一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統及控制方法，屬于空間飛行器地面全物理仿真領域。
【背景技術】
[0002]六自由度氣浮臺是月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗的核心設備，采用等比方式模擬了軌道器的質量和慣量特性，具有三個轉動自由度和三個平動自由度，為了模擬空間的微重力環境，實現對重力方向上的重力卸載是必須要解決的根本問題，也是制約空間地面全物理全自由度仿真的主要因素，極大的影響了試驗結果可靠性的評估。
【發明內容】
[0003]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提出了一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統及控制方法，用于月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗中軌道器和上升器模擬裝置重力方向上的動態卸載，本發明首次提出了一種六自由度氣浮臺重力平衡控制方法為航天器地面六自由度動力學全物理仿真提供強有力的手段。
[0004]本發明采用的技術方案為:
[0005]一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統，包括:六自由度氣浮臺、氣囊腔、電磁系統、壓力傳感器和直線光柵；氣囊腔為頂部敞開的空腔，六自由度氣浮臺至于空腔內，直線光柵固定于氣囊腔內壁，電磁系統控制向氣囊腔內充氣或者放氣，令六自由度氣浮臺懸浮在氣囊腔內，壓力傳感器置于氣囊腔內用于測量腔內氣體壓力；六自由度氣浮臺根據充氣壓力的不同沿垂直于氣囊腔底面的方向上下漂浮。
[0006]一種氣浮臺重力平衡控制方法，步驟如下:
[0007](I)通過電磁系統控制向氣囊腔內充氣，令六自由度氣浮臺漂浮；
[0008](2)通過壓力傳感器測量氣囊腔內的氣體壓力P ；
[0009](3)通過直線光柵測量六自由度氣浮臺底面距離氣囊腔內部底面之間的距離d ;
[0010](4)將步驟⑶測量得到的距離d與L做差，即L-d，L為六自由度氣浮臺底面與氣囊腔內部底面之間距離的目標值；基于得到的差值L-d，根據氣浮臺重力平衡控制回路對氣浮臺的位置進行調節，之后進入步驟(5);
[0011](5)循環執行步驟(2)-(4)，直到L-d〈2mm，此時氣囊腔內氣體所產生的浮力與氣浮臺的重力相抵消，從而實現六自由度氣浮臺的重力平衡控制。
[0012]所述氣浮臺重力平衡控制回路包括位置環和壓力環；位置環的輸入是L-d，差值后在位置環做PID調節；壓力環的輸入為位置環PID調節后的輸出，將所述位置環PID調節后的輸出與所述步驟(2)測量得到的氣體壓力P差值后在壓力環做PID調節
[0013]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0014](I)本發明采用位置和壓力相結合的復合控制方式，提高了系統的剛度，實現了對氣壓波動的干擾抑制，保證了對氣浮臺重力的動態卸載。
[0015](2)本發明深入研宄氣浮軸承重力平衡的本質，創新實現氣浮臺重力動態平衡方法；創新設計氣壓測量和控制方法，結合誤差補償實現了對氣浮臺的重力動態卸載。提高了氣浮臺重力卸載的動態穩定性，能夠實現對氣浮臺動態重力精確卸載，這種思路為空間運動體地面六自由度動力學仿真提供了可能。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明系統架構示意圖；
[0017]圖2為本發明方法流程圖。
[0018]圖3為本發明方法原理示意圖。
【具體實施方式】
[0019]本發明利用氣浮直線軸承的本質特性、通過實際測量氣壓和位置數據，可以精確實現對氣體壓力的穩定控制，而且可以實現航天器地面動力學全自由度模擬。為航天器地面六自由度動力學全物理仿真提供強有力的手段。
[0020]如圖1所示，本發明提供了一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統，包括:六自由度氣浮臺、氣囊腔、電磁系統、壓力傳感器和直線光柵；氣囊腔為頂部敞開的空腔，六自由度氣浮臺至于空腔內，直線光柵固定于氣囊腔內壁，電磁系統控制向氣囊腔內充氣或者放氣，令六自由度氣浮臺懸浮在氣囊腔內，壓力傳感器置于氣囊腔內用于測量腔內氣體壓力；六自由度氣浮臺根據充氣壓力的不同沿垂直于氣囊腔底面的方向上下漂浮。
[0021]本發明還基于上述控制系統，實現了一種氣浮臺重力平衡的控制方法。其原理如圖3所示，通過氣浮臺重力平衡控制回路對氣浮臺的位置進行調節，從而令氣浮臺位于指定位置，氣體浮力抵消氣浮臺重力，實現重力平衡控制。
[0022]氣浮臺重力平衡控制回路包括位置環和壓力環。
[0023]如圖2所示，本發明提供的氣浮臺重力平衡控制方法，步驟如下:
[0024](I)通過電磁系統控制向氣囊腔內充氣，氣動系統由氣囊腔-活塞裝置組成，并與儲氣罐相連接，通過調節比例閥的大小是氣缸的平均壓力值保持在設定值，實現對氣浮臺重力的平衡令六自由度氣浮臺漂浮；
[0025](2)通過壓力傳感器測量氣囊腔內的氣體壓力P ;
[0026](2)通過直線光柵測量六自由度氣浮臺底面距離氣囊腔內部底面之間的距離d ;
[0027](4)將步驟(3)測量得到的距離d與L做差，即L-d，L為六自由度氣浮臺底面與氣囊腔內部底面之間距離的目標值；基于得到的差值L-d，根據氣浮臺重力平衡控制回路對氣浮臺的位置進行調節，之后進入步驟(5);
[0028]氣浮臺重力平衡控制原理通過調壓閥使下氣壓腔內的壓力和承載基本平衡，再通過壓力傳感器反饋電動調壓閥控制使在重力方向位移基本為零，達到重力方向精確平衡，而后一直保持此壓力在整個仿真過程中。其控制回路為:位置環的輸入是L-d，差值后在位置環做PID調節；壓力環的輸入為位置環PID調節后的輸出，將所述位置環PID調節后的輸出與所述步驟(2)測量得到的氣體壓力P差值后在壓力環做PID調節。(5)循環執行步驟
(2)-⑷，直到L-d〈2mm，通過電磁閥自動調節氣缸的進氣量和出氣量可以保證在干擾條件下，實現對氣浮臺的重力的抵消，從而實現六自由度氣浮臺的重力平衡控制。
[0029]本發明所述的一種六自由度氣浮臺重力平衡系統及控制方法，為地面完全模擬空間飛行器全自由度動力學特性提供了可能，與傳統五自由度氣浮臺相比，真實充分模擬了空間飛行器運動過程真實動力學演化，本發明所述方法增加了傳統氣浮臺豎直方向的運動自由度，實現了空間飛行器軌道平面外運動的模擬，將使空間飛行器地面全物理GNC試驗更為真實，更為全面。
【主權項】
1.一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統，其特征在于包括:六自由度氣浮臺、氣囊腔、電磁系統、壓力傳感器和直線光柵；氣囊腔為頂部敞開的空腔，六自由度氣浮臺至于空腔內，直線光柵固定于氣囊腔內壁，電磁系統控制向氣囊腔內充氣或者放氣，令六自由度氣浮臺懸浮在氣囊腔內，壓力傳感器置于氣囊腔內用于測量腔內氣體壓力；六自由度氣浮臺根據充氣壓力的不同沿垂直于氣囊腔底面的方向上下漂浮。2.一種基于權利要求1所述控制系統實現的氣浮臺重力平衡控制方法，其特征在于步驟如下: (1)通過電磁系統控制向氣囊腔內充氣，令六自由度氣浮臺漂浮； (2)通過壓力傳感器測量氣囊腔內的氣體壓力P； (3)通過直線光柵測量六自由度氣浮臺底面距離氣囊腔內部底面之間的距離d; (4)將步驟(3)測量得到的距離d與L做差，即L-d，L為六自由度氣浮臺底面與氣囊腔內部底面之間距離的目標值；基于得到的差值L-d，根據氣浮臺重力平衡控制回路對氣浮臺的位置進行調節，之后進入步驟(5); (5)循環執行步驟(2)-(4)，直到L-d〈2mm，此時氣囊腔內氣體所產生的浮力與氣浮臺的重力相抵消，從而實現六自由度氣浮臺的重力平衡控制。3.根據權利要求2所述的一種六自由度氣浮臺重力平衡控制方法，其特征在于:所述氣浮臺重力平衡控制回路包括位置環和壓力環；位置環的輸入是L-d，差值后在位置環做PID調節；壓力環的輸入為位置環PID調節后的輸出，將所述位置環PID調節后的輸出與所述步驟(2)測量得到的氣體壓力P差值后在壓力環做PID調節。
【專利摘要】一種六自由度氣浮臺重力平衡控制系統及控制方法，用于月球弱撞擊交會對接地面全物理仿真試驗中軌道器和上升器模擬裝置重力方向上的動態卸載，本發明首次提出了一種六自由度氣浮臺重力平衡控制方案，為航天器地面六自由度動力學全物理仿真提供強有力的手段。
【IPC分類】B64G7/00
【公開號】CN104986359
【申請號】CN201510320046
【發明人】劉磊, 唐強, 劉濤, 朱志斌, 周揚, 胡錦昌
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月11日