過接收主計算機(jī)的指令刪除和更換當(dāng)前運(yùn)行軟件模塊。
全文摘要
一種變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng),包括:氣源及由氣浮臺和氣浮軸承組成的氣浮裝置;剛性主體;主體噴氣力矩執(zhí)行裝置;性附件裝置;主體角運(yùn)動測量裝置;信號調(diào)理及數(shù)顯裝置;通訊測控裝置;撓性附件裝置與所述剛性主體固連在一起,所述剛性主體、主體噴氣力矩執(zhí)行裝置、撓性附件裝置、主體角運(yùn)動測量裝置及信號調(diào)理數(shù)顯裝置安裝在由氣浮軸承浮起的與地面隔離的氣浮臺上。這種系統(tǒng)可以達(dá)到對象模型的純粹性、測控功能的獨(dú)立性和模型參數(shù)的可調(diào)性與時變性的目標(biāo)。同時本發(fā)明提供的利用上述變參數(shù)動力學(xué)與控制實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗的方法簡單,控制精度較高,延時時間較短。
文檔編號G01M99/00GK1358993SQ0114494
公開日2002年7月17日 申請日期2001年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月24日
發(fā)明者李智斌, 吳宏鑫, 王曉磊, 李季蘇, 容伊, 郝永波, 張洪華, 李通生, 肖今雄, 于志杰, 解永春, 楊天安, 邢琰 申請人:北京控制工程研究所