旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量控制裝置及方法與流程

本發明屬于柔性梁振動控制領域，涉及旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量控制裝置及方法。

背景技術：

旋轉柔性梁系統模型在實際工程中有著廣泛的應用，尤其體現在含大尺寸附件的航天器中的應用上，如含大尺寸太陽翼、天線等航天器。這一類附件展開面積大，質心遠離航天器本體，具有跨度大、厚度薄、剛度低、阻尼弱等特點，在航天器的太空工作過程中，這類附件容易受到各種干擾而引起振動。如果不能快速的抑制這些振動，將影響航天器運行的穩定性與指向精度，導致系統工作性能下降，甚至直接威脅著航天器的運行安全。盡管含大尺寸附件航天器的振動控制受到了國內外的廣泛關注，然而對于其大尺寸附件驅動引起的在平衡點附近的小幅值剛柔耦合振動的研究卻相對較少，而這類耦合振動在實際航天工作中常會進一步誘發航天器的微振動，影響航天器的工作性能，特別是高精度航天器。因此，研究驅動作用下的旋轉梁剛柔耦合系統的振動半主動控制成為了當今國內外普遍關注而富有挑戰的重要課題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量控制裝置及方法。設計質量塊可移動的柔性梁，通過在不同位置進行配重，改變柔性振動系統的轉動慣量與振動基頻，可以研究柔性系統自身結構對剛柔耦合振動的影響。通過對步進電機的轉速控制，改變步進電機的驅動方式，實現配重柔性梁在不同運動工況下的剛柔耦合振動分析，采用旋轉磁流變阻尼器來進行柔性梁的剛柔耦合振動控制，其具有控制響應快、阻尼連續可調、能耗低、質量小、結構緊湊、魯棒性好、可靠性高等諸多特點，特別適合于航天器上各種附件的振動控制應用。通過對柔性振動、旋轉振動及干擾力矩的多反饋信息綜合，得出系統所需阻尼力矩，再利用磁流變阻尼器進行統一控制，對旋轉柔性梁剛柔耦合系統實現多輸入但輸出的半主動振動控制。同時，各個固定面板在測試臺架上的相對位置可調，實現扭矩傳感器、阻尼器的選型設計。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量控制裝置，包括配重柔性梁部分、振動及振動干擾信號檢測部分、步進電機驅動控制部分和磁流變阻尼振動控制部分；

所述配重柔性梁部分為：柔性梁(3)一端通過機械夾持裝置(6)與剛性傳動軸連接，剛性傳動軸由諧波減速器(15)輸出軸、扭矩傳感器(11)輸入及輸出軸、磁流變阻尼器(8)輸入及輸出軸和機械夾持裝置(6)輸入軸通過剛性連軸器(7)構成，柔性梁(3)另一端通過螺栓(1)固定調節好位置的質量塊(2)進行配重；

所述振動及振動干擾信號檢測部分為：應變片傳感器(4)粘貼在柔性梁靠近機械夾持裝置一段的根部，角加速度傳感器(5)安裝于剛性傳動軸的末端，扭矩傳感器(11)安裝于諧波減速器(15)與磁流變阻尼器(8)之間；

所述應變片傳感器(4)檢測配重柔性梁的彎曲振動信號，角加速度傳感器(5)檢測剛性傳動軸旋的轉加速度信號及扭矩傳感器(11)檢測剛性傳動軸上的振動干擾力矩信號，通過信號接收模塊(12)處理后，輸入到計算機(13)得到反饋信號；

所述步進電機驅動控制部分為：步進電機(18)固定于步進電機固定面板(17)上，步進電機(18)的輸出軸通過剛性聯軸器(7)連接到諧波減速器(15)的輸入軸，諧波減速器(15)固定于諧波減速器固定面板(14)上，諧波減速器(15)輸出軸通過剛性聯軸器與扭矩傳感器(11)的輸入軸相連，所述步進電機(17)采用速度控制方式與步進電機驅動器(16)相連接，步進電機驅動器(16)與計算機(13)相連，用于步進電機的轉速控制，實現對配重柔性系統的旋轉驅動；

所述磁流變阻尼器振動控制部分為：磁流變阻尼器(8)固定于磁流變阻尼器固定面板(9)上，磁流變阻尼器(8)輸入軸通用剛性聯軸器與扭矩傳感器(11)的輸出軸相連，磁流變阻尼器(8)輸出軸通用剛性連軸器(7)與柔性梁的機械夾持裝置(6)的輸入軸相連，磁流變阻尼器(8)線圈與磁流變阻尼器驅動器(10)相連，用于調節磁流變阻尼器輸出的阻尼力矩，磁流變阻尼器驅動器(10)與計算機(13)相連接，用于磁流變阻尼器阻尼力矩的控制。

進一步，所述配重柔性梁有2根，對稱的安裝于機械加持裝置兩邊；所述柔性梁上的配重具體由4個質量塊構成，分別位于2個柔性梁一端的正反面，利用上下兩顆螺栓使質量塊夾緊固定于柔性梁上；所述質量塊在柔性梁上位移，實現柔性梁的轉動慣量與基頻的匹配。

進一步，所述應變片傳感器有兩片安裝于配重懸臂梁固定端的中心線上，其線束朝向剛性傳動軸。

進一步，所述角加速度傳感器安裝于剛性傳動軸末端。

進一步，所述扭矩傳感器安裝于諧波減速器與磁流變阻尼器之間，扭矩傳感器底座固定于測試臺架支架(19)上。

進一步，所述磁流變阻尼器固定面板、諧波減速器固定面板及步進電機固定面板在測試臺架支架(19)上并實現上下移動。

進一步，所述磁流變阻尼器安裝于剛性旋轉軸上，位于扭矩傳感器與機械夾持裝置之間。

進一步，所述磁流變阻尼器驅動器、信號接收模塊及步進電機驅動器均集成在一張板卡上。

進一步，所述計算機與步進電機驅動器相連接，控制步進電機的驅動方式，實現柔性梁勻速、加速及減速的旋轉運動。

旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量控制方法，該方法包括以下步驟：

s1：進行柔性梁的轉動慣量與基頻的匹配計算，調節固定好梁上的質量塊；

s2：計算機發布控制信號給步進電機驅動器，步進電機驅動器驅動步進電機旋轉；

s3：利用應變片傳感器檢測到配重柔性梁的彎曲振動信號，角加速度傳感器檢測到剛性傳動軸的旋轉振動信號及扭矩傳感器檢測到振動干擾力矩；

s4：采集到的信號經過信號接收模塊的放大與濾波處理后，輸送給計算機；

s5：計算機根據彎曲振動信號、旋轉振動信號及振動干擾力矩信號進行控制算法運算，得出相應的阻尼力矩需求，并進一步通過磁流變阻尼器的逆向動力學模型，得出磁流變阻尼器的電流需求信號；

s6：計算機發布電流需求信號給磁流變阻尼器驅動器，磁流變阻尼器驅動器產生相應電流輸送給磁流變阻尼器，磁流變阻尼器產生對應的阻尼力矩，達到抑制柔性梁剛柔耦合系統振動的目的。

該控制方法為多通道檢測單通道控制miso系統檢測控制，綜合考慮系統的柔性振動信號、剛性旋轉振動信號及振動所產生的干擾信號，采用基于磁流變阻尼技術的半主動控制方式進行旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動控制。

本發明的有益效果在于：

(1)本發明裝置利用位置可調的配重柔性梁可以進行轉動慣量與基頻的匹配修改，更好地模擬航天器柔性附件的實際運動情況；同時，利用步進電機的速度控制，控制配重柔性梁的驅動方式，實現對不同工況下的剛柔耦合振動的分析與控制，為旋轉柔性梁剛柔耦合振動的研究提供更加準確而全面的實驗平臺，達到更接近實際情況的控制效果。

(2)針對旋轉柔性梁的剛柔耦合振動特點，本發明裝置和控制方法綜合考慮柔性振動，剛性旋轉振動及振動產生的干擾信號，避免了單一信號決策的局限性；同時，利用剛柔耦合振動特性，采用磁流變阻尼器進行半主動振動控制，可以同時抑制柔性振動，剛性旋轉振動及振動產生的干擾，從而實現全面、低能耗、控制方便的振動抑制效果。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發明裝置的結構示意圖；

圖2為磁流變阻尼器結構示意圖；

圖3為本發明控制方法的工作流程圖。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。

如圖1所示，旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量裝置，包括配重柔性領部分、振動及其干擾信號檢測部分、步進電機驅動控制部分及磁流變阻尼器振動控制部分；

——配重柔性梁部分：

配重柔性梁系統由兩根含可移動質量塊(2)的柔性梁(3)組成，所述柔性梁(3)一端固定質量塊(2)，另一端通過機械夾持裝置(6)與剛性傳動軸連接，剛性傳動軸由諧波減速器(15)輸出軸、扭矩傳感器(11)輸入及輸出軸、磁流變阻尼器(8)輸入及輸出軸和機械夾持裝置(6)輸入軸通過剛性連軸器(7)構成；

柔性梁采用不銹鋼材料，彈性模量和密度分別為e＝206gpa，ρ＝7900kg/m3，柔性梁的長、寬、厚分別為：l＝500mm，b＝28mm，h＝0.9mm，質量塊重675g，質量塊上下打兩個φ3.5mm通孔，孔距38mm，通過螺栓，將位于梁正反兩面的兩個質量塊加緊固定于柔性梁上。

柔性梁的基頻與轉動慣量的匹配方程為

其中，α＝m0/m為質量塊質量與梁質量之比，β＝ρω2/ei，為梁的截面慣性矩。

——振動及振動干擾信號檢測部分：

包括應變片傳感器(4)、角加速度傳感器(5)及扭矩傳感器(11)，

所述包括應變片傳感器(4)采用4片應變片組成全橋電路，分別粘貼在柔性梁靠近機械夾持裝置(6)一端中心線上，距離固定端15mm的位置，檢測配重柔性梁的彎曲振動信號，所述角加速度傳感器(5)安裝于剛性傳動軸末端的機械裝置(6)上，所選擇的角加速度傳感器采用多圈絕對值編碼器rs485，檢測剛性傳動軸旋轉的角加速度信號，所述扭矩傳感器(11)安裝于諧波減速器(15)與磁流變阻尼器(8)之間，所選扭矩傳感器是上海隆旅電子科技的longlv-wtq1050a動態微扭矩傳感器，檢測剛性傳動軸上的振動干擾力矩信號，柔性梁的彎曲振動信號、剛性傳動軸的角加速度信號及振動干擾的扭矩信號傳遞給信號接收模塊(12)，信號接收模塊(12)對接收到的信號進行放大、濾波等處理后，輸送給計算機計算進行存儲、分解及控制運算；

——步進電機驅動控制部分：

包括步進電機(18)、諧波減速器(15)及步進電機驅動器(16)。所述步進電機(18)固定于步進電機固定面板(17)上，步進電機型號為80st-m02430，電機的轉速范圍為0～1000r/min，額定功率為750w，步進電機(18)的輸出軸通過剛性聯軸器(7)連接到減速比為100:1的諧波減速器(15)的輸入軸，諧波減速器(15)固定于諧波減速器固定面板(14)上，諧波減速器(15)輸出軸通過剛性聯軸器(7)與扭矩傳感器(11)的輸入軸相連，所述步進電機(17)采用速度控制方式與步進電機驅動器(16)相連接，步進電機驅動器(16)與計算機(13)相連，用于步進電機的轉速控制，實現對配重柔性系統的旋轉驅動；

——磁流變阻尼器振動控制部分：

包括磁流變阻尼器(8)及磁流變阻尼器驅動器(10)，所述磁流變阻尼器(8)固定于磁流變阻尼器固定面板(9)上，磁流變阻尼器(8)輸入軸通用剛性聯軸器(7)與扭矩傳感器(11)的輸出軸相連，磁流變阻尼器(8)輸出軸通用剛性連軸器(7)與柔性梁的機械夾持裝置(6)的輸入軸相連，磁流變阻尼器(8)線圈與磁流變阻尼器驅動器(10)相連，磁流變阻尼器驅動器(10)與計算機(13)相連接，計算機(13)接收檢測信號，計算出期望阻尼力矩，并轉換成電流需求，使磁流變阻尼器驅動器(10)輸出相應電流給磁流變阻尼器(8)，磁流變阻尼器(8)輸出對應阻尼力矩，實現旋轉柔性梁的剛柔振動控制。

所述磁流變阻尼器(8)為自主設計的旋轉磁流變阻尼器，如圖2所示，隔磁套筒(81)選用鋁合金材料加工，磁流變阻尼器定子(82)與轉盤(87)選用電工純鐵dt4材料加工，磁流變阻尼器線圈(83)選用φ0.8mm漆包線，采用雙線圈方式，分別纏繞于阻尼器定子(82)上，軸承(84)選用深溝球軸承61805-2ls，轉軸(86)選用45鋼材料，轉軸(86)與轉盤(87)之間采用過盈配合，使轉盤固定于轉軸，并隨轉軸的旋轉而轉動，轉軸(86)與磁流變阻尼器定子(82)之間的使用骨架油封(85)進行密封，磁流變阻尼器定子(82)與轉盤(87)之間的間隙為磁流變阻尼器工作間隙(88)，磁流變工作間隙(88)里充滿磁流變液，磁流變液選用重慶儀表材料研究所生產的mrf-j01型磁流變液。

所述磁流變阻尼器驅動器(10)、信號接收模塊(12)和步進電機驅動器(16)集中在一張板卡上，磁流變阻尼器驅動器(10)用于磁流變阻尼器(8)的線圈供電，信號接收模塊(12)主要包含信號電流放大及濾波兩個作用，步進電機驅動器(16)用于步進電機(18)的轉速驅動控制，。

旋轉柔性梁剛柔耦合系統振動測量控制方法，如圖3所示，包括如下步驟：

s1：進行柔性梁的轉動慣量與基頻的匹配計算，調節固定好梁上的質量塊；

s2：計算機發布控制信號給步進電機驅動器，步進電機驅動器驅動步進電機旋轉；

s3：利用應變片傳感器檢測到配重柔性梁的彎曲振動信號，角加速度傳感器檢測到剛性傳動軸的旋轉振動信號及扭矩傳感器檢測到振動干擾力矩；

s4：采集到的信號經過信號接收模塊的放大與濾波處理后，輸送給計算機；

s5：計算機根據彎曲振動信號、旋轉振動信號及振動干擾力矩信號進行控制算法運算，得出相應的阻尼力矩需求，并進一步通過磁流變阻尼器的逆向動力學模型，得出磁流變阻尼器的電流需求信號；

s6：計算機發布電流需求信號給磁流變阻尼器驅動器，磁流變阻尼器驅動器產生相應電流輸送給磁流變阻尼器，磁流變阻尼器產生對應的阻尼力矩，達到抑制柔性梁剛柔耦合系統振動的目的。

所述旋轉柔性剛柔耦合系統振動測量和磁流變半主動抑制的控制方法，是一種多通道信號檢測與單通道控制的miso振動控制方法：信號檢測部分包括應變片傳感器(4)檢測信號、角加速度傳感器(5)檢測信號和扭矩傳感器(11)信號；控制部分利用磁流變阻尼器驅動器(10)改變磁流變阻尼器的線圈電流(8)，實現基于磁流變阻尼技術的半主動控制。

圖1中的虛線部分表示電信號與驅動及控制裝置的連線圖。

最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。