一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置、用以实现远程监测和监控的监控计算机，监控计算机与以太网路由器连接，储气罐及气动动作器与气压控制ＭＰＵ连接，悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感器和电磁力传感器连接，电磁作动器与功率放大器连接，直线位移编码器与ＣＰＬＤ处理模块，ＣＰＬＤ处理模块与电磁力控制ＭＰＵ连接，悬挂力传感器和电磁力传感器与电磁力控制ＭＰＵ连接，气压控制ＭＰＵ和电磁力控制ＭＰＵ均与模态悬挂控制ＭＰＵ连接，模态悬挂控制ＭＰＵ与以太网控制器连接，以太网控制器与以太网连接。本发明专利技术全数字式控制、提高工作频率、提升控制精度，并降低附加部件对模态试验的影响。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超低频模态试验专用的悬挂系统。
技术介绍
低频或超低频结构件在模拟失重环境做动态试验需要特殊的悬挂装置。悬挂装置 具有以下性能悬挂试件允许质量范围宽；极低刚度；低附加质量影响；极低无摩擦力；动 态试验的悬挂形式采用悬挂装置下部引出悬挂钢缆，悬挂钢缆下端吊挂试件。一般使用多 个悬挂装置吊挂同一试件。当悬挂钢缆长度合适，就形成了钟摆效应。水平方向仅受柔性 约束力。太空环境的一个主要特征是失重。这引出了模拟失重环境对结构件作动态试验的 经典问题。试件的重力必须使用悬挂力加以平衡，并且在悬挂力的作用点不引入明显的动 态约束力。这些动态约束力是由悬吊装置刚度、附加质量、摩擦力或振动模态等引起。它们 会改变试件的模态振型。能满足这种精确模拟的条件称为自由-自由(free-free)边界条 件。自由-自由边界条件的获得基于悬吊装置的动态约束力远小于试件刚度和惯性 产生的力。一个普遍认可的原则是悬吊装置垂直方向的刚体运动频率低于试件基频一个数 量级。当试件基频大于20Hz时，自由-自由边界条件较易获得，将试件悬吊在简单的线性 弹簧上即可。但是当试件基频接近或低于1Hz时，悬挂问题变得极具挑战性。目前，全世界仅有美国CSA工程公司的型号为60350-DA的模态测试悬挂系统，该 系统最大悬挂重量621磅，垂直悬吊频率为0. 1Hz，该系统已为美国NASA兰利等研究中心所 用。模态测试悬挂系统，利用气动磁浮的原理，充分消除悬挂系统随动部件对试件的 附加质量、附加刚度及附加摩擦的影响。该系统控制部分，包括气动控制、电磁力控制等全 部以模拟电路实现。悬吊装置基本原理和结构图1表示了 CSA公司的悬吊装置的基本原理由两个并行的子系统构成。一个是 气动子系统1 ；另一个是电磁子系统2。气动磁浮悬吊装置的名字由此而获得。气动子系统 1又称为被动子系统，电磁子系统2又称为主动子系统。被动子系统由无摩擦气缸_活塞、 外部储气罐、手动精密减压阀等构成。主动子系统由定制的长行程音频动圈激振器和配套 的功率放大器、位移传感器和前置放大器及低通滤波器、加速度传感器和前置放大器及低 通滤波器、高精度压力传感器和前置放大器以及压力波动处理电路、由模拟电路构成的控 制器等构成。气动子系统提供恒定的悬挂力以平衡试件的重力，悬挂力的大小是作用在活塞上 的气压和活塞面积的乘积。由于活塞面积不变，悬挂力与气压成正比。气压使用手动精密减 压阀手工调节。电磁子系统提供非接触的电磁力。以满足悬吊装置对微小力的各种需求。图2是悬挂装置的简化模型。图中力Fp和力Fm分别表示气动子系统抽象成的空气弹簧的作用力和电磁子系统抽象成的电磁弹簧的作用力。这两个弹簧的刚度分别用kp 和km表示。阻尼系数Cp表示精密减压阀的阻尼作用。试件M的全部重力由仅在垂直方向 运动的特制的无摩擦气缸_活塞装置的活塞承受。把气缸通过气管连接到储气罐使得储气 罐的容积成为气缸容积。这样空气弹簧的刚度变得非常小，同时保持承受大载荷试件的能 力。精密减压阀使得气缸的平均压力稳定在设定值，间接的使得无摩擦气缸_活塞的悬挂 力稳定。小容积变化时，带精密减压阀的气缸-活塞性能象线性弹簧串联阻尼装置。弹簧 的刚度可用热力学方程中等熵过程来计算表达。
技术实现思路
为了克服已有模态测试悬挂系统控制部分采用模拟电路、降低工作频率、控制精 度低、附加部件对模态试验的影响较大的不足，本专利技术提供一种全数字式控制、提高工作频 率、提升控制精度，并降低附加部件对模态试验的影响的超低频模态试验悬挂系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置，所述超低频模态试验悬 挂系统还包括用以实现远程监测和监控的监控计算机，所述监控计算机与以太网路由器连 接，所述模态试验悬挂装置的储气罐及气动动作器连接数字比例阀和气压传感器，所述数 字比例阀通过D/A控制模块与气压控制MPU连接，所述气压传感器与所述气压控制MPU连 接；所述模态试验悬挂装置的悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感器和电磁力传 感器连接，所述模态试验悬挂装置的电磁作动器与功率放大器连接，所述直线位移编码器 与用以将高分辨率直线位移编码信号转换成加速度信号的CPLD处理模块，所述CPLD处理 模块与电磁力控制MPU连接，所述悬挂力传感器和电磁力传感器与A/D采样模块连接，所述 A/D采样模块与所述电磁力控制MPU连接，所述气压控制MPU和所述电磁力控制MPU均与所 述模态悬挂控制MPU连接，所述模态悬挂控制MPU与以太网控制器连接，所述以太网控制器 与以太网连接。进一步，所述模态试验悬挂装置还包括无线手持式人机界面，所述无线手持式人 机界面与PSK调试模块连接，所述PSK调试模块与无线收发控制MPU连接，所述无线收发控 制MPU与所述模态悬挂控制MPU连接。再进一步，所述模态悬挂控制MPU接受监控计算机或无线手持式人机界面发送的 命令，将控制命令及参数分别传递给响应电磁力控制MPU或气压控制MPU，并将各MPU采集 的传感器数据、状态数据通过以太网控制器连接到网络路由器传送到监控计算机或无线手 持式人机界面。更进一步，所述气压控制MPU气压传感器采集的气压值及气压设定参数，控制数 字比例阀，从而改变储气罐气压，模拟空气弹簧功能。再进一步，所述电磁力控制MPU，用以模拟电磁弹簧，并实现对慢速响应的气压控 制进行补偿、悬挂装置中心位置保持。本专利技术的技术构思为整个超低频模态试验悬挂系统连接最多10台独立的模态 试验悬挂装置构成的网络，通过网络路由器实现多台计算机与网络上的所有模态悬挂装置 连接，从而实现远程监测模态试验悬挂装置的工作状态，实现对任一台悬挂装置参数设置 与控制。每台计算机均可对任何一台悬挂装置进行参数设置及控制、实时数据采集、曲线绘4制并显示每台悬挂装置工作状态。每台悬挂装置都是一个由多处理器构成的独立的智能采 样控制系统，每个控制器间通过SPI串行总线以主从方式实现互联，各个控制器分布、协调工作。所述手持式人机界面通过640*360彩色液晶显示器实现；检测数据及曲线显示， 通过液晶显示屏上安装的触摸屏接受用户参数及控制命令输入，通过触摸屏控制器连接入 手持式人机界面MPU，手动编码器#1和手动编码器#2实现设定值的粗调和精调设定，并通 过CPLD处理模块实现将编码器信号转换并传送至手持式人机界面MPU。通过PSK调制模块 实现无线收发。由于悬挂装置安装位置在10多米高的平台上，而模态试验对象在地面，因此在模 态试验过程中每台悬挂装置的参数调节极不方便，通过无线手持式人机界面能在地面实现 对悬挂装置所有参数的调节，既避免了上下来回跑，又能实时看到悬挂装置的全部工作状 态。通过独立的操作界面，采用彩色液晶显示屏显示每台悬挂装置的工作状态及参数、数据 与曲线，通过触摸屏操作悬挂装置，由手动编码器通过CPLD实现对参数的方便灵活调整。 用户在每台悬挂装置调整过程中，可以方便直观地看到调整效果，因为采用的是数字式控 制，所有参数均可精确量化，既可以直接在装置上调节，也可以通过计算机实现远程操作。每台悬挂装置均可同时对气压、电磁力、悬挂力、位移等信号进行采集及数据处 理，采用特定的数字算法对上述传感本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置，其特征在于：所述超低频模态试验悬挂系统还包括用以实现远程监测和监控的监控计算机，所述监控计算机与以太网路由器连接，所述模态试验悬挂装置的储气罐及气动动作器连接数字比例阀和气压传感器，所述数字比例阀通过Ｄ／Ａ控制模块与气压控制ＭＰＵ连接，所述气压传感器与所述气压控制ＭＰＵ连接；所述模态试验悬挂装置的悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感器和电磁力传感器连接，所述模态试验悬挂装置的电磁作动器与功率放大器连接，所述直线位移编码器与用以将高分辨率直线位移编码信号转换成加速度信号的ＣＰＬＤ处理模块，所述ＣＰＬＤ处理模块与电磁力控制ＭＰＵ连接，所述悬挂力传感器和电磁力传感器与Ａ／Ｄ采样模块连接，所述Ａ／Ｄ采样模块与所述电磁力控制ＭＰＵ连接，所述气压控制ＭＰＵ和所述电磁力控制ＭＰＵ均与所述模态悬挂控制ＭＰＵ连接，所述模态悬挂控制ＭＰＵ与以太网控制器连接，所述以太网控制器与以太网连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙建辉，单晓杭，邹义成，郭家骅，赵国军，任安业，王治易，王扬渝，张利，狄文斌，高志松，李广诚，谢明峰，吴文英，汪庆武，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]
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