超低频悬挂设备气动系统控制研究

摘要

航天设备的模态特性直接影响到设备的发射过程和在轨姿态控制的安全、稳定，所以航天设备在发射之前需要进行模态分析实验。航天器结构呈现巨型化、复杂化趋势，其固有频率一般在0.2Hz～15Hz范围内，当测试与支撑构成的系统的最高频率（称悬挂频率）与被测试件的一阶弹性体共振频率之比小于0.1，则认为无约束的边界条件得到精确模拟，因此需要一套超低频悬挂系统对于航天设备进行模态测试。
　　将气动、气浮装置应用于超低频悬挂系统中，利用空气的可压缩性好、刚度低等特点，实现对于被测试件的重力平衡与微重力环境的模拟。实现气压的精确控制，减小气压波动范围，成为超低频模态测试悬挂系统的难点与关键技术。本文主要工作与成果如下:
　　1.阐述了超低频模态测试悬挂系统的结构设计。
　　2.详细阐述单套悬挂装置的工作原理，分析了在研制悬挂装置过程中的主要技术难点。
　　3.对于悬挂装置的气动控制系统的关键部件进行建模与分析，针对悬挂装置气动系统的主要外部干扰进行分析。针对外部干扰的主要特点，制定针对性的控制策略，实现对于气压的高精度控制。
　　4.根据悬挂系统的技术指标、功能的实现和易于操作等方面的要求，设计控制系统，绘制、制作且调试了PCB板，定制了各通信协议与构建控制结构、编写控制程序，实现控制系统预定的各项功能。
　　5.经过大量的实验，寻找出最优的硬件参数组合，且验证了系统达到了各设计指标。气动系统控制效果达到了稳态误差要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国外研究现状

1．2 国内研究现状

1．3 课题研究的主要内容

1．4 本章小结

第二章 超低频模态测试设备控制系统原理及组成介绍

2．1 模态分析论述

2．2 航天设备模态测试介绍

2．3 单套超低频模态测试设备及其工作原理介绍

2．4 悬挂设备主要技术指标要求

2．5 系统研发中的难点分析

2．6 本章小结

第三章 气动系统设计与分析

3．1 气压控制系统结构介绍

3．2 系统中各主要元件的模型分析

3．2．1 气阻-气容系统分析

3．2．2 气动比例阀原理说明与分析

3．3 主要干扰的分析

3．4 几个主要干扰引起气压波动分析

3．4．1 比例阀的冲击对系统气压的影响

3．4．2 活塞位置和压力对漏气量的影响

3．5 控制策略的改进

3．6 控制策略效果对比

3．6．1 在轻载情况下的控制效果对比

3．6．2 在重载情况下的控制效果对比

3．6．3 通过对实验数据进行对比、分析及结论

3．7 本章小结

第四章 超低频模态悬挂装置控制系统

4．1 控制系统的总体设计

4．1．1 超低频模态测试悬挂系统的结构

4．1．2 单套悬挂设备控制部分结构设计

4．2 采样部分软硬件设计

4．2．1 位移采样部分设计

4．2．2 气压采样部分设计

4．2．3 重力采样部分设计

4．3 执行部分设计

4．3．1 比例阀控制电路设计与分析

4．3．2 电磁力控制电路设计与分析

4．4 通信部分软硬件设计

4．4．1 以太网通信协议

4．4．2 SPI通信协议

4．5 控制程序结构设计

4．6 本章小结

第五章 实验数据对比与分析

5．1 中流量比例阀、大流量比例阀控制效果的对比与分析

5．2 小容积、中容积、大容积储气罐对于气压控制的影响分析

5．3 固定耗气、与运动耗气对于气压控制的影响

5．4 不同长度与不同直径的导气管对于控制效果的影响

5．5 不同气压采样点对于气压控制的影响

5．6 悬挂装置最低频率与摩擦力实验

5．6．1 测试系统最低频率和摩擦力的方法

5．6．2 系统最低频率实验数据

5．6．3 系统摩擦力实验数据

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果