CN107144409B - 旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置及方法，属于柔性梁振动控制领域。该装置包括配重柔性梁部分、振动及振动干扰信号检测部分、步进电机驱动控制部分和磁流变阻尼振动控制部分。配重柔性梁一端通过夹具固定在刚性传动轴上，在步进电机驱动下，做旋转运动。质量块在柔性梁上位置可调，用于改变柔性梁的基频与转动惯量；在柔性梁靠近机械加紧装置根部粘贴应变片，用于检测柔性梁的弯曲振动。本发明装置用于模拟空间柔性旋转附件驱动不稳定引起的振动及其干扰的测量与控制，集多传感信号反馈和磁流变可控阻尼抑振技术，通过运行相应的控制算法，实现对不平稳驱动激励下的低速旋转柔性梁刚柔耦合系统振动的半主动控制。
Description
技术领域
本发明属于柔性梁振动控制领域，涉及旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置及方法。
背景技术
旋转柔性梁系统模型在实际工程中有着广泛的应用，尤其体现在含大尺寸附件的航天器中的应用上，如含大尺寸太阳翼、天线等航天器。这一类附件展开面积大，质心远离航天器本体，具有跨度大、厚度薄、刚度低、阻尼弱等特点，在航天器的太空工作过程中，这类附件容易受到各种干扰而引起振动。如果不能快速的抑制这些振动，将影响航天器运行的稳定性与指向精度，导致系统工作性能下降，甚至直接威胁着航天器的运行安全。尽管含大尺寸附件航天器的振动控制受到了国内外的广泛关注，然而对于其大尺寸附件驱动引起的在平衡点附近的小幅值刚柔耦合振动的研究却相对较少，而这类耦合振动在实际航天工作中常会进一步诱发航天器的微振动，影响航天器的工作性能，特别是高精度航天器。因此，研究驱动作用下的旋转梁刚柔耦合系统的振动半主动控制成为了当今国内外普遍关注而富有挑战的重要课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置及方法。设计质量块可移动的柔性梁，通过在不同位置进行配重，改变柔性振动系统的转动惯量与振动基频，可以研究柔性系统自身结构对刚柔耦合振动的影响。通过对步进电机的转速控制，改变步进电机的驱动方式，实现配重柔性梁在不同运动工况下的刚柔耦合振动分析，采用旋转磁流变阻尼器来进行柔性梁的刚柔耦合振动控制，其具有控制响应快、阻尼连续可调、能耗低、质量小、结构紧凑、鲁棒性好、可靠性高等诸多特点，特别适合于航天器上各种附件的振动控制应用。通过对柔性振动、旋转振动及干扰力矩的多反馈信息综合，得出系统所需阻尼力矩，再利用磁流变阻尼器进行统一控制，对旋转柔性梁刚柔耦合系统实现多输入但输出的半主动振动控制。同时，各个固定面板在测试台架上的相对位置可调，实现扭矩传感器、阻尼器的选型设计。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，包括配重柔性梁部分、振动及振动干扰信号检测部分、步进电机驱动控制部分和磁流变阻尼振动控制部分；
所述配重柔性梁部分为：柔性梁(3)一端通过机械夹持装置(6)与刚性传动轴连接，刚性传动轴由谐波减速器(15)输出轴、扭矩传感器(11)输入及输出轴、磁流变阻尼器(8)输入及输出轴和机械夹持装置(6)输入轴通过刚性联轴器(7)构成，柔性梁(3)另一端通过螺栓(1)固定调节好位置的质量块(2)进行配重；
所述振动及振动干扰信号检测部分为：应变片传感器(4)粘贴在柔性梁靠近机械夹持装置一段的根部，角加速度传感器(5)安装于刚性传动轴的末端，扭矩传感器(11)安装于谐波减速器(15)与磁流变阻尼器(8)之间；
所述应变片传感器(4)检测配重柔性梁的弯曲振动信号，角加速度传感器(5)检测刚性传动轴的旋转加速度信号及扭矩传感器(11)检测刚性传动轴上的振动干扰力矩信号，通过信号接收模块(12)处理后，输入到计算机(13)得到反馈信号；
所述步进电机驱动控制部分为：步进电机(18)固定于步进电机固定面板(17)上，步进电机 (18)的输出轴通过刚性联轴器(7)连接到谐波减速器(15)的输入轴，谐波减速器(15)固定于谐波减速器固定面板(14)上，谐波减速器(15)输出轴通过刚性联轴器与扭矩传感器(11)的输入轴相连，所述步进电机(17)采用速度控制方式与步进电机驱动器(16)相连接，步进电机驱动器(16) 与计算机(13)相连，用于步进电机的转速控制，实现对配重柔性系统的旋转驱动；
所述磁流变阻尼器振动控制部分为：磁流变阻尼器(8)固定于磁流变阻尼器固定面板(9) 上，磁流变阻尼器(8)输入轴通过刚性联轴器与扭矩传感器(11)的输出轴相连，磁流变阻尼器(8) 输出轴通过刚性联轴器(7)与柔性梁的机械夹持装置(6)的输入轴相连，磁流变阻尼器(8)线圈与磁流变阻尼器驱动器(10)相连，用于调节磁流变阻尼器输出的阻尼力矩，磁流变阻尼器驱动器(10)与计算机(13)相连接，用于磁流变阻尼器阻尼力矩的控制。
进一步，所述配重柔性梁有2根，对称的安装于机械夹持装置两边；所述柔性梁上的配重具体由4个质量块构成，分别位于2个柔性梁一端的正反面，利用上下两颗螺栓使质量块夹紧固定于柔性梁上；所述质量块在柔性梁上位移，实现柔性梁的转动惯量与基频的匹配。
进一步，所述应变片传感器有两片安装于配重悬臂梁固定端的中心线上，其线束朝向刚性传动轴。
进一步，所述角加速度传感器安装于刚性传动轴末端。
进一步，所述扭矩传感器安装于谐波减速器与磁流变阻尼器之间，扭矩传感器底座固定于测试台架支架(19)上。
进一步，所述磁流变阻尼器固定面板、谐波减速器固定面板及步进电机固定面板在测试台架支架(19)上并实现上下移动。
进一步，所述磁流变阻尼器安装于刚性旋转轴上，位于扭矩传感器与机械夹持装置之间。
进一步，所述磁流变阻尼器驱动器、信号接收模块及步进电机驱动器均集成在一张板卡上。
进一步，所述计算机与步进电机驱动器相连接，控制步进电机的驱动方式，实现柔性梁匀速、加速及减速的旋转运动。
旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制方法，该方法包括以下步骤：
S1：进行柔性梁的转动惯量与基频的匹配计算，调节固定好梁上的质量块；
S2：计算机发布控制信号给步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动步进电机旋转；
S3：利用应变片传感器检测到配重柔性梁的弯曲振动信号，角加速度传感器检测到刚性传动轴的旋转振动信号及扭矩传感器检测到振动干扰力矩；
S4：采集到的信号经过信号接收模块的放大与滤波处理后，输送给计算机；
S5：计算机根据弯曲振动信号、旋转振动信号及振动干扰力矩信号进行控制算法运算，得出相应的阻尼力矩需求，并进一步通过磁流变阻尼器的逆向动力学模型，得出磁流变阻尼器的电流需求信号；
S6：计算机发布电流需求信号给磁流变阻尼器驱动器，磁流变阻尼器驱动器产生相应电流输送给磁流变阻尼器，磁流变阻尼器产生对应的阻尼力矩，达到抑制柔性梁刚柔耦合系统振动的目的。
该控制方法为多通道检测单通道控制MISO系统检测控制，综合考虑系统的柔性振动信号、刚性旋转振动信号及振动所产生的干扰信号，采用基于磁流变阻尼技术的半主动控制方式进行旋转柔性梁刚柔耦合系统振动控制。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明装置利用位置可调的配重柔性梁可以进行转动惯量与基频的匹配修改，更好地模拟航天器柔性附件的实际运动情况；同时，利用步进电机的速度控制，控制配重柔性梁的驱动方式，实现对不同工况下的刚柔耦合振动的分析与控制，为旋转柔性梁刚柔耦合振动的研究提供更加准确而全面的实验平台，达到更接近实际情况的控制效果。
(2)针对旋转柔性梁的刚柔耦合振动特点，本发明装置和控制方法综合考虑柔性振动，刚性旋转振动及振动产生的干扰信号，避免了单一信号决策的局限性；同时，利用刚柔耦合振动特性，采用磁流变阻尼器进行半主动振动控制，可以同时抑制柔性振动，刚性旋转振动及振动产生的干扰，从而实现全面、低能耗、控制方便的振动抑制效果。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为磁流变阻尼器结构示意图；
图3为本发明控制方法的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量装置，包括配重柔性领部分、振动及其干扰信号检测部分、步进电机驱动控制部分及磁流变阻尼器振动控制部分；
——配重柔性梁部分：
配重柔性梁系统由两根含可移动质量块(2)的柔性梁(3)组成，所述柔性梁(3)一端固定质量块(2)，另一端通过机械夹持装置(6)与刚性传动轴连接，刚性传动轴由谐波减速器(15)输出轴、扭矩传感器(11)输入及输出轴、磁流变阻尼器(8)输入及输出轴和机械夹持装置(6)输入轴通过刚性联轴器(7)构成；
柔性梁采用不锈钢材料，弹性模量和密度分别为E＝206Gpa，ρ＝7900kg/m3，柔性梁的长、宽、厚分别为：l＝500mm，b＝28mm，h＝0.9mm，质量块重675g，质量块上下打两个Φ3.5mm 通孔，孔距38mm，通过螺栓，将位于梁正反两面的两个质量块加紧固定于柔性梁上。
柔性梁的基频与转动惯量的匹配方程为
其中，α＝m0/m为质量块质量与梁质量之比，β＝ρω2/EI，为梁的截面惯性矩。
——振动及振动干扰信号检测部分：
包括应变片传感器(4)、角加速度传感器(5)及扭矩传感器(11)，
所述包括应变片传感器(4)采用4片应变片组成全桥电路，分别粘贴在柔性梁靠近机械夹持装置(6)一端中心线上，距离固定端15mm的位置，检测配重柔性梁的弯曲振动信号，所述角加速度传感器(5)安装于刚性传动轴末端的机械装置(6)上，所选择的角加速度传感器采用多圈绝对值编码器RS485，检测刚性传动轴旋转的角加速度信号，所述扭矩传感器(11)安装于谐波减速器(15)与磁流变阻尼器(8)之间，所选扭矩传感器是上海隆旅电子科技的 LONGLV-WTQ1050A动态微扭矩传感器，检测刚性传动轴上的振动干扰力矩信号，柔性梁的弯曲振动信号、刚性传动轴的角加速度信号及振动干扰的扭矩信号传递给信号接收模块(12)，信号接收模块(12)对接收到的信号进行放大、滤波等处理后，输送给计算机计算进行存储、分解及控制运算；
——步进电机驱动控制部分：
包括步进电机(18)、谐波减速器(15)及步进电机驱动器(16)。所述步进电机(18)固定于步进电机固定面板(17)上，步进电机型号为80ST-M02430，电机的转速范围为0～1000r/min，额定功率为750W，步进电机(18)的输出轴通过刚性联轴器(7)连接到减速比为100:1的谐波减速器(15)的输入轴，谐波减速器(15)固定于谐波减速器固定面板(14)上，谐波减速器(15)输出轴通过刚性联轴器(7)与扭矩传感器(11)的输入轴相连，所述步进电机(17)采用速度控制方式与步进电机驱动器(16)相连接，步进电机驱动器(16)与计算机(13)相连，用于步进电机的转速控制，实现对配重柔性系统的旋转驱动；
——磁流变阻尼器振动控制部分：
包括磁流变阻尼器(8)及磁流变阻尼器驱动器(10)，所述磁流变阻尼器(8)固定于磁流变阻尼器固定面板(9)上，磁流变阻尼器(8)输入轴通过刚性联轴器(7)与扭矩传感器(11)的输出轴相连，磁流变阻尼器(8)输出轴通过刚性联轴器(7)与柔性梁的机械夹持装置(6)的输入轴相连，磁流变阻尼器(8)线圈与磁流变阻尼器驱动器(10)相连，磁流变阻尼器驱动器(10)与计算机(13)相连接，计算机(13)接收检测信号，计算出期望阻尼力矩，并转换成电流需求，使磁流变阻尼器驱动器(10)输出相应电流给磁流变阻尼器(8)，磁流变阻尼器(8)输出对应阻尼力矩，实现旋转柔性梁的刚柔振动控制。
所述磁流变阻尼器(8)为自主设计的旋转磁流变阻尼器，如图2所示，隔磁套筒(81)选用铝合金材料加工，磁流变阻尼器定子(82)与转盘(87)选用电工纯铁DT4材料加工，磁流变阻尼器线圈(83)选用Φ0.8mm漆包线，采用双线圈方式，分别缠绕于阻尼器定子(82)上，轴承(84) 选用深沟球轴承61805-2LS，转轴(86)选用45钢材料，转轴(86)与转盘(87)之间采用过盈配合，使转盘固定于转轴，并随转轴的旋转而转动，转轴(86)与磁流变阻尼器定子(82)之间的使用骨架油封(85)进行密封，磁流变阻尼器定子(82)与转盘(87)之间的间隙为磁流变阻尼器工作间隙 (88)，磁流变工作间隙(88)里充满磁流变液，磁流变液选用重庆仪表材料研究所生产的 MRF-J01型磁流变液。
所述磁流变阻尼器驱动器(10)、信号接收模块(12)和步进电机驱动器(16)集中在一张板卡上，磁流变阻尼器驱动器(10)用于磁流变阻尼器(8)的线圈供电，信号接收模块(12)主要包含信号电流放大及滤波两个作用，步进电机驱动器(16)用于步进电机(18)的转速驱动控制，。
旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制方法，如图3所示，包括如下步骤：
S1：进行柔性梁的转动惯量与基频的匹配计算，调节固定好梁上的质量块；
S2：计算机发布控制信号给步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动步进电机旋转；
S3：利用应变片传感器检测到配重柔性梁的弯曲振动信号，角加速度传感器检测到刚性传动轴的旋转振动信号及扭矩传感器检测到振动干扰力矩；
S4：采集到的信号经过信号接收模块的放大与滤波处理后，输送给计算机；
S5：计算机根据弯曲振动信号、旋转振动信号及振动干扰力矩信号进行控制算法运算，得出相应的阻尼力矩需求，并进一步通过磁流变阻尼器的逆向动力学模型，得出磁流变阻尼器的电流需求信号；
S6：计算机发布电流需求信号给磁流变阻尼器驱动器，磁流变阻尼器驱动器产生相应电流输送给磁流变阻尼器，磁流变阻尼器产生对应的阻尼力矩，达到抑制柔性梁刚柔耦合系统振动的目的。
所述旋转柔性刚柔耦合系统振动测量和磁流变半主动抑制的控制方法，是一种多通道信号检测与单通道控制的MISO振动控制方法：信号检测部分包括应变片传感器(4)检测信号、角加速度传感器(5)检测信号和扭矩传感器(11)信号；控制部分利用磁流变阻尼器驱动器(10) 改变磁流变阻尼器的线圈电流(8)，实现基于磁流变阻尼技术的半主动控制。
图1中的虚线部分表示电信号与驱动及控制装置的连线图。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：包括配重柔性梁部分、振动及振动干扰信号检测部分、步进电机驱动控制部分和磁流变阻尼振动控制部分；
所述配重柔性梁部分为：柔性梁(3)一端通过机械夹持装置(6)与刚性传动轴连接，刚性传动轴由谐波减速器(15)输出轴、扭矩传感器(11)输入及输出轴、磁流变阻尼器(8)输入及输出轴和机械夹持装置(6)输入轴通过刚性联轴器(7)构成，柔性梁(3)另一端通过螺栓(1)固定调节好位置的质量块(2)进行配重；
所述振动及振动干扰信号检测部分为：应变片传感器(4)粘贴在柔性梁靠近机械夹持装置一段的根部，角加速度传感器(5)安装于刚性传动轴的末端，扭矩传感器(11)安装于谐波减速器(15)与磁流变阻尼器(8)之间；
所述应变片传感器(4)检测配重柔性梁的弯曲振动信号，角加速度传感器(5)检测刚性传动轴的旋转加速度信号及扭矩传感器(11)检测刚性传动轴上的振动干扰力矩信号，通过信号接收模块(12)处理后，输入到计算机(13)得到反馈信号；信号接收模块(12)处理的信号包括检测刚性传动轴上的振动干扰力矩信号、柔性梁的弯曲振动信号、刚性传动轴的角加速度信号及振动干扰的扭矩信号；
所述步进电机驱动控制部分为：步进电机(18)固定于步进电机固定面板(17)上，步进电机(18)的输出轴通过刚性联轴器(7)连接到谐波减速器(15)的输入轴，谐波减速器(15)固定于谐波减速器固定面板(14)上，谐波减速器(15)输出轴通过刚性联轴器与扭矩传感器(11)的输入轴相连，所述步进电机(17)采用速度控制方式与步进电机驱动器(16)相连接，步进电机驱动器(16)与计算机(13)相连，用于步进电机的转速控制，实现对配重柔性系统的旋转驱动；
所述磁流变阻尼器振动控制部分为：磁流变阻尼器(8)固定于磁流变阻尼器固定面板(9)上，磁流变阻尼器(8)输入轴通过刚性联轴器与扭矩传感器(11)的输出轴相连，磁流变阻尼器(8)输出轴通过刚性联轴器(7)与柔性梁的机械夹持装置(6)的输入轴相连，磁流变阻尼器(8)线圈与磁流变阻尼器驱动器(10)相连，用于调节磁流变阻尼器输出的阻尼力矩，磁流变阻尼器驱动器(10)与计算机(13)相连接，用于磁流变阻尼器阻尼力矩的控制。
2.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述配重柔性梁有2根，对称的安装于机械夹持装置两边；所述柔性梁上的配重具体由4个质量块构成，每根柔性梁上设置2个质量块，每根柔性梁上的2个质量块分别位于2个柔性梁一端的正反面，利用上下两颗螺栓使质量块夹紧固定于柔性梁上；所述质量块在柔性梁上位移，实现柔性梁的转动惯量与基频的匹配。
3.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述应变片传感器有两片，每根柔性梁上各安装一片，安装于配重柔性梁固定端的中心线上，其线束朝向刚性传动轴。
4.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述扭矩传感器安装于谐波减速器与磁流变阻尼器之间，扭矩传感器底座固定于测试台架支架(19)上。
5.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述磁流变阻尼器固定面板、谐波减速器固定面板及步进电机固定面板在测试台架支架(19)上并实现上下移动。
6.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述磁流变阻尼器安装于刚性旋转轴上，位于扭矩传感器与机械夹持装置之间。
7.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述磁流变阻尼器驱动器、信号接收模块及步进电机驱动器均集成在一张板卡上。
8.根据权利要求1所述的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置，其特征在于：所述计算机与步进电机驱动器相连接，控制步进电机的驱动方式，实现柔性梁匀速、加速及减速的旋转运动。
9.基于权利要求1～8中任一项旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制装置的旋转柔性梁刚柔耦合系统振动测量控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：进行柔性梁的转动惯量与基频的匹配计算，调节固定好梁上的质量块；
S2：计算机发布控制信号给步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动步进电机旋转；
S3：利用应变片传感器检测到配重柔性梁的弯曲振动信号，角加速度传感器检测到刚性传动轴的旋转振动信号及扭矩传感器检测到振动干扰力矩；
S4：采集到的信号经过信号接收模块的放大与滤波处理后，输送给计算机；
S5：计算机根据弯曲振动信号、旋转振动信号及振动干扰力矩信号进行控制算法运算，得出相应的阻尼力矩需求，并进一步通过磁流变阻尼器的逆向动力学模型，得出磁流变阻尼器的电流需求信号；
S6：计算机发布电流需求信号给磁流变阻尼器驱动器，磁流变阻尼器驱动器产生相应电流输送给磁流变阻尼器，磁流变阻尼器产生对应的阻尼力矩，达到抑制柔性梁刚柔耦合系统振动的目的。
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