本發(fā)明屬于柔性梁振動控制領(lǐng)域，涉及旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)振動測量控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)柔性梁系統(tǒng)模型在實際工程中有著廣泛的應(yīng)用，尤其體現(xiàn)在含大尺寸附件的航天器中的應(yīng)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(zhì)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(wěn)定性與指向精度，導(dǎo)致系統(tǒng)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(nèi)外的廣泛關(guān)注，然而對于其大尺寸附件驅(qū)動引起的在平衡點附近的小幅值剛?cè)狁詈险駝拥难芯繀s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(fā)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(qū)動作用下的旋轉(zhuǎn)梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的振動半主動控制成為了當(dāng)今國內(nèi)外普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)的重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)振動測量控制裝置及方法。設(shè)計質(zhì)量塊可移動的柔性梁，通過在不同位置進行配重，改變?nèi)嵝哉駝酉到y(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量與振動基頻，可以研究柔性系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)對剛?cè)狁詈险駝拥挠绊?。通過對步進電機的轉(zhuǎn)速控制，改變步進電機的驅(qū)動方式，實現(xiàn)配重柔性梁在不同運動工況下的剛?cè)狁詈险駝臃治?，采用旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器來進行柔性梁的剛?cè)狁詈险駝涌刂疲渚哂锌刂祈憫?yīng)快、阻尼連續(xù)可調(diào)、能耗低、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)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(yīng)用。通過對柔性振動、旋轉(zhuǎn)振動及干擾力矩的多反饋信息綜合，得出系統(tǒng)所需阻尼力矩，再利用磁流變阻尼器進行統(tǒng)一控制，對旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)實現(xiàn)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(diào)，實現(xiàn)扭矩傳感器、阻尼器的選型設(shè)計。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)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(qū)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(gòu)成，柔性梁(3)另一端通過螺栓(1)固定調(diào)節(jié)好位置的質(zhì)量塊(2)進行配重；

所述振動及振動干擾信號檢測部分為：應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(qū)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(lián)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(lián)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(qū)動器(16)相連接，步進電機驅(qū)動器(16)與計算機(13)相連，用于步進電機的轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)對配重柔性系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)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(lián)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(qū)動器(10)相連，用于調(diào)節(jié)磁流變阻尼器輸出的阻尼力矩，磁流變阻尼器驅(qū)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(zhì)量塊構(gòu)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(zhì)量塊夾緊固定于柔性梁上；所述質(zhì)量塊在柔性梁上位移，實現(xiàn)柔性梁的轉(zhuǎn)動慣量與基頻的匹配。

進一步，所述應(yīng)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(xiàn)上下移動。

進一步，所述磁流變阻尼器安裝于剛性旋轉(zhuǎn)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(qū)動器、信號接收模塊及步進電機驅(qū)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(qū)動器相連接，控制步進電機的驅(qū)動方式，實現(xiàn)柔性梁勻速、加速及減速的旋轉(zhuǎn)運動。

旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)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(zhuǎn)動慣量與基頻的匹配計算，調(diào)節(jié)固定好梁上的質(zhì)量塊；

s2：計算機發(fā)布控制信號給步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)；

s3：利用應(yīng)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(zhuǎn)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(jīng)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(jù)彎曲振動信號、旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(xué)模型，得出磁流變阻尼器的電流需求信號；

s6：計算機發(fā)布電流需求信號給磁流變阻尼器驅(qū)動器，磁流變阻尼器驅(qū)動器產(chǎn)生相應(yīng)電流輸送給磁流變阻尼器，磁流變阻尼器產(chǎn)生對應(yīng)的阻尼力矩，達到抑制柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)振動的目的。

該控制方法為多通道檢測單通道控制miso系統(tǒng)檢測控制，綜合考慮系統(tǒng)的柔性振動信號、剛性旋轉(zhuǎn)振動信號及振動所產(chǎn)生的干擾信號，采用基于磁流變阻尼技術(shù)的半主動控制方式進行旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)振動控制。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明裝置利用位置可調(diào)的配重柔性梁可以進行轉(zhuǎn)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(qū)動方式，實現(xiàn)對不同工況下的剛?cè)狁詈险駝拥姆治雠c控制，為旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈险駝拥难芯刻峁└訙蚀_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(zhuǎn)柔性梁的剛?cè)狁詈险駝犹攸c，本發(fā)明裝置和控制方法綜合考慮柔性振動，剛性旋轉(zhuǎn)振動及振動產(chǎn)生的干擾信號，避免了單一信號決策的局限性；同時，利用剛?cè)狁詈险駝犹匦?，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(zhuǎn)振動及振動產(chǎn)生的干擾，從而實現(xiàn)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(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明控制方法的工作流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)振動測量裝置，包括配重柔性領(lǐng)部分、振動及其干擾信號檢測部分、步進電機驅(qū)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(tǒng)由兩根含可移動質(zhì)量塊(2)的柔性梁(3)組成，所述柔性梁(3)一端固定質(zhì)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(gòu)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(zhì)量塊重675g，質(zhì)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(zhì)量塊加緊固定于柔性梁上。

柔性梁的基頻與轉(zhuǎn)動慣量的匹配方程為

其中，α＝m0/m為質(zhì)量塊質(zhì)量與梁質(zhì)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(yīng)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(yīng)變片傳感器(4)采用4片應(yīng)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(zhuǎn)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(tài)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(qū)動控制部分：

包括步進電機(18)、諧波減速器(15)及步進電機驅(qū)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(zhuǎn)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(lián)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(lián)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(qū)動器(16)相連接，步進電機驅(qū)動器(16)與計算機(13)相連，用于步進電機的轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)對配重柔性系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)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(qū)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(lián)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(qū)動器(10)相連，磁流變阻尼器驅(qū)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(zhuǎn)換成電流需求，使磁流變阻尼器驅(qū)動器(10)輸出相應(yīng)電流給磁流變阻尼器(8)，磁流變阻尼器(8)輸出對應(yīng)阻尼力矩，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)柔性梁的剛?cè)嵴駝涌刂啤?/p>

所述磁流變阻尼器(8)為自主設(shè)計的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸(86)選用45鋼材料，轉(zhuǎn)軸(86)與轉(zhuǎn)盤(87)之間采用過盈配合，使轉(zhuǎn)盤固定于轉(zhuǎn)軸，并隨轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)的mrf-j01型磁流變液。

所述磁流變阻尼器驅(qū)動器(10)、信號接收模塊(12)和步進電機驅(qū)動器(16)集中在一張板卡上，磁流變阻尼器驅(qū)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(qū)動器(16)用于步進電機(18)的轉(zhuǎn)速驅(qū)動控制，。

旋轉(zhuǎn)柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)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(zhuǎn)動慣量與基頻的匹配計算，調(diào)節(jié)固定好梁上的質(zhì)量塊；

s2：計算機發(fā)布控制信號給步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)；

s3：利用應(yīng)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(zhuǎn)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(jīng)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(jù)彎曲振動信號、旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(xué)模型，得出磁流變阻尼器的電流需求信號；

s6：計算機發(fā)布電流需求信號給磁流變阻尼器驅(qū)動器，磁流變阻尼器驅(qū)動器產(chǎn)生相應(yīng)電流輸送給磁流變阻尼器，磁流變阻尼器產(chǎn)生對應(yīng)的阻尼力矩，達到抑制柔性梁剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)振動的目的。

所述旋轉(zhuǎn)柔性剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)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(yīng)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(qū)動器(10)改變磁流變阻尼器的線圈電流(8)，實現(xiàn)基于磁流變阻尼技術(shù)的半主動控制。

圖1中的虛線部分表示電信號與驅(qū)動及控制裝置的連線圖。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。