專利名稱：超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種超低頻模態(tài)試驗專用的懸掛系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
低頻或超低頻結(jié)構(gòu)件在模擬失重環(huán)境做動態(tài)試驗需要特殊的懸掛裝置。懸掛裝置 具有以下性能懸掛試件允許質(zhì)量范圍寬；極低剛度；低附加質(zhì)量影響；極低無摩擦力；動 態(tài)試驗的懸掛形式采用懸掛裝置下部引出懸掛鋼纜，懸掛鋼纜下端吊掛試件。一般使用多 個懸掛裝置吊掛同一試件。當(dāng)懸掛鋼纜長度合適，就形成了鐘擺效應(yīng)。水平方向僅受柔性 約束力。太空環(huán)境的一個主要特征是失重。這引出了模擬失重環(huán)境對結(jié)構(gòu)件作動態(tài)試驗的 經(jīng)典問題。試件的重力必須使用懸掛力加以平衡，并且在懸掛力的作用點不引入明顯的動 態(tài)約束力。這些動態(tài)約束力是由懸吊裝置剛度、附加質(zhì)量、摩擦力或振動模態(tài)等引起。它們 會改變試件的模態(tài)振型。能滿足這種精確模擬的條件稱為自由-自由(free-free)邊界條 件。自由-自由邊界條件的獲得基于懸吊裝置的動態(tài)約束力遠小于試件剛度和慣性 產(chǎn)生的力。一個普遍認可的原則是懸吊裝置垂直方向的剛體運動頻率低于試件基頻一個數(shù) 量級。當(dāng)試件基頻大于20Hz時，自由-自由邊界條件較易獲得，將試件懸吊在簡單的線性 彈簧上即可。但是當(dāng)試件基頻接近或低于IHz時，懸掛問題變得極具挑戰(zhàn)性。目前，全世界僅有美國CSA工程公司的型號為60350-DA的模態(tài)測試懸掛系統(tǒng)，該 系統(tǒng)最大懸掛重量621磅，垂直懸吊頻率為0. IHz，該系統(tǒng)已為美國NASA蘭利等研究中心所 用。模態(tài)測試懸掛系統(tǒng)，利用氣動磁浮的原理，充分消除懸掛系統(tǒng)隨動部件對試件的 附加質(zhì)量、附加剛度及附加摩擦的影響。該系統(tǒng)控制部分，包括氣動控制、電磁力控制等全 部以模擬電路實現(xiàn)。懸吊裝置基本原理和結(jié)構(gòu)圖1表示了 CSA公司的懸吊裝置的基本原理由兩個并行的子系統(tǒng)構(gòu)成。一個是 氣動子系統(tǒng)1 ；另一個是電磁子系統(tǒng)2。氣動磁浮懸吊裝置的名字由此而獲得。氣動子系統(tǒng) 1又稱為被動子系統(tǒng)，電磁子系統(tǒng)2又稱為主動子系統(tǒng)。被動子系統(tǒng)由無摩擦氣缸_活塞、 外部儲氣罐、手動精密減壓閥等構(gòu)成。主動子系統(tǒng)由定制的長行程音頻動圈激振器和配套 的功率放大器、位移傳感器和前置放大器及低通濾波器、加速度傳感器和前置放大器及低 通濾波器、高精度壓力傳感器和前置放大器以及壓力波動處理電路、由模擬電路構(gòu)成的控 制器等構(gòu)成。氣動子系統(tǒng)提供恒定的懸掛力以平衡試件的重力，懸掛力的大小是作用在活塞上 的氣壓和活塞面積的乘積。由于活塞面積不變，懸掛力與氣壓成正比。氣壓使用手動精密減 壓閥手工調(diào)節(jié)。電磁子系統(tǒng)提供非接觸的電磁力。以滿足懸吊裝置對微小力的各種需求。圖2是懸掛裝置的簡化模型。圖中力Fp和力Fm分別表示氣動子系統(tǒng)抽象成的空
3氣彈簧的作用力和電磁子系統(tǒng)抽象成的電磁彈簧的作用力。這兩個彈簧的剛度分別用kp 和km表示。阻尼系數(shù)Cp表示精密減壓閥的阻尼作用。試件M的全部重力由僅在垂直方向 運動的特制的無摩擦氣缸_活塞裝置的活塞承受。把氣缸通過氣管連接到儲氣罐使得儲氣 罐的容積成為氣缸容積。這樣空氣彈簧的剛度變得非常小，同時保持承受大載荷試件的能 力。精密減壓閥使得氣缸的平均壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，間接的使得無摩擦氣缸_活塞的懸掛 力穩(wěn)定。小容積變化時，帶精密減壓閥的氣缸-活塞性能象線性彈簧串聯(lián)阻尼裝置。彈簧 的剛度可用熱力學(xué)方程中等熵過程來計算表達。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有模態(tài)測試懸掛系統(tǒng)控制部分采用模擬電路、降低工作頻率、控制精 度低、附加部件對模態(tài)試驗的影響較大的不足，本實用新型提供一種全數(shù)字式控制、提高工 作頻率、提升控制精度，并降低附加部件對模態(tài)試驗的影響的超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，包括模態(tài)試驗懸掛裝置，所述超低頻模態(tài)試驗懸 掛系統(tǒng)還包括用以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和監(jiān)控的監(jiān)控計算機，所述監(jiān)控計算機與以太網(wǎng)路由器連 接，所述模態(tài)試驗懸掛裝置的儲氣罐及氣動動作器連接數(shù)字比例閥和氣壓傳感器，所述數(shù) 字比例閥通過D/A控制模塊與氣壓控制MPU連接，所述氣壓傳感器與所述氣壓控制MPU連 接；所述模態(tài)試驗懸掛裝置的懸掛隨動部件與直線位移編碼器、懸掛力傳感器和電磁力傳 感器連接，所述模態(tài)試驗懸掛裝置的電磁作動器與功率放大器連接，所述直線位移編碼器 與用以將高分辨率直線位移編碼信號轉(zhuǎn)換成加速度信號的CPLD處理模塊，所述CPLD處理 模塊與電磁力控制MPU連接，所述懸掛力傳感器和電磁力傳感器與A/D采樣模塊連接，所述 A/D采樣模塊與所述電磁力控制MPU連接，所述氣壓控制MPU和所述電磁力控制MPU均與所 述模態(tài)懸掛控制MPU連接，所述模態(tài)懸掛控制MPU與以太網(wǎng)控制器連接，所述以太網(wǎng)控制器 與以太網(wǎng)連接。進一步，所述模態(tài)試驗懸掛裝置還包括無線手持式人機界面，所述無線手持式人 機界面與PSK調(diào)試模塊連接，所述PSK調(diào)試模塊與無線收發(fā)控制MPU連接，所述無線收發(fā)控 制MPU與所述模態(tài)懸掛控制MPU連接。再進一步，所述模態(tài)懸掛控制MPU接受監(jiān)控計算機或無線手持式人機界面發(fā)送的 命令，將控制命令及參數(shù)分別傳遞給響應(yīng)電磁力控制MPU或氣壓控制MPU，并將各MPU采集 的傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器連接到網(wǎng)絡(luò)路由器傳送到監(jiān)控計算機或無線手 持式人機界面。更進一步，所述氣壓控制MPU氣壓傳感器采集的氣壓值及氣壓設(shè)定參數(shù)，控制數(shù) 字比例閥，從而改變儲氣罐氣壓，模擬空氣彈簧功能。再進一步，所述電磁力控制MPU，用以模擬電磁彈簧，并實現(xiàn)對慢速響應(yīng)的氣壓控 制進行補償、懸掛裝置中心位置保持。本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為整個超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)連接最多10臺獨立的 模態(tài)試驗懸掛裝置構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)路由器實現(xiàn)多臺計算機與網(wǎng)絡(luò)上的所有模態(tài)懸掛 裝置連接，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測模態(tài)試驗懸掛裝置的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對任一臺懸掛裝置參數(shù) 設(shè)置與控制。每臺計算機均可對任何一臺懸掛裝置進行參數(shù)設(shè)置及控制、實時數(shù)據(jù)采集、曲線繪制并顯示每臺懸掛裝置工作狀態(tài)。每臺懸掛裝置都是一個由多處理器構(gòu)成的獨立的智 能采樣控制系統(tǒng)，每個控制器間通過SPI串行總線以主從方式實現(xiàn)互聯(lián)，各個控制器分布、 協(xié)調(diào)工作。所述手持式人機界面通過640*360彩色液晶顯示器實現(xiàn)；檢測數(shù)據(jù)及曲線顯示， 通過液晶顯示屏上安裝的觸摸屏接受用戶參數(shù)及控制命令輸入，通過觸摸屏控制器連接入 手持式人機界面MPU，手動編碼器#1和手動編碼器#2實現(xiàn)設(shè)定值的粗調(diào)和精調(diào)設(shè)定，并通 過CPLD處理模塊實現(xiàn)將編碼器信號轉(zhuǎn)換并傳送至手持式人機界面MPU。通過PSK調(diào)制模塊 實現(xiàn)無線收發(fā)。由于懸掛裝置安裝位置在10多米高的平臺上，而模態(tài)試驗對象在地面，因此在模 態(tài)試驗過程中每臺懸掛裝置的參數(shù)調(diào)節(jié)極不方便，通過無線手持式人機界面能在地面實現(xiàn) 對懸掛裝置所有參數(shù)的調(diào)節(jié)，既避免了上下來回跑，又能實時看到懸掛裝置的全部工作狀 態(tài)。通過獨立的操作界面，采用彩色液晶顯示屏顯示每臺懸掛裝置的工作狀態(tài)及參數(shù)、數(shù)據(jù) 與曲線，通過觸摸屏操作懸掛裝置，由手動編碼器通過CPLD實現(xiàn)對參數(shù)的方便靈活調(diào)整。 用戶在每臺懸掛裝置調(diào)整過程中，可以方便直觀地看到調(diào)整效果，因為采用的是數(shù)字式控 制，所有參數(shù)均可精確量化，既可以直接在裝置上調(diào)節(jié)，也可以通過計算機實現(xiàn)遠程操作。每臺懸掛裝置均可同時對氣壓、電磁力、懸掛力、位移等信號進行采集及數(shù)據(jù)處 理，采用特定的數(shù)字算法對上述傳感器數(shù)據(jù)及設(shè)置參數(shù)進行運算，最終獲取氣壓和電磁作 動器控制值，實現(xiàn)精確實時控制，以滿足模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)。由于整個懸掛裝置為超低頻，運動過程中加速度變化值很小，采用加速度傳感器 時噪聲信號干擾易導(dǎo)致系統(tǒng)失控，因此而設(shè)計專用的CPLD處理模塊，將高分辨率直線位移 編碼器信號處理成加速度信號，代替加速度傳感器實現(xiàn)隨動部件的慣性力抑制功能。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在1、能較大幅度降低裝置的工作頻率，提高控 制精度，降低附加部件對模態(tài)試驗的影響；2、通過數(shù)字式控制系統(tǒng)，減少了控制環(huán)節(jié)中外界 擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，所有參數(shù)可精確量化，操作簡便直觀，同一系統(tǒng)內(nèi)各裝置間一致 性好。

圖1為超低頻懸掛裝置原理圖。圖2為超低頻懸掛裝置簡化模型。圖3為模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖4為單臺懸掛裝置結(jié)構(gòu)圖。圖5為無線手持式人機界面結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖1 圖5，一種超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，包括模態(tài)試驗懸掛裝置，所述超 低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)還包括用以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和監(jiān)控的監(jiān)控計算機，所述監(jiān)控計算機與 以太網(wǎng)路由器連接，所述模態(tài)試驗懸掛裝置的儲氣罐及氣動動作器連接數(shù)字比例閥和氣壓 傳感器，所述數(shù)字比例閥通過D/A控制模塊與氣壓控制MPU連接，所述氣壓傳感器與所述氣壓控制MPU連接；所述模態(tài)試驗懸掛裝置的懸掛隨動部件與直線位移編碼器、懸掛力傳感 器和電磁力傳感器連接，所述模態(tài)試驗懸掛裝置的電磁作動器與功率放大器連接，所述直 線位移編碼器與用以將高分辨率直線位移編碼信號轉(zhuǎn)換成加速度信號的CPLD處理模塊， 所述CPLD處理模塊與電磁力控制MPU連接，所述懸掛力傳感器和電磁力傳感器與A/D采樣 模塊連接，所述A/D采樣模塊與所述電磁力控制MPU連接，所述氣壓控制MPU和所述電磁力 控制MPU均與所述模態(tài)懸掛控制MPU連接，所述模態(tài)懸掛控制MPU與以太網(wǎng)控制器連接，所 述以太網(wǎng)控制器與以太網(wǎng)連接。進一步，所述模態(tài)試驗懸掛裝置還包括無線手持式人機界面，所述無線手持式人 機界面與PSK調(diào)試模塊連接，所述PSK調(diào)試模塊與無線收發(fā)控制MPU連接，所述無線收發(fā)控 制MPU與所述模態(tài)懸掛控制MPU連接。再進一步，所述模態(tài)懸掛控制MPU接受監(jiān)控計算機或無線手持式人機界面發(fā)送的 命令，將控制命令及參數(shù)分別傳遞給響應(yīng)電磁力控制MPU或氣壓控制MPU,并將各MPU采集 的傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器連接到網(wǎng)絡(luò)路由器傳送到監(jiān)控計算機或無線手 持式人機界面。更進一步，所述氣壓控制MPU氣壓傳感器采集的氣壓值及氣壓設(shè)定參數(shù)，控制數(shù) 字比例閥，從而改變儲氣罐氣壓，模擬空氣彈簧功能。再進一步，所述電磁力控制MPU，用以模擬電磁彈簧，并實現(xiàn)對慢速響應(yīng)的氣壓控 制進行補償、懸掛裝置中心位置保持。如圖3所示的模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)最多可連接10臺模態(tài)試驗懸掛裝置，各個懸掛裝 置與上位計算機間通過以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通過網(wǎng)絡(luò)路由器實現(xiàn)接入計算機，可 同時連接多臺計算機，接成一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的集中遠程監(jiān)測與控制。每臺懸掛裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過4MPU實現(xiàn)對懸掛裝置的協(xié)同控制，其中“氣壓 控制MPU”和“電磁力控制MPU”分別模擬空氣彈簧和電磁彈簧的作用，無線收發(fā)控制器”實 現(xiàn)對無線手持式人機界面的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收?！澳B(tài)裝置控制MPU”作為SPI通訊主控制器， 接受上位機發(fā)送的命令，將控制命令及參數(shù)分別傳遞給相應(yīng)MPU，并將各MPU采集的傳感器 數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器連接到網(wǎng)絡(luò)并傳送到計算機。每個“手持式人機界面”連 接獨立的液晶屏，可顯示該裝置工作數(shù)據(jù)與曲線，各設(shè)置參數(shù)與工作狀態(tài)，同時該MPU還連 接觸摸屏和手動編碼器，實現(xiàn)參數(shù)獨立輸入，并通過PSK調(diào)制模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。“氣壓控制MPU”主要實現(xiàn)高精度氣壓傳感器采樣和數(shù)字比例閥控制，從而實現(xiàn)空 氣彈簧功能。其中的氣壓傳感器為高精度數(shù)字式，采用RS-485接口直接輸出數(shù)字信號。MPU 將該值作為依據(jù)，并根據(jù)用戶設(shè)定的工況控制輸出DA值，由DA值控制數(shù)字比例閥實現(xiàn)精 密氣壓控制?！半姶帕刂芃PU”主要實現(xiàn)電磁彈簧的作用。同時還實現(xiàn)對慢速響應(yīng)的氣壓 控制進行補償、懸掛裝置中心位置保持以及消除隨動部件附加質(zhì)量的影響等控制。如圖4 所示結(jié)構(gòu)圖中，使用的非接觸式直線位移編碼器用于實現(xiàn)懸掛裝置位移檢測，圖中的“ CPLD 處理模塊”將采集編碼器數(shù)值并轉(zhuǎn)化為位移值傳送給“電磁力控制MPU”，同時采用特定的算 法計算加速度值，替代加速度傳感器實現(xiàn)加速度與位移、力值的同步采集。
權(quán)利要求一種超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，包括模態(tài)試驗懸掛裝置，其特征在于所述超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)還包括用以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和監(jiān)控的監(jiān)控計算機，所述監(jiān)控計算機與以太網(wǎng)路由器連接，所述模態(tài)試驗懸掛裝置的儲氣罐及氣動動作器連接數(shù)字比例閥和氣壓傳感器，所述數(shù)字比例閥通過D/A控制模塊與氣壓控制MPU連接，所述氣壓傳感器與所述氣壓控制MPU連接；所述模態(tài)試驗懸掛裝置的懸掛隨動部件與直線位移編碼器、懸掛力傳感器和電磁力傳感器連接，所述模態(tài)試驗懸掛裝置的電磁作動器與功率放大器連接，所述直線位移編碼器與用以將高分辨率直線位移編碼信號轉(zhuǎn)換成加速度信號的CPLD處理模塊，所述CPLD處理模塊與電磁力控制MPU連接，所述懸掛力傳感器和電磁力傳感器與A/D采樣模塊連接，所述A/D采樣模塊與所述電磁力控制MPU連接，所述氣壓控制MPU和所述電磁力控制MPU均與所述模態(tài)懸掛控制MPU連接，所述模態(tài)懸掛控制MPU與以太網(wǎng)控制器連接，所述以太網(wǎng)控制器與以太網(wǎng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，其特征在于所述模態(tài)試驗懸掛裝 置還包括無線手持式人機界面，所述無線手持式人機界面與PSK調(diào)試模塊連接，所述PSK調(diào) 試模塊與無線收發(fā)控制MPU連接，所述無線收發(fā)控制MPU與所述模態(tài)懸掛控制MPU連接。
3.如權(quán)利要求2所述的超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，其特征在于所述模態(tài)懸掛控制MPU 接受監(jiān)控計算機或無線手持式人機界面發(fā)送的命令，將控制命令及參數(shù)分別傳遞給響應(yīng)電 磁力控制MPU或氣壓控制MPU，并將各MPU采集的傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器 連接到網(wǎng)絡(luò)路由器傳送到監(jiān)控計算機或無線手持式人機界面。
4.如權(quán)利要求2所述的超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，其特征在于所述氣壓控制MPU氣 壓傳感器采集的氣壓值及氣壓設(shè)定參數(shù)，控制數(shù)字比例閥，從而改變儲氣罐氣壓，模擬空氣 彈簧功能。
5.如權(quán)利要求1 4之一所述的超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，其特征在于所述電磁力 控制MPU，用以模擬電磁彈簧，并實現(xiàn)對慢速響應(yīng)的氣壓控制進行補償、懸掛裝置中心位置保持。
專利摘要一種超低頻模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)，包括模態(tài)試驗懸掛裝置、用以實現(xiàn)遠程監(jiān)測和監(jiān)控的監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機與以太網(wǎng)路由器連接，儲氣罐及氣動動作器與氣壓控制MPU連接，懸掛隨動部件與直線位移編碼器、懸掛力傳感器和電磁力傳感器連接，電磁作動器與功率放大器連接，直線位移編碼器與CPLD處理模塊，CPLD處理模塊與電磁力控制MPU連接，懸掛力傳感器和電磁力傳感器與電磁力控制MPU連接，氣壓控制MPU和電磁力控制MPU均與模態(tài)懸掛控制MPU連接，模態(tài)懸掛控制MPU與以太網(wǎng)控制器連接，以太網(wǎng)控制器與以太網(wǎng)連接。本實用新型全數(shù)字式控制、提高工作頻率、提升控制精度，并降低附加部件對模態(tài)試驗的影響。
文檔編號G01D11/02GK201731894SQ201020214510
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者任安業(yè), 單曉杭, 吳文英, 孫建輝, 張利, 李廣誠, 汪慶武, 狄文斌, 王揚渝, 王治易, 謝明峰, 趙國軍, 鄒義成, 郭家驊, 高志松 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)