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對(duì)日定向半物理試驗(yàn)臺(tái)的加載有效性驗(yàn)證

2017-03-27 06:16:54徐志剛劉明洋
宇航學(xué)報(bào) 2017年2期
關(guān)鍵詞:扭桿帆板慣量

賀 云,尹 猛,徐志剛,劉明洋

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所,沈陽(yáng)110016;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100039)

對(duì)日定向半物理試驗(yàn)臺(tái)的加載有效性驗(yàn)證

賀 云1,2,尹 猛1,2,徐志剛1,劉明洋1

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所,沈陽(yáng)110016;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100039)

提出了一種基于扭振系統(tǒng)的半物理試驗(yàn)系統(tǒng)加載有效性驗(yàn)證方案,對(duì)扭振系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),建立了扭振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了方案的合理性,并最終通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證來(lái)對(duì)比動(dòng)力學(xué)模型產(chǎn)生的加載力矩曲線與實(shí)物產(chǎn)生的力矩曲線的一致性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間站對(duì)日定向半物理試驗(yàn)系統(tǒng)加載有效性的考核。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,半物理試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的加載精度,滿足測(cè)試要求。通過(guò)特性清晰已知等效模型的考核,對(duì)提高試驗(yàn)系統(tǒng)的直觀性及可信度具有重要意義,此方法對(duì)其它半物理試驗(yàn)設(shè)備的性能測(cè)試具有一定的借鑒意義。

空間站對(duì)日定向裝置;扭振系統(tǒng);半物理試驗(yàn)系統(tǒng);加載有效性驗(yàn)證

0 引 言

我國(guó)將在2020年前后建成自己的空間站[1],太陽(yáng)能帆板作為空間站的能量來(lái)源,提高其受曬率具有重要意義,為此各國(guó)常采用空間對(duì)日定向裝置[2-8]??臻g對(duì)日定向裝置連接空間站和太陽(yáng)能帆板,用于驅(qū)動(dòng)大型桁架及其兩側(cè)太陽(yáng)能帆板連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向功能。為了考核所研制對(duì)日定向裝置的運(yùn)動(dòng)控制性能和在軌工作可靠性[9],需要建立地面仿真試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)測(cè)試對(duì)日定向裝置的動(dòng)態(tài)特性[10],其中對(duì)日定向裝置試驗(yàn)系統(tǒng)的力矩加載有效性是決定試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo)。

文獻(xiàn)[4,6]分別從控制方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[9,10]分別介紹了太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性與力矩特性測(cè)試方法,但未查閱到對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)地面測(cè)試加載有效性的研究。對(duì)于半物理試驗(yàn)系統(tǒng)加載有效性的驗(yàn)證可以通過(guò)對(duì)比加載力矩曲線與實(shí)物產(chǎn)生的力矩曲線的一致性來(lái)完成,由于重力與空氣阻力的影響,且實(shí)際太陽(yáng)能帆板特性非常復(fù)雜難以認(rèn)識(shí)清楚,要在地面環(huán)境下建設(shè)對(duì)日定向裝置直接驅(qū)動(dòng)大型太陽(yáng)能帆板及桁架運(yùn)動(dòng)來(lái)得到實(shí)際加載力矩曲線,耗資及難度極大[11]。

針對(duì)上述情況,創(chuàng)新性地提出了基于扭振系統(tǒng)的驗(yàn)證方案,其頻率和扭矩可經(jīng)更換扭桿和慣量盤來(lái)改變以模擬不同特定頻率下的太陽(yáng)帆板,通過(guò)仿真[12]分析驗(yàn)證了方案的合理性,并最終通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)加載有效性的考核。

1 系統(tǒng)加載有效性驗(yàn)證原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

空間站對(duì)日定向裝置試驗(yàn)系統(tǒng)采用半物理仿真的方法,由加載電機(jī)實(shí)時(shí)生成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與柔性負(fù)載間相互耦合的作用力矩,代替大型太陽(yáng)能帆板對(duì)對(duì)日定向裝置施加加載力矩。通過(guò)再現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在各種工作模式和驅(qū)動(dòng)不同柔性負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,測(cè)試、考核對(duì)日定向裝置驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)控制性能。

對(duì)日定向裝置半物理試驗(yàn)臺(tái)主要由對(duì)日定向裝置、加載單元、測(cè)控單元、動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算單元等部分組成,試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為:加載單元與對(duì)日定向裝置高剛度連接,控制器驅(qū)動(dòng)對(duì)日定向裝置轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)角位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)日定向裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,并傳遞給動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算單元,動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算單元根據(jù)角度信息實(shí)時(shí)計(jì)算出應(yīng)加載在對(duì)日定向裝置上的負(fù)載扭矩并轉(zhuǎn)化成扭矩控制信號(hào)控制加載電機(jī)對(duì)對(duì)日定向裝置進(jìn)行負(fù)載扭矩模擬加載。其中,動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算單元的輸入為對(duì)日定向裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角度、角速度及角加速度,輸出為加載扭矩;加載扭矩測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量所加載扭矩的大小并反饋給驅(qū)動(dòng)電機(jī)作閉環(huán)控制,以提高加載精度;擾動(dòng)扭矩測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)日定向裝置對(duì)空間站的擾動(dòng)力矩。

1.2 加載有效性驗(yàn)證原理

加載精度考核試驗(yàn)利用特性已知的單自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)模擬某一階固有頻率的太陽(yáng)能帆板,驅(qū)動(dòng)電機(jī)與扭振系統(tǒng)剛性連接,在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可精確測(cè)得所施加的實(shí)際力矩曲線。其中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)可模擬對(duì)日定向裝置,驅(qū)動(dòng)電機(jī)與扭振系統(tǒng)間安裝角度測(cè)量傳感器及扭矩測(cè)量傳感器,記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角度、角速度及力矩曲線,所記錄的力矩曲線將作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)曲線。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與加載系統(tǒng)剛性連接時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)以與驅(qū)動(dòng)扭振系統(tǒng)時(shí)相同的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),加載電機(jī)模擬扭振系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加反作用力矩,其加載力矩由扭振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到,在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可精確測(cè)得所施加的加載力矩曲線。將測(cè)量得到的實(shí)際力矩曲線與加載力矩曲線作對(duì)比,可以驗(yàn)證半物理試驗(yàn)系統(tǒng)的加載精度,其一致性即可代表加載單元的有效性。

2 扭振系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 扭振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于大型桁架及其兩側(cè)太陽(yáng)能帆板本身慣量較大,在實(shí)際轉(zhuǎn)速下達(dá)到要求的驗(yàn)證扭矩值需要扭振系統(tǒng)提供同量級(jí)的慣量,要搭建如此大慣量的扭振系統(tǒng)且通過(guò)氣浮模擬空間無(wú)摩擦狀態(tài)而達(dá)到高精度驗(yàn)證,系統(tǒng)建造復(fù)雜、體積龐大、經(jīng)濟(jì)性差。通過(guò)提高轉(zhuǎn)動(dòng)加速度可實(shí)現(xiàn)用較小慣量模擬大扭矩加載,但受加載電機(jī)最高速度限制,在極短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到最大速度無(wú)法達(dá)到驗(yàn)證目的。

經(jīng)過(guò)綜合分析,提出了扭振系統(tǒng)兩端約束方案,如圖3所示,扭振系統(tǒng)由上下兩根扭桿組成,下端扭桿1由電機(jī)驅(qū)動(dòng),上端扭桿2固定。系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)扭矩主要由扭桿變形承載,如此可減小扭振系統(tǒng)慣量,既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所要求的整個(gè)加載扭矩范圍的驗(yàn)證,又可以實(shí)現(xiàn)扭振系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)特定頻率擾動(dòng)下加載精度的驗(yàn)證。

扭桿1的剛度及慣量值既決定固有頻率,又決定負(fù)載扭矩,是設(shè)計(jì)的主要矛盾,扭桿2對(duì)上述兩調(diào)整值的影響較小。于是決定在調(diào)整過(guò)程中扭桿2的剛度保持不變用于滿足峰值負(fù)載扭矩及扭轉(zhuǎn)角度,通過(guò)調(diào)整扭桿1的剛度及慣量值來(lái)調(diào)整系統(tǒng)頻率及負(fù)載扭矩,考慮到減小對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,扭桿2的剛度設(shè)計(jì)較小。由于系統(tǒng)頻率變化范圍較大,選取典型頻率進(jìn)行驗(yàn)證,所選驗(yàn)證頻率為0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz。在滿足上述頻率調(diào)整的基礎(chǔ)上,扭振系統(tǒng)還應(yīng)具備不小于1 Nm的擾動(dòng)扭矩,通過(guò)調(diào)整不同的扭桿剛度及慣量即可調(diào)整扭振系統(tǒng)的固有頻率,扭桿 2剛度為 358 Nm/rad,扭桿 2直徑為9 mm,如表1所示為不同頻率下扭振系統(tǒng)參數(shù)表。

表1 扭振系統(tǒng)參數(shù)表Table.1 Parameter table of torsional vibration system

2.2 扭振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.2.1 復(fù)域中動(dòng)力學(xué)模型的建立

扭振系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、慣量盤和兩個(gè)扭桿組成。扭桿剛度分別為K1和K2,慣量盤慣量為Js,驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)角為 θm,慣量盤轉(zhuǎn)角為 θs。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),扭振系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的反作用矩是Tm。由于支撐慣量模擬裝置的氣浮軸承摩擦力很小,忽略空氣阻力作用,扭振系統(tǒng)原理示意圖如圖4所示。

動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)如下:

按初始速度、加速度為零進(jìn)行拉氏變換:

扭振系統(tǒng)的固有頻率和周期為:

驅(qū)動(dòng)過(guò)程扭振系統(tǒng)擾動(dòng)扭矩:

其幅頻特性為:

從上式可以看出,扭振系統(tǒng)的固有頻率與兩扭桿之和及慣量值有關(guān),擾動(dòng)扭矩的大小與兩扭桿剛度的比值以及慣量有關(guān)。

2.2.2 時(shí)域中動(dòng)力學(xué)模型的建立

在驗(yàn)證試驗(yàn)中,加載電機(jī)施加的力矩由扭振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出,因此需要建立時(shí)域中扭振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,即求解微分方程。

對(duì)于慣量盤,由動(dòng)量矩定理可知,

扭振系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的反作用力矩為:

電機(jī)的轉(zhuǎn)角可以由圓光柵測(cè)出,可由上式求出。因此扭振系統(tǒng)反作用力矩的求取問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解二階微分方程

解析解的問(wèn)題。

在實(shí)際系統(tǒng)中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度存在微小波動(dòng),因此,需要求解(t)不等于零時(shí)微分方程的通解。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度可看作勻速運(yùn)動(dòng)和擾動(dòng)速度疊加的結(jié)果,扭振系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的反作用力矩是斜坡力矩和正弦力矩的疊加。斜坡力矩是使扭桿1和扭桿2產(chǎn)生形變的反作用力矩,正弦力矩是由慣量盤的振動(dòng)引起的。

二階微分方程初值為:

齊次方程的通解為:

設(shè)方程的特解為:

將特解代入原方程得:

由等效系數(shù)法特解為:

所以非齊次方程的通解為:

代入初值得:

擾動(dòng)扭矩

電機(jī)端力矩

由速度波動(dòng)引起的擾動(dòng)扭矩為:

速度波動(dòng)引起慣量盤的波動(dòng)最終導(dǎo)致電機(jī)端力矩的波動(dòng),由一般形式的解可以看出,電機(jī)端力矩的波動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)正弦與波動(dòng)力矩的疊加,即在小速度波動(dòng)時(shí),波動(dòng)力矩并不能干擾慣量盤的幅值。從解的形式可以看出,速度的波動(dòng)對(duì)擾動(dòng)扭矩的影響本質(zhì)上是加速度的傳遞問(wèn)題,傳遞過(guò)程會(huì)受到連桿1和整個(gè)系統(tǒng)頻率的影響。

已知回饋到電機(jī)的反作用力矩為:

驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的波動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速度引起的,加速度通過(guò)扭桿1傳遞給慣量盤和扭桿2,最終引起扭振系統(tǒng)對(duì)電機(jī)輸出端扭矩的改變。在合理假設(shè)的條件下,存在速度波動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)受到力矩的解析解為:

式中:

3 仿真分析

下面采用Simulink與Adams聯(lián)合仿真對(duì)比其仿真結(jié)果,以驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。仿真中將扭振系統(tǒng)模型簡(jiǎn)稱考核模型,加載電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)拖加載模型簡(jiǎn)稱對(duì)拖模型。兩模型中電機(jī)參數(shù)及驅(qū)動(dòng)速度一致,分別對(duì)不同特定頻率的扭振與加載系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

考核模型中扭振系統(tǒng)兩端約束,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)減速器與轉(zhuǎn)動(dòng)部分相連,轉(zhuǎn)動(dòng)部分與扭振系統(tǒng)通過(guò)扭簧相連。對(duì)拖模型中驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)減速器與加載電機(jī)相連,轉(zhuǎn)動(dòng)部分與加載電機(jī)通過(guò)扭簧相連。加載系統(tǒng)的輸入為由上位機(jī)計(jì)算得到的加載力矩指令,輸出為承載對(duì)象受到的實(shí)際力矩,采用力矩、電流反饋雙閉環(huán)控制加載電機(jī)。

建立聯(lián)合仿真模型,數(shù)據(jù)交換周期為2 ms。選取0.5 Hz工況時(shí),加載系統(tǒng)與扭振系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,加載扭矩對(duì)比如圖5所示,擾動(dòng)扭矩對(duì)比如圖6所示。

扭振系統(tǒng)采用同樣的驅(qū)動(dòng)速度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),最大加載扭矩可達(dá) 50 Nm,擾動(dòng)扭矩幅值約為2.5 Nm,扭振系統(tǒng)與加載系統(tǒng)兩種狀況下扭矩偏差不超過(guò)總加載扭矩的0.13%,擾動(dòng)扭矩偏差不超過(guò)幅值的2.6%,即加載扭矩偏差不大于0.065 Nm。對(duì)不同頻率下扭振系統(tǒng)與加載系統(tǒng)進(jìn)行仿真,其仿真結(jié)果一致,表明了動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

4 加載有效性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加載單元的加載能力、加載精度、加載響應(yīng)速度及加載帶寬是驗(yàn)證半物理試驗(yàn)臺(tái)加載有效性的關(guān)鍵指標(biāo),通過(guò)對(duì)比扭振系統(tǒng)與加載系統(tǒng)力矩實(shí)測(cè)曲線的一致性可以檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)的加載有效性。

扭振系統(tǒng)考核基于實(shí)際扭振系統(tǒng)模型,通過(guò)對(duì)理論模型進(jìn)行離散化,最終轉(zhuǎn)化為斜坡加正弦的耦合輸出,扭振系統(tǒng)理想離散化模型:

為避開(kāi)噪聲干擾,擾動(dòng)扭矩的幅值選為5 Nm,如圖9所示為扭振系統(tǒng)實(shí)物圖。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到扭振系統(tǒng)振幅為5 Nm時(shí)各特定頻率下的力矩實(shí)測(cè)曲線與幅值偏差曲線,頻率為0.5 Hz時(shí)結(jié)果如圖7~圖8所示。

動(dòng)力學(xué)仿真單元根據(jù)建立的扭振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)時(shí)測(cè)量的角度計(jì)算出指令力矩,加載單元根據(jù)指令力矩對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行實(shí)時(shí)加載。通過(guò)階躍與正弦響應(yīng)實(shí)驗(yàn),觀察系統(tǒng)對(duì)不同幅值的動(dòng)態(tài)響應(yīng),得到初步調(diào)試結(jié)論:加載單元有很好的剛度特性,系統(tǒng)的階躍與正弦響應(yīng)曲線接近加載電機(jī)自身的階躍與正弦曲線;幅值增加,電機(jī)的階躍時(shí)間變長(zhǎng),超調(diào)減小;系統(tǒng)整體剛度增加有利于提升扭矩加載的響應(yīng)速度。如圖10所示為加載系統(tǒng)實(shí)物圖,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到加載系統(tǒng)振幅為5 Nm時(shí)各特定頻率下的力矩實(shí)測(cè)曲線與幅值偏差曲線,頻率為0.5 Hz時(shí)結(jié)果如圖11~圖12所示。

通過(guò)半物理試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同頻率下扭振系統(tǒng)與加載系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),扭振系統(tǒng)與加載系統(tǒng)兩種狀況下扭矩偏差不超過(guò)總加載扭矩的0.23%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性,表明試驗(yàn)臺(tái)加載有效性好,滿足試驗(yàn)要求。

5 結(jié) 論

文章總結(jié)了太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展,提出了一種基于扭振系統(tǒng)的對(duì)日定向半物理試驗(yàn)系統(tǒng)加載有效性驗(yàn)證方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)臺(tái)的加載有效性好,滿足測(cè)試要求。

通過(guò)等效實(shí)物模型的考核,實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)臺(tái)加載有效性的高經(jīng)濟(jì)性測(cè)試。此方法對(duì)半物理試驗(yàn)系統(tǒng)的性能測(cè)試具有一定的借鑒意義,可有效降低測(cè)試的難度及費(fèi)用。

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通信地址:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所(110016)

電話:(021)83601109

E-mail:yhe@sia.cn

尹 猛(1992-),男,碩士生,主要從事航天器地面仿真設(shè)備、特種機(jī)器人與工業(yè)自動(dòng)化。本文通信作者。

通信地址:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所(110016)

電話:(021)83601154

E-mail:yinmeng@sia.cn

(編輯:張宇平)

Effectiveness Validation of the Semi-physical Test Bench for the Sun Orientation

HE Yun1,2,YIN Meng1,2,XU Zhi-gang1,LIU Ming-yang1
(1.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

A new method is presented to test the effectiveness of the test system.The torsional vibration system is designed in detail,and the dynamic model is established.Furthermore,the rationality of the scheme is verified by the simulation analysis.Load torque curve is generated by dynamic model,and the torque curve is produced by the physical object.By comparing the consistency of the two curves,the evaluation of the effectiveness of the system is realized.Experimental results show that,the system has high loading precision and meets the test requirements.The assessment of the equivalent model is of great significance to improve the visual performance and reliability of the test system.This method has a certain reference value for the performance test of other semi-physical test equipment.

Sun orientation device for space station;Torsional vibration system;Semi-physical test system; Verification of the validity of the load

V448.22

A

1000-1328(2017)02-0198-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.02.012

賀 云(1979-),男,副研究員,主要從事航天器物理仿真,機(jī)器人控制算法與工業(yè)自動(dòng)化。

2016-07-07;

2016-10-20

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