CN111766905A - 一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间太阳能帆板技术领域，特别涉及一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统。包括MFC致动器、MFC传感器、太阳能帆板、控制器及测试振源组件，其中太阳能帆板设置于太阳能帆板夹持固定组件上；MFC传感器和MFC致动器设置于太阳能帆板上，MFC传感器用于检测太阳能帆板的振动信息并输出；控制器用于接收MFC传感器发送的太阳能帆板的振动信息，并且根据该振动信息发送控制指令；MFC致动器用于接收控制器发送的控制指令并且根据该控制指令对太阳能帆板进行主动抑振；测试振源组件设置于太阳能帆板的一侧。本发明测量方便、结构清晰、操作简单，可以模仿实际工况测得太阳能帆板在受迫振动和自由振动时的参数用于分析，并通过致动器进行主动抑振控制。
Description
技术领域
本发明涉及空间太阳能帆板技术领域，特别涉及一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统。
背景技术
太阳能帆板在完全展开状态下为典型的挠性结构，在外部干扰(如间碎片、太阳风、热辐射、温度冲击)和内部干扰(卫星自身的姿态调整、变轨运动以及卫星自身内结构的活动等)的作用下极易产生微振动，由于太空环境为低阻尼的状态，振动难以得到快速衰减，长时间的持续振动不仅会造成敏感构件的破坏，而且还会影响到通信卫星主体的指向精度和姿态稳定对卫星姿态控制造成非常不利的影响。因此为了保证精度指标的有效性，对太阳翼帆板微振动快速抑制势在必行。
“哈勃”天文望远镜在进出入地影时，由于太阳能帆板受到冷热交变的热冲击载荷，产生微振动与本体的基频发生耦合，严重的影响了致望远镜的指向精度，从原有设计的0.007″变到了0.1″，极大地影响了成像清晰度，新一代的詹姆斯·韦伯天文望远镜设计指向性精度到达0.004″，为了保证精度指标的有效性，对太阳能帆板微振动快速抑制势在必行。
太阳能帆板主动抑振实验系统的研究与开发，对于分析测试太阳能帆板的各项参数具有重要意义，并且为后续搭载升空的主动抑振系统提供实验和理论基础。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统，以便测试分析太阳能帆板的振动情况并根据振动情况设置主动抑振策略。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统，该空间太阳能帆板主动抑振试验系统包括：MFC致动器1、MFC传感器2、太阳能帆板3、太阳能帆板夹持固定组件、控制器及测试振源组件，其中太阳能帆板夹持固定组件用于夹持固定太阳能帆板；MFC传感器设置于太阳能帆板上，用于检测太阳能帆板的振动信息，并将该振动信息发送给控制器；控制器用于接收MFC传感器发送的太阳能帆板的振动信息，并且根据该振动信息发送控制指令；MFC致动器设置于所述太阳能帆板上；所述MFC致动器用于接收控制器发送的控制指令并且根据该控制指令对所述太阳能帆板进行主动抑振，或所述MFC致动器为太阳能帆板提供主动振源；测试振源组件设置于太阳能帆板的一侧，用于给阳能帆板提供振源。
所述太阳能帆板夹持固定组件包括太阳能帆板夹持架、太阳能帆板支撑座、测试基板及测试基座，其中测试基板设置于测试基座上，太阳能帆板支撑座设置于测试基板上，太阳能帆板夹持架设置于太阳能帆板支撑座上，太阳能帆板夹持架用于夹持所述太阳能帆板。
所述测试基座的底部设有四个底座支撑Ⅰ。
所述测试基座的材质为铝型材，通过铝型材结构自身的凹槽与所述测试基板连接，所述测试基座的底部与所述底座支撑Ⅰ螺纹连接。
所述MFC传感器和所述MFC致动器利用环氧树脂胶水粘贴于所述太阳能帆板上。
所述测试振源组件包括测试设备安置架及设置于所述测试设备安置架上的振源设备和激光位移传感器，所述振源设备用于提供振源；所述激光位移传感器用于测试距离所述太阳能帆板的振动位移。
所述设备安置架的侧面且正对于所述太阳能帆板的方向安装有两个所述激光位移传感器。
所述测试设备安置架上沿高度方向间隔设置有多个设备安置基板，所述振源设备设置于设备安置基板上。
所述设备安置架的材料是铝型材，所述设备安置架具有安置架型材凹槽，所述设备安置基板嵌设于安置架型材凹槽内。
所述设备安置架的底部螺纹连接有底座支撑Ⅱ。
本发明的优点与有益效果是：
1.本发明根据实际空间太阳能帆板，建立动力学模型，构建的试验系统能良好的匹配实际应用中的太阳能帆板；
2.本发明的主体框架结构采用铝型材材料，大大的降低实验系统的成本；
3.本发明结构的采用螺杆结构，各部分结构简单，采用激光切割和简单的焊接就能完成实验系统的制造，降低了设备的加工难度；
4.本发明的太阳能帆板还原卫星等的帆板结构，为后续分析双板铰接甚至三板铰接提供方便；
5.本发明传感器有激光位移传感器，MFC压电纤维片，可以提高测试数据采集的精度；
6.本发明采用多个MFC控制器，在设计控制算法的时候提供了足够的灵活性。
附图说明
图1为本发明空间太阳能帆板主动抑振试验系统的轴测图；
图2为本发明中测试基座的结构示意图；
图3为本发明中底座支撑的结构示意图；
图4为本发明中测试基板的结构示意图；
图5为本发明中太阳能帆板支撑座的结构示意图；
图6为本发明中太阳能帆板夹持架的结构示意图；
图7为本发明中太阳能帆板及MFC传感器和MFC致动器的示意图；
图8为本发明中测试设备安置架的结构示意图；
图9为本发明中设备安置基板的结构示意图；
图10为本发明的太阳能帆板主动抑振控制流程图；
图11为本发明接入控制前后的太阳能帆板振动曲线对比图。
图中：1为MFC传感器，2为MFC致动器，3为太阳能帆板，4为太阳能帆板夹持架，5为太阳能帆板支撑座，6为测试基板，7为测试基座，8为底座支撑Ⅰ，9为测试设备安置架，10为设备安置基板，11为激光位移传感器，12为凹槽，13为测试基座底部内螺纹，14为底座支撑外螺纹，15为测试基板外孔，16为测试基板内孔，17为太阳能帆板夹持架安装孔，18为测试基板安装孔，19为支撑座安装孔，20为太阳能帆板安装孔，21为连接孔，24为安置架型材凹槽，25为型材内螺纹，26为设备安置基板安装孔，27为底座支撑Ⅱ，A为未接入控制时的太阳能帆板的自由振动曲线，B为接入控制后太阳能帆板的振动曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统，包括：MFC致动器1、MFC传感器2、太阳能帆板3、太阳能帆板夹持固定组件、控制器及测试振源组件，其中太阳能帆板夹持固定组件用于夹持固定太阳能帆板3；MFC传感器2设置于太阳能帆板3上，用于检测太阳能帆板3的振动信息，并将该振动信息发送给控制器；控制器用于接收MFC传感器2发送的太阳能帆板3的振动信息，并且根据该振动信息发送控制指令；MFC致动器1设置于太阳能帆板3上；MFC致动器1用于接收控制器发送的控制指令并且根据该控制指令对太阳能帆板3进行主动抑振，或MFC致动器1为太阳能帆板3提供主动振源；测试振源组件设置于太阳能帆板3的一侧，用于给阳能帆板3提供振源。
如图1所示，太阳能帆板夹持固定组件包括太阳能帆板夹持架4、太阳能帆板支撑座5、测试基板6及测试基座7，其中测试基板6设置于测试基座7上，太阳能帆板支撑座5设置于测试基板6上，太阳能帆板夹持架4设置于太阳能帆板支撑座5上，太阳能帆板夹持架4用于夹持太阳能帆板3。测试基座7的底部设有四个底座支撑Ⅰ8。
本发明的实施例中，如图2-3所示，测试基座7的材质为铝型材，通过铝型材结构自身的凹槽12与测试基板6连接。测试基座7的底部设有测试基座底部内螺纹13，底座支撑Ⅰ8的上端设有底座支撑外螺纹14，底座支撑外螺纹14与测试基座底部内螺纹13螺纹连接。如图4所示，测试基板6上设有测试基板外孔15和测试基板内孔16，测试基板外孔15与测试基座7的凹槽12连接；测试基板内孔16与太阳能帆板支撑座5连接。如图5所示，太阳能帆板支撑座5的底部设有测试基板安装孔18，该测试基板安装孔18与测试基板6上的测试基板内孔16连接。太阳能帆板支撑座5的上端设有太阳能帆板夹持架安装孔17，太阳能帆板夹持架安装孔17与太阳能帆板夹持架4连接。如图6所示，太阳能帆板夹持架4的后端设有支撑座安装孔9，支撑座安装孔9与太阳能帆板支撑座5的太阳能帆板夹持架安装孔17连接；太阳能帆板夹持架4的前端设有太阳能帆板安装孔20，太阳能帆板安装孔20与太阳能帆板3连接。如图7所示，太阳能帆板3的一侧边缘设有连接孔21，通过该连接孔21与太阳能帆板夹持架4上的太阳能帆板安装孔20连接。MFC传感器2和MFC致动器1利用环氧树脂胶水粘贴于太阳能帆板3上。
本发明的实施例中，测试基座7是整个系统的基本，为了方便安装和成本，采用50*50的方形铝型材材料，作为基座主要功能是承受太阳能帆板3振动产生的力，所以最基本的是稳定，所以测试基板6采用45#材料的钢板，基座的结构简单，可以直接激光切割钢板一次成型，便于加工。太阳能帆板支撑座5和太阳能帆板夹持架4作为连接太阳能帆板3和测试基座7的中间结构需要较大的刚度，为了方便加工和刚度要求，同样采用45#钢板。
如图1所示，测试振源组件包括测试设备安置架9及设置于测试设备安置架9上的振源设备和激光位移传感器11，振源设备用于提供振源；激光位移传感器11用于测试距离太阳能帆板3的振动位移。设备安置架9的底部螺纹连接有底座支撑Ⅱ27。
具体地，设备安置架9的侧面且正对于太阳能帆板3的方向安装有两个激光位移传感器11。测试设备安置架9上沿高度方向间隔设置有多个设备安置基板10，振源设备设置于设备安置基板10上。
本发明的实施例中，如图8所示，设备安置架9的材料是铝型材，设备安置架9具有安置架型材凹槽24，设备安置基板10嵌设于安置架型材凹槽24内。设备安置架9的底部设有型材内螺纹25，该型材内螺纹25与底座支撑Ⅱ27螺纹连接。由于实验系统工作时需要外接驱动设备、数据采集设备及信号放大设备等，所以设计该设备安置架9，所有设备分别放置在各设备安置基板10上，同时在设备安置架9的侧面，在对应于太阳能帆板3的位置上安装激光位移传感器11，用于测试太阳能帆板3的振动位移并且和MFC传感器2一同输入给控制器。
本发明的结构部件之间通过螺丝连接，太阳能帆板支撑座5需要用到焊接工艺，为保证结构强度，使用氩弧焊工艺，整体设备安装误差要求不高，但是需要设备校平，校直。
本发明的实施例中，MFC传感器1和MFC致动器2都是压电纤维膜片，根据正逆压电效应作为致动器和传感器作用，本质上是相同的。
本实验系统主要就是为了研究太阳能帆板的主动抑振，既要分析太阳能振动机理，理论基础上要建立太阳能帆板振动的动力学方程，还要研究和设计抑振帆板振动的控制算法，目前采用的几种算法为PD、PID、模糊PID和神经网络算法，皆是为了比较各种算法的优劣，为了后续设计主动抑振的专用控制器做准备，MFC传感器1和MFC致动器2均采用压电纤维片，根据正逆压电效应，也是可以和太阳能帆板联合建立动力学方程，用于系统的模型仿真和仿真。
本发明的工作原理是：
根据压电陶瓷的正逆压电效应，当压电陶瓷产生形变时，压电陶瓷发生电荷偏移产生电势差，即是电压，且根据形变量大小(在不破换内部结构的情况下)，形变量越大电压差越大；当给压电陶瓷电极两端接入电压时，压电陶瓷产生形变，且电压越大，形变越大。
根据上述原理，对太阳能帆板3和压电纤维片进行联合动力学分析，创建动力学方程，将MFC压电纤维片粘贴在太阳能帆板3上。如此，太阳能帆板3的振动形变量会影响MFC压电纤维片的形变，MFC压电纤维片产生电势差经过放大、滤波等一系列信号处理输入给控制器，根据特定的控制算法输出电压，加载在MFC致动器1上。如此，MFC致动器1的形变会影响太阳能帆板3的振动，经过这一完整的过程，以达到主动抑振的目的。
图10为太阳能帆板主动抑振控制流程图；如图10所示，其中MFC压电纤维片作传感器和激光位移传感器测试太阳能帆板的振动位移产生电压信号和初始设定平衡点(一般为0)作差，产生偏差信号e(t)，偏差信号输入控制器由PID控制算法u(t)＝kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)，调节PID的参数kp、TI、TD，实现控制输出信号u(t)的功能，控制信号经由放大器加载到MFC致动器，MFC致动器由于逆压电效应产生形变，从而达到抑制太阳能帆板振动的效果。图11为本发明接入控制前后的太阳能帆板振动曲线对比图；如图11所示，其中，A曲线指示的是未接入控制时的太阳能帆板的自由振动曲线；B曲线指示的是接入控制后太阳能帆板的振动曲线，从图中可以看到，接入控制后太阳能帆板的振幅和振动时间都有明显的下降。
本发明的实施例中，采用了NI公司的数据采集卡作为信号采集设备，利用labview软件作为数据处理和系统控制软件，保证了系统的稳定性，为以后开发控制太空控制设备打下基础。
本发明测量方便、结构清晰、操作简单，可以模仿实际工况测得太阳能帆板在受迫振动和自由振动时的参数用于分析，并通过致动器进行主动抑振控制，对以后设计太阳能帆板和基于测试系统设计主动抑振设备和控制器及研究控制算法有重要作用。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：该空间太阳能帆板主动抑振试验系统包括：
太阳能帆板(3)；
太阳能帆板夹持固定组件，用于夹持固定太阳能帆板(3)；
MFC传感器(2)，设置于太阳能帆板(3)上，用于检测太阳能帆板(3)的振动信息，并将该振动信息发送给控制器；
控制器，用于接收MFC传感器(2)发送的太阳能帆板(3)的振动信息，并且根据该振动信息发送控制指令；
MFC致动器(1)，设置于所述太阳能帆板(3)上；所述MFC致动器(1)用于接收控制器发送的控制指令并且根据该控制指令对所述太阳能帆板(3)进行主动抑振，或所述MFC致动器(1)为太阳能帆板(3)提供主动振源；
测试振源组件，设置于太阳能帆板(3)的一侧，用于给阳能帆板(3)提供振源。
2.根据权利要求1所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述太阳能帆板夹持固定组件包括太阳能帆板夹持架(4)、太阳能帆板支撑座(5)、测试基板(6)及测试基座(7)，其中测试基板(6)设置于测试基座(7)上，太阳能帆板支撑座(5)设置于测试基板(6)上，太阳能帆板夹持架(4)设置于太阳能帆板支撑座(5)上，太阳能帆板夹持架(4)用于夹持所述太阳能帆板(3)。
3.根据权利要求2所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述测试基座(7)的底部设有四个底座支撑Ⅰ(8)。
4.根据权利要求3所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述测试基座(7)的材质为铝型材，通过铝型材结构自身的凹槽(12)与所述测试基板(6)连接，所述测试基座(7)的底部与所述底座支撑Ⅰ(8)螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述MFC传感器(2)和所述MFC致动器(1)利用环氧树脂胶水粘贴于所述太阳能帆板(3)上。
6.根据权利要求1所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述测试振源组件包括测试设备安置架(9)及设置于所述测试设备安置架(9)上的振源设备和激光位移传感器(11)，所述振源设备用于提供振源；所述激光位移传感器(11)用于测试距离所述太阳能帆板(3)的振动位移。
7.根据权利要求6所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述设备安置架(9)的侧面且正对于所述太阳能帆板(3)的方向安装有两个所述激光位移传感器(11)。
8.根据权利要求6所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述测试设备安置架(9)上沿高度方向间隔设置有多个设备安置基板(10)，所述振源设备设置于设备安置基板(10)上。
9.根据权利要求8所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述设备安置架(9)的材料是铝型材，所述设备安置架(9)具有安置架型材凹槽(24)，所述设备安置基板(10)嵌设于安置架型材凹槽(24)内。
10.根据权利要求6所述的空间太阳能帆板主动抑振试验系统，其特征在于：所述设备安置架(9)的底部螺纹连接有底座支撑Ⅱ(27)。
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