CN117262260B - 基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置与方法，属于飞行器控制与地面仿真技术领域，解决微重力模拟系统复杂、测量精度低且不能实现平动问题。本发明的装置结构简单、体积较小，可以实现平动；针对垂向微重力模拟方法，提供了垂向气缸气压检测控制的粗精测双回路控制方法，且方法测量精度高；根据执行器的滞后特性，采用预测控制以及前馈方法来消除时滞部分对系统带来的影响。针对需要快速补偿的垂向扰动力，本装置配置了扇推卸载模块来直接对其进行补偿。本发明适用于三自由度平动微重力模拟，以保证航天器在轨运行的可靠性。

Description

基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置与方法

技术领域

本申请涉及飞行器控制与地面仿真技术领域，尤其涉及三自由度平动微重力模拟。

背景技术

地面微重力模拟是随着航天技术的发展而出现的新研究领域，相比于数字仿真和理论评估，通过微重力模拟所得到的试验数据真实性、可靠性更强，具有不可替代的优势。为保证航天器在轨运行的可靠性，微重力地面模拟试验是一项必不可少的工作。

现有技术如公告号为CN111086662A，公开日为年05月01日的中国专利公开的一种适用于多自由度实验对象的三维主动重力卸载装置中系统复杂，二维平动无摩擦实现装置体积较大。

2021年06月01日刘征在中国知网中公开了微重力模拟用磁气悬吊系统混合磁单元设计，只对垂向重力进行了抵消，即只能对航天器进行垂向微重力模拟而不能实现平动。

2021年06月01日姜宏操在中国知网中公开了空间飞行器三维微重力模拟技术，仿真效果较好，但是该方法需要在实验平台上方加装支撑架、滑轨伺服电机等辅助设备，系统较为复杂；气缸内压强测量精度不高。

发明内容

本发明目的是为了解决现有微重力模拟系统复杂、测量精度低且不能实现平动的问题，提供了基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置和方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，所述模拟装置包括：工业相机、靶标、仪表平台、气缸系统、扇推卸载模块、光栅、基座、气足以及大理石平台；

气缸系统包括气缸动子和气缸定子；

基座的底部通过气足悬浮在大理石平台上；

气足通过机械装置与基座连接；

基座上平面的中心位置与气缸系统下端面连接；

气缸系统外壁设有光栅；

气缸动子上端部与仪表平台连接，仪表平台上部与靶标连接；

其中，

气足用于实现水平面内的无摩擦二维运动；

通过气缸系统的浮力抵消仪表平台垂向运动的重力以实现垂向微重力模拟；

扇推卸载模块由涡轮电机、涡轮电机风扇、电调和力传感器组成，所述涡轮电机风扇安装在涡轮电机的转轴上，二者组合以输出垂向补偿力，涡轮电机的底座与力传感器一侧固连，力传感器的另一侧与气缸动子下部固连，且涡轮电机风扇产生的力的方向与气缸动子竖直方向平行；所述电调安装在气缸动子下部，用于控制涡轮电机风扇正转或反转以输出垂向补偿力；

光栅用于测量气缸动子的垂向位置。

进一步地，气缸定子内壁含有气浮导轨,用以实现气缸动子垂向的低阻尼导向；每组气浮导轨内含有高低不同的多组节流孔；

气缸定子包括气缸系统气瓶组、减压阀、气容、第一组粗调比例阀、第一组精调比例阀、气腔、开关阀、压差传感器、压强传感器、第二组粗调比例阀、第二组精调比例阀以及控制系统；

气腔包括精测腔室和粗测腔室；

第一组精调比例阀和第一组粗调比例阀安装在气腔外壁一侧，用于控制高压气体进入气腔；第二组粗调比例阀和第二组精调比例阀安装在气腔外壁另一侧，用于控制高压气体从气腔排出；

其中，气缸系统气瓶组中的高压气体经过减压阀、气容、第一组粗调比例阀和第一组精调比例阀进入气腔；再通过控制第二组粗调比例阀和第二组精调比例阀溢出；

压差传感器用于测量精测腔室和粗测腔室之间的气压差值；

压强传感器用于测量粗测腔室的气压值；

控制系统用于控制第一组粗调比例阀、第一组精调比例阀、第二组粗调比例阀、第二组精调比例阀以及扇推卸载模块平衡仪表平台的重力。

进一步地，仪表平台包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元以及通讯模块；

所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；

所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

所述控制单元包括控制计算机、驱动板和执行器电磁阀；

控制计算机通过网络接收台下指令并执行控制算法，随后将计算后的控制量信号传输给驱动板，驱动板控制电磁阀的开启或关闭，电磁阀起着连接电路和气路的作用，电磁阀开启时气体排出，关闭时气体停止排出；

所述通讯模块通过网络传输接收台下控制指令。

进一步地，仪表平台的控制方法，具体包括：

通讯模块接收台下指令，控制计算机计算控制量并发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动。

进一步地，设水平面内台体坐标系C-ST以及世界坐标系O-XY，所述冷气推进系统分布位置及坐标关系为：C-ST坐标系的S轴与O-XY坐标系的Y轴夹角为45度，C-ST坐标系的T轴与O-XY坐标系的X轴之间的夹角为45度；控制水平二维运动的四个喷嘴对称安装在ST两坐标轴所夹的中心位置，呈对称分布，同时喷嘴1、2的喷气方向与S轴正方向呈45度夹角且互相垂直，喷嘴3、4的喷气方向与S轴负方向呈45度夹角且互相垂直。

进一步地，仪表平台中的控制计算机通过气瓶压力传感器测量气浮上平台气瓶组压力来计算扰动力，并将所述扰动力信息反馈给扇推卸载模块。

第二方面，本发明提供一种针对如上文所述的三自由度平动微重力模拟装置的模拟方法，所述方法包括：

控制系统接收仪表平台气瓶质量消耗数据以及位置控制指令来计算控制量，所述控制量为垂向力；

将变化速度大于预设速度且数值小于预设数值的控制量交由扇推卸载模块控制器，由扇推卸载模块输出对应的补偿力；

将变化速度小于所述预设速度或数值大于所述预设数值的控制量交由气缸气压控制器，通过控制气腔内气体压强来输出期望的垂向力。

进一步地，所述通过控制气腔内气体压强来输出期望的垂向力，具体包括：

步骤1、打开开关阀，使精测腔室与粗测腔室内气体联通，保证两腔室内气体压强一致；

步骤2、待压强传感器示数稳定后，关闭开关阀，读取压差传感器实数，则气缸内实时气压为两传感器示数相加；

步骤3、在气缸期望气压与实际气压差值大于预设值时，采用第一组粗调比例阀和第二组粗调比例阀调节气缸内气体气压；否则，采用第一组精调比例阀和第二组精调比例阀调节气缸内气压。

进一步地，所述方法还包括：

引入Smith预测控制方法来补偿滞后环节对系统造成的影响，具体为：

在系统控制的反馈控制基础上，引入一个预估补偿环节，并与控制器反方向并联，得到一个消除了时滞部分的被控量，再反馈到控制器，使闭环特征方程不含纯滞后项。

进一步地，所述方法还包括：

在垂向位置控制中将光栅尺测量的位移信号作为前馈。

本发明的有益效果：

针对航天器三维平动模拟装置，本发明提出一种装置简单，自动化程度高的基于智能调压技术的三维平动微重力模拟装置与方法。

1、针对需要快速补偿的垂向扰动力，设置了扇推卸载模块来直接对其进行补偿，该扇推卸载模块由涡轮电机风扇、电调和力传感器组成，本发明的扇推卸载模块可以加快系统响应时间，在仪表平台运动过程中，气缸输出的垂向补偿力会有微小变化，扇推卸载模块也能够辅助卸载该微小变化值。

2、给出了该装置的系统组成，且系统结构简单、体积较小，可以实现平动；

3、针对垂向微重力模拟方法，提供了垂向气缸气压检测控制的粗精测双回路控制方法，且方法测量精度高；

4、根据执行器的滞后特性，采用预测控制以及前馈方法来消除时滞部分对系统带来的影响。

本发明适用于三自由度平动微重力模拟，以保证航天器在轨运行的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的结构示意图；

图2为本发明的冷气推进系统分布位置及坐标关系的示意图；

图3为本发明的垂向运动单元系统组成示意图；

图4为本发明的扇推卸载模块结构示意图；

图5为本发明的气缸系统输出力的整体控制流图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

具体实施方式一、一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，所述模拟装置包括：工业相机1、靶标2、仪表平台3、气缸系统4、扇推卸载模块7、光栅8、基座9、气足10以及大理石平台11；

气缸系统4包括气缸动子5和气缸定子6；

基座9的底部通过气足10悬浮在大理石平台11上；

气足10通过机械装置与基座9连接；

基座9上平面的中心位置与气缸系统4下端面连接；

气缸系统4外壁设有光栅8和扇推卸载模块7；

气缸动子5上端部与仪表平台3连接，仪表平台3上部与靶标2连接；

其中，

气足10用于实现水平面内的无摩擦二维运动；

通过气缸系统4的浮力抵消仪表平台3垂向运动的重力以实现垂向微重力模拟；

如图4所示，扇推卸载模块冷气推进系统7冷气推进系统由涡轮电机、涡轮电机风扇、电调和力传感器组成，所述涡轮电机风扇安装在涡轮电机的转轴上，二者组合以输出垂向补偿力，涡轮电机的底座与力传感器一侧固连，力传感器的另一侧与气缸动子冷气推进系统5冷气推进系统下部固连，且涡轮电机风扇产生的力的方向与气缸动子冷气推进系统5冷气推进系统竖直方向平行；所述电调安装在气缸动子冷气推进系统5冷气推进系统下部，用于控制涡轮电机风扇正转或反转以输出垂向补偿力；

光栅8用于测量气缸动子5的垂向位置。

本实施方式中的微重力模拟装置系统结构简单、体积较小，可以实现平动。并且通过该模拟装置进行的模拟方法可以实现垂向气缸气压检测控制的粗精测双回路控制方法，并根据执行器的滞后特性，采用预测控制以及前馈方法来消除时滞部分对系统带来的影响。针对需要快速补偿的垂向扰动力，本装置配置了扇推卸载模块来直接对其进行补偿，具体为：

首先，为了加快系统响应时间，装置加入了扇推卸载模块。该装置通过改变涡轮电机风扇中的电流来改变风扇转速进而改变垂向输出力的大小。由于电流建立时间极短，输出力矩建立时间可以忽略不计，因此该模块可以加快系统的响应时间。该装置由涡轮电机风扇、电调和力传感器组成，其结构图如图4所示；

其次，装置整体采用气浮的方法，在整个装置底部安装气足以实现水平面内的无摩擦二维运动；通过气缸系统4的浮力抵消运动部分的重力以实现垂向微重力模拟。在此基础上，为了能够快速准确的抵消各种扰动力，系统配置了以涡轮电机风扇、电调和力传感器组成的扇推卸载模块，仪表平台中的控制计算机通过气瓶压力传感器精确测量气浮上平台气瓶组压力来计算扰动力并将该信息反馈扇推卸载模块以实现垂向扰动力的卸载。整体装置的功能为在地面实验环境实现三自由度的航天器运动模拟，其中三自由度包括微摩擦力的二维平动以及微重力的垂向方向运动模拟。

具体实施方式二，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的进一步限定，本实施方式中，对气缸定子6，做了进一步限定，具体包括：

气缸定子6内壁含有气浮导轨(具体可以为气腔26的内壁)，用以实现气缸动子垂向的低阻尼导向；每组气浮导轨内含有高低不同的多组节流孔以使气缸动子升起和落下时气膜均能够保持稳定；气浮导轨包含在气腔中为机械结构，为气缸定子的组成。

气缸定子6包括气缸系统气瓶组21、减压阀22、气容23、第一组粗调比例阀24、第一组精调比例阀25、气腔26、开关阀29、压差传感器210、压强传感器211、第二组粗调比例阀212、第二组精调比例阀213以及控制系统214；

气腔26包括精测腔室27和粗测腔室28；

第一组精调比例阀25和第一组粗调比例阀24安装在气腔26外壁一侧，用于控制高压气体进入气腔；第二组粗调比例阀212和第二组精调比例阀213安装在气腔26外壁另一侧，用于控制高压气体从气腔排出；

其中，气缸系统气瓶组21中的高压气体经过减压阀22、气容23、第一组粗调比例阀24和第一组精调比例阀25进入气腔26；再通过控制第二组粗调比例阀212和第二组精调比例阀213溢出；

压差传感器210用于测量精测腔室27和粗测腔室28之间的气压差值；

压强传感器211用于测量粗测腔室28的气压值；

控制系统214用于控制第一组粗调比例阀24、第一组精调比例阀25、第二组粗调比例阀212、第二组精调比例阀213以及扇推卸载模块7平衡仪表平台的重力。

本实施方式提出的气缸压强“粗测+精测”双回路测量控制方法既可以提高气体压强测量精度，也能通过粗/精比例阀的选择控制提高气缸压强控制精度。

其中，粗调比例阀为连接口径为8mm的气体开关阀；细调比例阀为连接口径为3mm的气体开关阀。

具体实施方式三，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的进一步限定，本实施方式中，对仪表平台3，做了进一步限定，具体包括：

仪表平台3包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元以及通讯模块；

所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；

所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

所述控制单元包括控制计算机、驱动板和执行器电磁阀；

控制计算机通过网络接收台下指令并执行控制算法，随后将计算后的控制量信号传输给驱动板，驱动板控制电磁阀的开启或关闭，电磁阀起着连接电路和气路的作用，电磁阀开启时气体排出，关闭时气体停止排出；

所述通讯模块通过网络传输接收台下控制指令。

本实施方式中，仪表平台三的作用为：模拟航天器对整个装置的运动进行控制并提供安装其他实验设备的接口。

具体实施方式四，本实施方式是对实施方式三所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的进一步限定，本实施方式中，对仪表平台3的控制方法，做了进一步限定，具体包括：

仪表平台3的控制方法，具体包括：

通讯模块接收台下指令，控制计算机计算控制量并发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动。

本实施方式中，仪表平台正上方的相机不属于仪表平台通过实时采集靶标的位置信息并通过网络传输反馈给控制计算机进而控制冷气推进系统完成二维平动及转动的闭环控制。

具体实施方式五，本实施方式是对实施方式三所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的进一步限定，本实施方式中，对冷气推进系统分布位置及坐标关系，做了进一步限定，具体包括：

设水平面内台体坐标系C-ST以及世界坐标系O-XY，所述冷气推进系统分布位置及坐标关系为：C-ST坐标系的S轴与O-XY坐标系的Y轴夹角为45度，C-ST坐标系的T轴与O-XY坐标系的X轴之间的夹角为45度；控制水平二维运动的四个喷嘴对称安装在ST两坐标轴所夹的中心位置，呈对称分布，同时喷嘴1、2的喷气方向与S轴正方向呈45度夹角且互相垂直，喷嘴3、4的喷气方向与S轴负方向呈45度夹角且互相垂直。

本实施方式中，冷气推进系统分布位置及坐标关系的设置可以实现控制的方便性，以便实现水平面内平动控制。

具体实施方式六，本实施方式是对实施方式三所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的进一步限定，本实施方式中，对仪表平台3，做了进一步限定，具体包括：

仪表平台3中的控制计算机通过气瓶压力传感器测量气浮上平台气瓶组压力来计算扰动力，并将所述扰动力信息反馈给扇推卸载模块7。

本实施方式中，对于快速扰动力的补偿，提出的扇推卸载模块直接补偿方案具有结构简单、体积小、高速、高加速和响应快等优点，同时引入了力传感器，能对扇推卸载模块输出的补偿力进行闭环控制，提高了补偿精度，实现了无接触无其他悬线设备的基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟。

具体实施方式七，本实施方式是基于如上文所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的模拟方法，具体包括：

一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的模拟方法，所述方法包括：

控制系统接收仪表平台气瓶质量消耗数据以及位置控制指令来计算控制量，所述控制量为垂向力；

将变化速度大于预设速度且数值小于预设数值的控制量交由扇推卸载模块控制器，由扇推卸载模块7输出对应的补偿力；

将变化速度小于所述预设速度或数值大于所述预设数值的控制量交由气缸气压控制器，通过控制气腔内气体压强来输出期望的垂向力。

本实施方式中，针对垂向微重力模拟方法，提供了垂向气缸气压检测控制的粗精测双回路控制方法，并根据执行器的滞后特性，采用预测控制以及前馈方法来消除时滞部分对系统带来的影响。

针对需要快速补偿的垂向扰动力，本装置配置了扇推卸载模块来直接对其进行补偿。对于快速扰动力的补偿，提出的扇推卸载模块直接补偿方案具有结构简单、体积小、高速、高加速和响应快等优点，同时引入了力传感器，能对扇推卸载模块输出的补偿力进行闭环控制，提高了补偿精度，实现了无接触无其他悬线设备的基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟。

具体实施方式八，本实施方式是对实施方式七所述的模拟方法的进一步限定，本实施方式中，对所述通过控制气腔内气体压强来输出期望的垂向力，做了进一步限定，具体包括：

步骤1、打开开关阀29，使精测腔室27与粗测腔室28内气体联通，保证两腔室内气体压强一致；

步骤2、待压强传感器211示数稳定后，关闭开关阀29，读取压差传感器210实数，则气缸内实时气压为两传感器示数相加；

步骤3、在气缸期望气压与实际气压差值大于预设值时，采用第一组粗调比例阀24和第二组粗调比例阀212调节气缸内气体气压；否则，采用第一组精调比例阀25和第二组精调比例阀213调节气缸内气压。

本实施方式中，针对垂向微重力模拟方法，提供了垂向气缸气压检测控制的粗精测双回路控制方法，并根据执行器的滞后特性，采用预测控制以及前馈方法来消除时滞部分对系统带来的影响。

具体实施方式九，本实施方式是对实施方式七所述的模拟方法的进一步限定，本实施方式中，对所述模拟方法，做了进一步限定，具体包括：

所述方法还包括：

引入Smith预测控制方法来补偿滞后环节对系统造成的影响，具体为：

在系统控制的反馈控制基础上，引入一个预估补偿环节，并与控制器反方向并联，得到一个消除了时滞部分的被控量，再反馈到控制器，使闭环特征方程不含纯滞后项。

本实施方式中，针对气缸这一滞后系统，在该三维平动模拟装置控制中加入预估控制，提高了压力控制精度。

具体实施方式十，本实施方式是对实施方式七所述的模拟方法的进一步限定，本实施方式中，对所述模拟方法，做了进一步限定，具体包括：

所述方法还包括：

在垂向位置控制中将光栅尺测量的位移信号作为前馈。

本实施方式中，针对气缸这一滞后系统，在该三维平动模拟装置控制中加入前馈方法，提高了压力控制精度。

具体实施方式十一，本实施方式是如上文所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置的实施例，具体包括：

基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置：整体装置如图1所示，该装置由工业相机1、靶标2、仪表平台3、气缸系统4(由气缸动子5和气缸定子6组成)、扇推卸载模块7、光栅8、基座9、气足10以及大理石平台11等组成。装置整体采用气浮的方法，在整个装置底部安装气足以实现水平面内的无摩擦二维运动；通过气缸系统4的浮力抵消运动部分的重力以实现垂向微重力模拟。在此基础上，为了能够快速准确的抵消各种扰动力，系统配置了扇推卸载模块7，仪表平台中的控制计算机通过气瓶压力传感器精确测量气浮上平台气瓶组压力来计算扰动力并将该信息反馈给扇推卸载模块以实现垂向扰动力的卸载。整体装置的功能为在地面实验环境实现三自由度的航天器运动模拟，其中三自由度包括微摩擦力的二维平动以及微重力的垂向方向运动模拟。

装置所在的实验室天花板上安装了工业相机1，镜头方向竖直向下，以观测装置运动的整个过程；

基座9悬浮在一整块大理石平台11上，两者之间通过底部气足10产生的气膜连接。气足10通过机械装置与基座9固连，三个气足相对于基座中心呈对称分布；

基座9上平面中心位置通过法兰圆盘等机械装置与气缸4下端面进行连接。气缸定子6内部为气缸动子5，二者间通过固定在气缸定子6内壁的气浮导轨上的多组节流孔产生的气膜连接；

气缸定子6外壁固定安装了光栅读数头，气缸定子6外壁安装了光栅尺，能够实现不接触的垂向位置测量；

扇推卸载模块7由涡轮电机风扇、电调、压力传感器组成，其中涡轮电机风扇的底座与力传感器一侧固连，力传感器的另一侧与气缸动子下部固连，且涡轮电机风扇产生的力的方向与气缸动子竖直方向平行；电调安装在气缸动子下部，用于控制涡轮电机风扇正转或反转以输出垂向补偿力。

气缸动子5上端部采用机械装置与仪表平台3进行固连，仪表平台3上部通过机械装置固连了靶标2。

(1)仪表平台

仪表平台由冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元以及通讯模块等组成。

冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整。

仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体。

控制单元包括控制计算机、驱动板和执行器电磁阀。控制计算机通过网络接收台下指令并执行控制算法，随后将计算后的控制量信号通过串口传输给驱动板，驱动板控制电磁阀的开启或关闭，电磁阀起着连接电路和气路的作用，电磁阀开启时气体排出，关闭时气体停止排出。

通讯模块为内嵌在控制计算机中的软件程序，通过网络传输接收台下控制指令。

上述四个模块的执行先后顺序为：首先通讯模块接收台下指令，控制计算机计算控制量并通过串口发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动。

仪表平台正上方的相机(不属于仪表平台)通过实时采集靶标的位置信息并通过网络传输反馈给控制计算机进而控制冷气推进系统完成二维平动及转动的闭环控制。

为了方便控制，设水平面内台体坐标系C-ST以及世界坐标系O-XY，如图2所示，冷气推进系统分布位置及坐标关系为：C-ST坐标系的S轴与O-XY坐标系的Y轴夹角为45度，C-ST坐标系的T轴与O-XY坐标系的X轴之间的夹角也为45度。设F1、F2、F3、F4分别为水平面内四个喷嘴输出的推力。控制水平二维运动的四个喷嘴对称安装在ST两坐标轴所夹的中心位置，呈对称分布，同时喷嘴1、2的喷气方向与S轴正方向呈45度夹角且互相垂直，喷嘴3、4的喷气方向与S轴负方向呈45度夹角且互相垂直，以便实现水平面内平动控制。

(2)气缸系统

气缸系统包括气缸动子5和气缸定子6；

气缸定子6由气缸系统气瓶组21,减压阀22,气容23,第一组粗调比例阀(气体连接孔径为8mm)24，第一组精调比例阀(气体连接孔径为3mm)25，气腔26(由精测腔室27和粗测腔室28组成)，开关阀29，压差传感器210、压强传感器211、第二组粗调比例阀212(气体连接孔径为8mm),第二组精调比例阀213(气体连接孔径为3mm)，控制系统214。

粗调比例阀为连接口径为8mm的气体开关阀；细调比例阀为连接口径为3mm的气体开关阀。

其中，气缸定子内壁含有气浮导轨,用以实现气缸动子垂向的低阻尼导向。每组气浮导轨内含有高低不同的多组节流孔以使气浮导轨动子升起和落下时气膜均能够保持稳定。

第一组精调比例阀和第一组粗调比例阀,精调比例阀5，气6安装在气缸定子外壁一侧，用于控制高压气体进入气腔；第二组精调比例阀和第二组粗调比例阀安装在气缸定子外壁另一侧(与第一组安装位置相对)，用于控制高压气体从气腔排出。

高压气瓶组中的高压气体先经过气容再经过减压阀22、气容23以及比例阀24或25进入气腔26，通过气体浮力支撑仪表平台等负载；垂向位置信息由光栅尺实时测量完成控制闭环。经过气容23目的为提前存储一些气体避免流量不够。

垂向单元系统组成如图3所示。

气缸系统的输入为高压气瓶的高压气体。高压气体经过减压阀后，经由第一组比例阀(即第一组粗调比例阀24和第一组精调比例阀25)进入气缸定子的气腔内，通过控制第二组比例阀(即第二组粗调比例阀212和第二组精调比例阀213)溢出。

实施方式十二，本实施方式是基于如上文所述的模拟方法的实施例，具体包括：

为了能够精确测量并控制气腔内的气压,该装置设计了“粗调+精调”的双回路控制方案。由粗调比例阀24、212和压强传感器211构成粗调回路，对气腔内的压力进行粗控；在粗控的基础上由压差传感器210和精调比例阀25、213构成精调回路，采用粗精耦合的方式，对气腔内的压力进行精确控制。

粗调比例阀和细调比例阀均由多个电磁阀组成。气腔内气体压强“粗测+精测”步骤如下：

步骤1：打开开关阀29，使粗测腔室28与精测27腔室内气体联通，此时两腔室内气体压强一致。

步骤2：待压强传感器211示数基本稳定后，关闭开关阀29，读取压差传感器210实数，则气腔内实时气压为两传感器示数相加。

在气缸期望气压与实际气压差值较大时，主要采用打开或关闭第一组粗调比例阀24和第二组粗调比例阀212调节气缸内气体气压；在气缸期望气压与实际气压差值较小时(平衡点处波动)，则主要打开或关闭第一组细调比例阀25和第二组细调比例阀213调节气缸内气压。

对于一些需要快速响应的干扰力则通过扇推卸载模块7卸载。扇推卸载模块需要补偿的力为：气瓶工质消耗较少重量+气缸补偿的垂向力偏差(相较于初始状态)。

对于需要快速响应的干扰力，引入了扇推卸载模块。该扇推卸载模块具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性，可直接输出作用在仪表平台上的补偿力。气缸系统输出力的整体控制流图如图5所示。流程为：控制系统接收仪表平台气瓶质量消耗数据以及位置控制指令来计算控制量(控制量为垂向力)，通过分配器将变化速度大于预设速度并且数值小于预设数值的控制量交由扇推卸载模块执行，并通过力传感器实时测量扇推模块当前输出力，通过控制计算机调节电调的电流输出直至补偿力的测量值与期望值相同；将变化较慢、数值较大的控制量交由气缸气压控制器，并最终通过控制粗精调比例阀控制气缸内气体压强来输出期望的垂向力。同时，扇推卸载模块输出的力可由力传感器测得，气腔气压由“精调+粗调”方法进行测量，两者相加得到合力并反馈给控制系统，实现力输出的闭环控制。

由于传感器的测量延迟和执行器(比例阀)处存在的延迟,导致整个系统存在时间滞后,因此引入Smith预测控制方法来补偿滞后环节对系统造成的影响。在系统控制的反馈控制基础上，引入一个预估补偿环节，并与控制器反方向并联，得到一个消除了时滞部分的被控量，再反馈到控制器，使闭环特征方程不含纯滞后项。该方法的基本原理是通过预估对象的动态特性，用一个预估模型进行时间滞后的补偿，补偿器与被控对象共同构成一个几乎没有时间滞后的被控对象。

气缸气腔模型表示为：

其中，P为理想气体的压强，为流入气腔的气流量，R为理想气体常数,T为理想气体温度，A为气腔底面积，L为气缸位移量。则若使流入气腔的气流量/>与气腔的体积变化率呈一定的比例关系，就可以使气腔内的压强变化率/>近似不变。因此为了加快系统响应速度，在垂向位置控制中将光栅尺测量的位移信号作为前馈以改善压力控制效果。仿真结果表明，前馈方法可以使压力偏移量进一步减小，得到更好的控制效果。

(3)基座及气足

整个装置下部的基座以及气足(平面气浮轴承)构成了气浮支撑系统，使得整个装置浮于大理石平台上并支撑整个系统做水平面内的二维运动。三个气足位于基座下部并与基座固连，相对于基座中心呈对称分布。气体经过气浮轴承与平台之间形成气垫，产生的反作用力使整个试验台悬浮起来，达到对航天器在轨失重环境下无摩擦状态模拟的目的。

本申请提出的气缸压强“粗测+精测”双回路测量控制方法既可以提高气体压强测量精度，也能通过粗/精比例阀的选择控制提高气缸压强控制精度。

针对气缸这一滞后系统，在该三维平动模拟装置控制中加入预估控制以及前馈方法，提高了压力控制精度。

对于快速扰动力的补偿，提出的扇推卸载模块直接补偿方案具有结构简单、体积小、高速、高加速和响应快等优点，同时对扇推卸载模块输出力进行闭环控制，提高了补偿精度，实现了无接触(无其他悬线设备)的基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟。

Claims (9)

1.一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括：工业相机(1)、靶标(2)、仪表平台(3)、气缸系统(4)、扇推卸载模块(7)、光栅(8)、基座(9)、气足(10)以及大理石平台(11)；

气缸系统(4)包括气缸动子(5)和气缸定子(6)；

基座(9)的底部通过气足(10)悬浮在大理石平台(11)上；

气足(10)通过机械装置与基座(9)连接；

基座(9)上平面的中心位置与气缸系统(4)下端面连接；

气缸系统(4)外壁设有光栅(8)；

气缸动子(5)上端部与仪表平台(3)连接，仪表平台(3)上部与靶标(2)连接；

其中，

气足(10)用于实现水平面内的无摩擦二维运动；

通过气缸系统(4)的浮力抵消仪表平台(3)垂向运动的重力以实现垂向微重力模拟；

扇推卸载模块(7)由涡轮电机、涡轮电机风扇、电调和力传感器组成，所述涡轮电机风扇安装在涡轮电机的转轴上，二者组合以输出垂向补偿力，涡轮电机的底座与力传感器一侧固连，力传感器的另一侧与气缸动子(5)下部固连，且涡轮电机风扇产生的力的方向与气缸动子(5)竖直方向平行；所述电调安装在气缸动子(5)下部，用于控制涡轮电机风扇正转或反转以输出垂向补偿力；

光栅(8)用于测量气缸动子(5)的垂向位置；

气缸定子(6)内壁含有气浮导轨,用以实现气缸动子垂向的低阻尼导向；每组气浮导轨内含有高低不同的多组节流孔；

气缸定子(6)包括气缸系统气瓶组(21)、减压阀(22)、气容(23)、第一组粗调比例阀(24)、第一组精调比例阀(25)、气腔(26)、开关阀(29)、压差传感器(210)、压强传感器(211)、第二组粗调比例阀(212)、第二组精调比例阀(213)以及控制系统(214)；

气腔(26)包括精测腔室(27)和粗测腔室(28)；

第一组精调比例阀(25)和第一组粗调比例阀(24)安装在气腔(26)外壁一侧，用于控制高压气体进入气腔；第二组粗调比例阀(212)和第二组精调比例阀(213)安装在气腔(26)外壁另一侧，用于控制高压气体从气腔排出；

其中，气缸系统气瓶组(21)中的高压气体经过减压阀(22)、气容(23)、第一组粗调比例阀(24)和第一组精调比例阀(25)进入气腔(26)；再通过控制第二组粗调比例阀(212)和第二组精调比例阀(213)溢出；

压差传感器(210)用于测量精测腔室(27)和粗测腔室(28)之间的气压差值；

压强传感器(211)用于测量粗测腔室(28)的气压值；

控制系统(214)用于控制第一组粗调比例阀(24)、第一组精调比例阀(25)、第二组粗调比例阀(212)、第二组精调比例阀(213)以及扇推卸载模块(7)平衡仪表平台的重力。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，其特征在于，仪表平台(3)包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元以及通讯模块；

所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；

所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

所述控制单元包括控制计算机、驱动板和执行器电磁阀；

控制计算机通过网络接收台下指令并执行控制算法，随后将计算后的控制量信号传输给驱动板，驱动板控制电磁阀的开启或关闭，电磁阀起着连接电路和气路的作用，电磁阀开启时气体排出，关闭时气体停止排出；

所述通讯模块通过网络传输接收台下控制指令。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，其特征在于，仪表平台(3)的控制方法，具体包括：

通讯模块接收台下指令，控制计算机计算控制量并发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动。

4.根据权利要求2所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，其特征在于，设水平面内台体坐标系C-ST以及世界坐标系O-XY，所述冷气推进系统分布位置及坐标关系为：C-ST坐标系的S轴与O-XY坐标系的Y轴夹角为45度，C-ST坐标系的T轴与O-XY坐标系的X轴之间的夹角为45度；控制水平二维运动的四个喷嘴对称安装在ST两坐标轴所夹的中心位置，呈对称分布，同时喷嘴1、2的喷气方向与S轴正方向呈45度夹角且互相垂直，喷嘴3、4的喷气方向与S轴负方向呈45度夹角且互相垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置，其特征在于，仪表平台(3)中的控制计算机通过气瓶压力传感器测量气浮上平台气瓶组压力来计算扰动力，并将所述扰动力信息反馈给扇推卸载模块(7)。

6.一种针对权利要求1所述的三自由度平动微重力模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

控制系统接收仪表平台气瓶质量消耗数据以及位置控制指令来计算控制量，所述控制量为垂向力；

将变化速度大于预设速度且数值小于预设数值的控制量交由扇推卸载模块控制器，由扇推卸载模块(7)输出对应的补偿力；

将变化速度小于所述预设速度或数值大于所述预设数值的控制量交由气缸气压控制器，通过控制气腔内气体压强来输出期望的垂向力。

7.根据权利要求6所述的模拟方法，其特征在于，所述通过控制气腔内气体压强来输出期望的垂向力，具体包括：

步骤1、打开开关阀(29)，使精测腔室(27)与粗测腔室(28)内气体联通，保证两腔室内气体压强一致；

步骤2、待压强传感器(211)示数稳定后，关闭开关阀(29)，读取压差传感器(210)实数，则气缸内实时气压为两传感器示数相加；

步骤3、在气缸期望气压与实际气压差值大于预设值时，采用第一组粗调比例阀(24)和第二组粗调比例阀(212)调节气缸内气体气压；否则，采用第一组精调比例阀(25)和第二组精调比例阀(213)调节气缸内气压。

8.根据权利要求6所述的模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

引入Smith预测控制方法来补偿滞后环节对系统造成的影响，具体为：

在系统控制的反馈控制基础上，引入一个预估补偿环节，并与控制器反方向并联，得到一个消除了时滞部分的被控量，再反馈到控制器，使闭环特征方程不含纯滞后项。

9.根据权利要求6所述的模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

在垂向位置控制中将光栅尺测量的位移信号作为前馈。