变参数动力学与控制实验系统及利用该实验系统进行实验的方法技术方案

一种变参数动力学与控制实验系统，包括：气源及由气浮台和气浮轴承组成的气浮装置；刚性主体；主体喷气力矩执行装置；性附件装置；主体角运动测量装置；信号调理及数显装置；通讯测控装置；挠性附件装置与所述刚性主体固连在一起，所述刚性主体、主体喷气力矩执行装置、挠性附件装置、主体角运动测量装置及信号调理数显装置安装在由气浮轴承浮起的与地面隔离的气浮台上。这种系统可以达到对象模型的纯粹性、测控功能的独立性和模型参数的可调性与时变性的目标。同时本发明专利技术提供的利用上述变参数动力学与控制实验系统进行实验的方法简单，控制精度较高，延时时间较短。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动力学与控制实验系统，更具体地说涉及一种。
技术介绍
“中心刚体+挠性附件”是一类在实际工程中具有广泛代表性的挠性结构，也是动力学与控制研究的典型对象。作为动力学建模研究来说，在精度要求不高时一般采用伯努利-欧拉梁模型，精度要求较高时则应当考虑转动惯量的剪切力影响的Timoshenko梁模型，而更严格的模型是同时考虑了几何非线形和材料非线形的有限变形梁。到底采用什么模型？怎样离散化？刚体与弹性体之间、及其同控制之间如何耦合？以及系统的动态特性和稳定性等，这些都需要通过全物理实验来进行研究和验证。实验的目的，从动力学角度看主要是研究刚柔耦合系统的力学特性，从控制角度看主要是研究在附件振动影响下能否实现对中心刚体姿态角运动的控制目标。此外，长期以来，结构和参数的变化是影响系统动力学控制的重要因素，而挠性振动是其中最典型的表现形式。几十年来，由于对挠性振动没有考虑或考虑不够而造成工程上的故障及任务失败的例子不胜枚举。所以加强挠性结构全物理控制实验研究迫在眉睫。将刚柔耦合结构变参数智能控制技术研究的结果通过更完善的全物理仿真实验进行比较验证，具有及其重要的现实意义。然而，目前国内外这类实验装置的技术现状并不理想。其中David B S，Daniel B E.所著的Experiment demonstration ofthe flexible sructures.J.Guidance(第7卷，1984年第5号)描述了早期的挠性结构实验，由于没有采取抵消重力影响的适当措施，所以测得的频率和振型不是挠性板自身的；狼嘉彰，木田隆等所著的《大型挠性卫星三轴姿态控制的实验研究》(日本航空宇宙学会志，1987年，第407号，第35卷，第569-576页)中介绍的实验系统采用了气浮台技术，因此解决了上述重力影响问题，但是其电源是由地面通过外加缆索接入的，达不到对象模型的纯粹性。刚体姿态角由三脚架上的摄像机测量，依赖于地面信息计算处理，达不到测控功能的独立性；李季苏，牟小刚所著的《挠性结构物理仿真研究》等文献所介绍的实验系统在对象模型的纯粹性和测控功能的独立性方面有了一定的改进，但由于独立测量和无线通讯等技术条件的限制，所以实验效果并不能令人满意。尤其需要强调的是，目前已有的实验设备都不具备模型参数的可调性和时变性，因此理论参考和工程应用价值都不大。具体地说，在现有的实验装置中，仅仅只能通过在每次实验中更换挠性功能模板或增减配重等做法来改变系统刚柔耦合系数、模态频率等关键参数。并且在每次实验中都是通过人工操作给挠性板施加干扰，因此每次实验中干扰力矩的大小都不一样，这导致实验结果不一致。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的一个目的在于提供一种变参数动力学与控制实验系统，这种系统可以达到对象模型的纯粹性、测控功能的独立性和模型参数的可调性与时变性的目标。本专利技术的另一个目的在于提供一种利用上述变参数动力学与控制实验系统进行实验的方法。本专利技术的目的是通过下述技术手段实现的。本专利技术提供一种变参数动力学与控制实验系统，包括气源及由气浮台和气浮轴承组成的气浮装置；刚性主体；主体喷气力矩执行装置；挠性附件装置；主体角运动测量装置；信号调理及数显装置；通讯测控装置；其中，所述挠性附件装置与所述刚性主体固连在一起，所述主体喷气力矩执行装置包括依次相连的储气瓶、主体送气管路、主体电磁阀和主体喷嘴；储气瓶安装在刚性主体底部，主体喷嘴固定设置在挠性附件装置上；所述刚性主体、主体喷气力矩执行装置、挠性附件装置、主体角运动测量装置及信号调理数显装置安装在由气浮轴承浮起的与地面隔离的气浮台上；其中，所述挠性附件装置包括挠性附件支架、可伸缩挠性附件和约束夹紧部件，其中附件支架与刚性主体固连，约束夹紧部件固连在附件支架两端，可伸缩挠性附件穿过约束夹紧部件可伸缩地连接在挠性附件支架上；可伸缩挠性附件与约束夹紧部件之间滑动配合；所述主体角运动测量装置为感应同步器，该同步器的输出端与所述信号调理及数显装置通过导线电连接；所述测控通讯装置包括固连在刚性主体内的现场计算机和采用无线方式与该现场计算机通讯的地面主计算机；所述实验系统还包括用于为该实验系统提供标准干扰力矩的挠性结构小推力驱动装置，该装置可移动地安装在挠性附件装置的可伸缩挠性附件端部。本专利技术变参数动力学与控制实验系统的第一个改进之处在于所述挠性附件装置中的挠性附件支架是一个固连在刚性主体两侧的对称桁架支撑件，该支撑件由底梁、侧梁和顶梁连接构成；所述可伸缩挠性附件包括驱动部件、传动部件、挠性附件组合件，其中驱动部件是步进电机，传动部件由滚珠丝杠和套筒组成，滚珠丝杠两端固定在桁架支撑件的底梁上；步进电机固连在桁架支撑件底梁一端并与滚珠丝杠同轴连接；所述挠性附件组合件包括挠性模板和与其一端固连的运动滑块，该运动滑块与套筒固连且可滑动地安装在桁架支撑件底梁上。本专利技术变参数动力学与控制实验系统的第二个改进之处在于所述约束夹紧部件包括托架、固连在该托架内的夹紧组合和支撑组合；其中托架为方框形且固连在所述挠性附件支架两端，夹紧组合由成对设置在托架两侧内壁的相对位置处的夹紧件组成，支撑组合由设置在托架底板上的支撑件组成；所述挠性模板穿过托架，且其两侧与夹紧件之间滑动配合，该挠性模板底面与支撑件之间滑动配合。本专利技术变参数动力学与控制实验系统的第三个改进之处在于所述夹紧组合由四对滚珠轴承构成，且该滚珠轴承分别通过各自的轴承架固连在托架侧壁上，所述支撑组合由一个滚针轴承构成，且该滚针轴承通过其轴承架固连在托架的底板上。本专利技术变参数动力学与控制实验系统的第四个改进之处在于所述感应同步器的转子固定安装在气浮台底部，定子固定安装在一个与刚性主体通过一根中空管固连的底盘上，定子的输出经由一个直接前级放大器并通过设置在该中空管中的所述导线与所述信号调理和数显装置电连接。本专利技术变参数动力学与控制实验系统的第五个改进之处在于所述挠性结构小推力驱动装置包括可移动限位部件、阀门、喷气部件和送气管路；其中可移动限位部件与喷气部件固连，阀门连接在送气管路上，该送气管路一端与喷气部件相连，另一端通过一个三通管接头与所述主体送气管路相连。本专利技术变参数动力学与控制实验系统的第六个改进之处在于所述阀门是通过现场计算机以脉宽调制信号进行控制的电磁阀，所述喷气部件具有喷气方向相反的两个喷嘴，且该喷嘴的口径为所述主体喷气力矩执行装置中主体喷嘴口径的0.2倍。此外，本专利技术还提供一种利用上述实验系统进行实验的方法。本专利技术的实验方法包括下列步骤(1)对气浮轴承供气以浮起气浮台，以便将所述刚性主体及与其连接的其他装置浮起与地面隔离；(2)向所述现场计算机输入控制程序；(3)现场计算机依据所述控制程序执行对实验系统中各装置的控制，并采集相关实验数据；(4)对实验数据进行分析、处理；其中，所述控制程序由主计算机通过无线通讯的方式发送给现场计算机，该现场计算机读取控制程序中的模态参数用以控制所述挠性附件装置中挠性模板的伸缩，和读取该控制程序中的干扰力矩参数用以控制所述挠性小推力驱动装置所产生的干扰力矩；现场计算机从所述信号调理和数显装置中直接采集刚性主体角运动信号并通过无线通讯方式将此信号传送给主计算机进行处理。本专利技术的实验方法的第一个改进之处在于所述挠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变参数动力学与控制实验系统，包括：气源及由气浮台和气浮轴承组成的气浮装置；刚性主体；主体喷气力矩执行装置；挠性附件装置；主体角运动测量装置；信号调理及数显装置；通讯测控装置；其中，所述挠性附件装置与所述刚 性主体固连在一起，所述主体喷气力矩执行装置包括依次相连的储气瓶、主体送气管路、主体电磁阀和主体喷嘴；储气瓶安装在刚性主体底部，主体喷嘴固定设置在挠性附件装置上；所述刚性主体、主体喷气力矩执行装置、挠性附件装置、主体角运动测量装置及信号调理数显装置安装在由气浮轴承浮起的与地面隔离的气浮台上，其特征在于：所述挠性附件装置包括挠性附件支架、可伸缩挠性附件和约束夹紧部件，其中附件支架与刚性主体固连，约束夹紧部件固连在附件支架两端，可伸缩挠性附件穿过约束夹紧部件可伸缩地连接在挠性附 件支架上；可伸缩挠性附件与约束夹紧部件之间滑动配合；所述主体角运动测量装置为感应同步器，该同步器的输出端与所述信号调理及数显装置通过导线电连接；所述测控通讯装置包括固连在刚性主体内的现场计算机和采用无线方式与该现场计算机通讯的地面主 计算机；所述实验系统还包括用于为该实验系统提供标准干扰力矩的挠性结构小推力驱动装置，该装置可移动地安装在挠性附件装置的可伸缩挠性附件端部。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李智斌，吴宏鑫，王晓磊，李季苏，容伊，郝永波，张洪华，李通生，肖今雄，于志杰，解永春，杨天安，邢琰，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]