CN107543672B - 多自由度微振动环境模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度微振动环境模拟方法。该方法包括预示微振动环境条件步骤；辨识多输入多输出系统传递函数矩阵步骤；以及多自由度微振动信号模拟控制步骤。多自由度微振动信号模拟控制方法为多输入多输出控制系统根据设置的多自由度参考信号、系统的传递函数及多自由度响应信号进行闭环控制，驱动微振动激励系统运动，实现多自由度微振动环境模拟。本发明的多自由度微振动环境模拟方法通用性好，效率高，较好的解决了微振动试验技术问题。

Description

多自由度微振动环境模拟方法

技术领域

本发明属于航天器力学环境试验领域，具体涉及一种多自由度微振动环境模拟方法。

背景技术

目前，微振动环境模拟主要采取安装扰源设备的方法、安装激振器设备的方法和使用激励系统的方法。安装扰源设备的方法，通过让扰源设备正常工作来产生真实的微振动环境；安装激振器的方法，通过激振器产生与真实扰源相似的激励信号来模拟微振动环境；使用激励系统的方法，通过微振动激励系统产生微振动信号以模拟微振动环境。如美国基于Honeywell测试台的微振动环境模拟系统，初期使用电动激振器和信号发生器模拟扰动，后期使用真实的反作用轮组；JPL的MPI试验台通过安装激光发生器和反作用轮来模拟微振动环境；基于SSl测试台的OT，通过安装反作用轮模拟光学仪器的微振动环境；美国怀俄明大学采用Stewart构型的平台模拟产生微小扰动以实现对光学器件的精确指向和振动控制研究。Stewart构型平台能够实现空间六自由度的相对运动，并且具有刚度高、承载能力大，各运动关节误差不积累和精度高的特点。激励系统由6个作动器、上下平台、平台支撑系统和传感器组成。下平台与地面固连，试验件通过夹具安装于上平台，各个作动器通过铰链与上下平台连接，6个高精度加速度传感器布置在上平台上。六个作动器的运动可激励上平台产生六自由度的运动，上平台布置的传感器实时测量台面的加速度响应以反馈台面的振动情况。

然而，无论是安装扰源亦或是安装激振器的方法，试验时均需要搭建复杂的试验系统；并且针对不同试验对象，使用的扰源和激振器的种类、型号均不同。因此，这两种方法普遍存在耗时、复杂且通用性较差的问题。而外国机构通过微振动激励系统模拟微振动环境的方法，目前国内尚无先河。并且，外国机构使用微振动激励系统以模拟快速反射镜、中红外相机的微振动环境，实验对象相对单一，对航天器其他有效载荷或关键部位的微振动环境模拟适用性存在缺陷。

因此，需要建立一种通用的微振动环境模拟方法并通过微振动激励平台激励产生各种工况下的多自由度微振动信号。微振动激励平台基于Stewart构型平台，它能够实现空间六自由度的相对运动。激励平台由6个作动器、上下平台和平台支撑系统组成。下平台与地面固连，试验件通过夹具安装于上平台，各个作动器通过铰链与上下平台连接。通过控制六个作动器的运动，可激励上平台产生六个自由度方向(包括3个线振动、3个角振动方向)的运动。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种多自由度微振动环境模拟方法以提高微振动环境模拟试验效率并通用于各类航天器及其组件。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多自由度微振动环境模拟方法，该方法包括以下步骤：

(5)模拟微振动环境；

通过微振动环境预示得到所需模拟的微振动时域加速度曲线，微振动环境预示采取建模仿真的方法，通过地面试验或航天器在轨测量得到微振动时域加速度曲线；通过系统辨识，得到微振动激励平台的传递函数；采用多自由度微振动信号时域波形控制，使微振动平台产生的加速度激励与环境预示得到的时域加速度曲线相一致，产生了与微振动环境相符的时域加速度环境，即实现了微振动环境模拟；

(6)预示多自由度微振动环境；

获取有效载荷安装界面位置的微振动环境，即得到所需模拟的微振动时域加速度曲线，预示微振动环境主要采用建模仿真预示微振动环境的方法，首先建立航天器的几何模型，其次，对航天器进行有限元建模，之后，建立扰源模型，计算扰源作用下航天器的微振动加速度响应曲线作为微振动环境；

(7)确定多输入多输出系统传递函数矩阵；

多输入多输出系统传递函数矩阵辨识即求取多输入多输出系统的传递函数，确定多输入多输出系统传递函数矩阵的步骤具体为控制系统先发送多路低量级的白噪声随机信号，该白噪声随机信号驱动微振动激励平台的作动器运动，微振动激励平台上多个测量点的加速度传感器测量平台的时域响应信号并经过坐标转换矩阵转化为多自由度输出信号并输送回控制系统，对输出信号进行傅里叶变换得到输出信号的频谱，控制系统根据输入和输出信号的频谱计算整个系统的传递函数；

(8)复现多自由度微振动信号时域波形；

所述多自由度微振动信号模拟基于时域波形复现控制，具体步骤为将预示的微振动信号设置为多自由度参考信号，通过傅里叶变换得到参考信号的频谱，随后控制系统根据参考信号频谱、系统的传递函数计算初始驱动信号频谱，对驱动信号频谱进行傅里叶逆变换得到时域驱动信号，该驱动信号驱动微振动激励平台的作动器运动使平台产生微振动激励，微振动激励平台上多个测量点的加速度传感器测量平台的时域响应信号并经过坐标转换矩阵转化为多自由度时域控制输出信号，控制输出信号通过傅里叶变换得到频域内的控制输出信号频谱，控制系统根据测量的控制输出信号与参考信号的频谱进行傅里叶逆变换得到时域信号，对比时域信号，并对频谱误差计算，根据误差信号谱，计算驱动信号谱的调整量，修正发送的多路驱动信号谱并进行傅里叶逆变换得到时域驱动信号，使平台在驱动信号作用下产生的微振动激励与参考信号相一致，从而实现多自由度微振动信号的模拟控制。

其中，微振动加速度响应曲线是加速度幅值、相位与时间的响应曲线。

其中，当条件许可时，可通过在轨测量和地面测试辅助获取微振动环境；

其中，多输入系统为微振动激励平台。

其中，上述微振动激励平台上台面的加速度传感器沿轴向对称布置。

其中，系统辨识和信号模拟控制涉及的坐标转换矩阵由传感器布置的位置和测量方向，通过运动合成计算得到。

其中，上述信号模拟控制涉及的多自由度控制输出信号与多自由度参考信号对比参数主要是加速度信号幅值和相位。

本发明提供的多自由度微振动环境模拟方法，可以实现对航天器及其各个组件的微振动环境模拟，耗时少、通用性强，可以显著提高微振动环境模拟试验的效率。

附图说明

图1为本发明的多自由度微振动环境模拟方法的流程图。

图2为本发明采用的微振动激励系统示意图。

图3为微振动激励平台上台面的加速度传感器的几何布局示意图。

具体实施方式

下面对本发明的一种多自由度微振动环境模拟方法作进一步说明。

图1所示为本发明的多自由度微振动环境模拟方法的流程图。该方法主要通过三个步骤实现。

(1)预示多自由度微振动环境；

预示微振动环境的主要目的是获取有效载荷安装界面位置的微振动环境，即得到所需模拟的微振动时域加速度曲线。预示微振动环境主要采用建模仿真预示微振动环境的方法。

建模仿真预示微振动环境的步骤进一步包括建立航天器整星的几何模型，包括结构模型、有效载荷模型、热控分系统模型等；建立航天器有限元模型，按板壳单元或体单元对航天器几何模型进行网格划分，并定义航天器各零部件材料及材料属性，如密度、弹性模量、泊松比等，设定结构阻尼系数；建立扰源模型，计算反作用轮、控制力矩陀螺产生的扰振力和力矩、温度变化引起的热应力等；计算扰源作用下的微振动加速度响应，确定扰源激励位置和激励形式，如以反作用轮、控制力矩陀螺的安装根部为激励作用点，激励形式选择为力、力矩和加速度，以天线的安装端点为激励点，施加加速度形式的激励等，选择有效载荷安装部位或其他关键部位为输出响应点，通过软件进行时域响应分析计算得到该点的加速度响应信息即为所预示微振动环境，响应信息包括微振动加速度的时域曲线及功率谱密度曲线等。

当条件许可时，可通过基于传感器测量的在轨测量和地面测试方法辅助获取微振动环境；(不过多描述)

(2)辨识多输入多输出系统传递函数矩阵；

多输入多输出系统(此多输入多输入系统在本例中指代微振动激励平台)传递函数矩阵辨识即求取多输入多输出系统的传递函数，。辨识多输入多输出系统传递函数矩阵的步骤具体为控制系统先发送多路低量级的白噪声随机信号，该白噪声随机信号驱动微振动激励平台的作动器运动，微振动激励平台上多个测量点的加速度传感器测量平台的时域响应信号并经过坐标转换矩阵转化为多自由度输出信号并输送回控制系统，对输入信号和输出信号进行傅里叶变换得到输入、输出信号的频谱；控制系统根据输入和输出信号的频谱计算整个系统的传递函数，计算输入信号的自功率谱密度矩阵，计算输出信号和输入信号的互功率谱密度矩阵，计算输入信号自功率谱密度矩阵的逆与互谱矩阵的乘积得到系统的传递函数

[H(f)]＝[G_xx]^-1[G_yx]

其中[G_xx]是6路驱动输入信号{X}的自谱矩阵；[G_yx]是系统6路输出信号{Y}与6路驱动输入信号{X}的互谱矩阵。

(3)多自由度微振动信号时域波形复现；

所述多自由度微振动信号模拟基于时域波形复现控制，具体步骤为定义参考信号，将预示得到的微振动加速度时域信号设置为多自由度参考信号；随后多输入多输出控制系统根据设置的多自由度参考信号、系统的传递函数计算初始的多路驱动信号，对参考信号进行傅里叶变换得到参考信号频谱，对系统的传递函数进行求逆运算，计算传递函数的逆矩阵与参考信号频谱的乘积得到驱动信号频谱：

R(f)＝fft(r(t))

{X(f)}＝[H(f)]^-1{R(f)}

其中，r(t)为设置的时域参考信号，R(f)为参考信号频谱，H(f)为系统的传递函数，X(f)为多路驱动信号。

该多路驱动信号驱动微振动激励平台的作动器运动，加速度传感器采集微振动激励平台上多个测量点的响应信号，响应信号经过坐标转换矩阵转化为多自由度控制输出信号。

{y(t)}＝[B]×{y_测(t)}

多输入多输出控制系统根据控制输出信号与时域参考信号进行对比，主要对比参数为时域加速度幅值和相位。若控制输出信号与参考信号相一致，则不再通过误差对驱动信号进行迭代修正；否则，对控制输出信号进行傅里叶变换得到控制输出信号频谱，并计算误差信号频谱，即：

Y(f)＝fft(y(t))

{E(f)}＝{R(f)}-{Y(f)}

其中，{y(t)}为时域控制输出信号，[B]为坐标转换矩阵，{y_测(t)}为传感器测量的响应信号，E(f)为误差信号频谱，Y(f)为控制输出信号频谱。

由误差信号频谱，设定调整系数，计算驱动信号的调整量，修正多路驱动信号频谱，对驱动信号频谱进行傅里叶逆变换得到时域驱动信号，使平台在驱动信号作用下产生的微振动激励与参考信号相一致，从而实现了多自由度微振动信号的时域波形复现，即完成了多自由度微振动环境的模拟。即：

Δ＝β[H(f)]^-1{E(f)}

X_new(f)＝X_old(f)+Δ

x_new(t)＝ifft(X_new(f))

其中，β为修正系数，且0≤β≤1；Δ为调整量。

图2为本发明所使用的微振动激励平台示意图。

微振动激励系统由6个作动器、上下平台、平台支撑系统和传感器组成。图中标号1‐6表示上平台布置的6个高精度加速度传感器。下平台与地面固连，试验件通过夹具安装于上平台，各个作动器通过铰链与上下平台连接，6个高精度加速度传感器安装在上平台上。利用该激励系统模拟微振动环境时，通过作动器的运动激励上平台及其上安装的试验件产生6个自由度的微振动(包括x、y、z三个方向的线振动和Rx、Ry、Rz三个方向的角振动)，上平台布置的加速度传感器实时测量台面的加速度响应以反馈台面的振动情况。

图3为微振动激励平台上台面的加速度传感器的几何布局示意图。

上述的系统辨识和信号时域波形复现过程中涉及坐标转换矩阵。由上台面布置的加速度传感器的位置和测量方向，通过运动的合成可以计算出坐标转换矩阵。根据几何关系，可通过6个加速度计实测信号换算得到平台6个自由度的线振动及角振动信号。即几何转换矩阵B：

[a_x,a_y,a_z,R_x,R_y,R_z]^T＝B×[a_1x,a_2x,a_3z,a_4z,a_5y,a_6z]^T

其中，右下角标数字代表传感器编号，x、y、z代表传感器测量方向。

由图中标示的距离信息有：

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.多自由度微振动环境模拟方法，该方法包括以下步骤：

(1) 模拟微振动环境；

通过微振动环境预示得到所需模拟的微振动时域加速度曲线，微振动环境预示采取建模仿真的方法，通过地面试验或航天器在轨测量得到微振动时域加速度曲线；通过系统辨识，得到微振动激励平台的传递函数；采用多自由度微振动信号时域波形控制，使微振动激励平台产生的加速度激励与环境预示得到的时域加速度曲线相一致，产生了与微振动环境相符的时域加速度环境，即实现了微振动环境模拟；

(2) 预示多自由度微振动环境；

获取有效载荷安装界面位置的微振动环境，即得到所需模拟的微振动时域加速度曲线，预示多自由度微振动环境主要采用建模仿真的方法，首先建立航天器的几何模型，其次，对航天器进行有限元建模，之后，建立扰源模型，计算扰源作用下航天器的微振动加速度响应曲线作为微振动环境；

(3) 确定多输入多输出系统传递函数矩阵；

多输入多输出系统传递函数矩阵辨识即求取多输入多输出系统的传递函数，确定多输入多输出系统传递函数矩阵的步骤具体为：控制系统先发送多路低量级的白噪声随机信号，该白噪声随机信号驱动微振动激励平台的作动器运动，微振动激励平台上多个测量点的加速度传感器测量平台的时域响应信号并经过坐标转换矩阵转化为多自由度输出信号并输送回控制系统，对输出信号进行傅里叶变换得到输出信号的频谱，控制系统根据输入和输出信号的频谱计算整个系统的传递函数；

(4) 复现多自由度微振动信号时域波形；

所述多自由度微振动信号的模拟是基于时域波形复现控制，具体步骤为将预示的微振动信号设置为多自由度参考信号，通过傅里叶变换得到参考信号的频谱，随后控制系统根据参考信号频谱、系统的传递函数计算初始驱动信号频谱，对驱动信号频谱进行傅里叶逆变换得到时域驱动信号，该驱动信号驱动微振动激励平台的作动器运动使平台产生微振动激励，微振动激励平台上多个测量点的加速度传感器测量平台的时域响应信号并经过坐标转换矩阵转化为多自由度时域控制输出信号，控制输出信号通过傅里叶变换得到频域内的控制输出信号频谱，控制系统根据测量的多自由度控制输出信号与多自由度参考信号的频谱进行傅里叶逆变换得到时域信号，对比时域信号，并对频谱误差计算，根据误差信号谱，计算驱动信号谱的调整量，修正发送的多路驱动信号谱并进行傅里叶逆变换得到时域驱动信号，使平台在驱动信号作用下产生的微振动激励与参考信号相一致，从而实现多自由度微振动信号的模拟控制，微振动激励平台上台面的加速度传感器沿轴向对称布置。

2.如权利要求1所述的多自由度微振动环境模拟方法，其中，微振动加速度响应曲线是加速度幅值、相位与时间的响应曲线。

3.如权利要求1所述的多自由度微振动环境模拟方法，其中，当条件许可时，通过在轨测量和地面测试辅助获取微振动环境。

4.如权利要求1所述的多自由度微振动环境模拟方法，其中，多输入多输出系统为微振动激励平台。

5.如权利要求1-4任一项所述的多自由度微振动环境模拟方法，其中，系统辨识和信号模拟控制涉及的坐标转换矩阵由传感器布置的位置和测量方向，通过运动合成计算得到。

6.如权利要求1-4任一项所述的多自由度微振动环境模拟方法，其中，信号模拟控制涉及的多自由度控制输出信号与多自由度参考信号对比参数主要是加速度信号幅值和相位。