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三轴气浮台单框伺服测角系统的研究
发布时间:2018-1-25 11:41:46发布人:超级管理员

三轴气浮台单框伺服测角系统的研究

 

张晓友 刘 暾                         李季苏

 

(哈尔滨工业大学)                  (北京控制工程研究所)

 

摘要 本文提出了一种新型的三轴气浮台姿态测角方案, 该方法结构简单, 只需一个圆弧臂和一个滑架,

 

可以直接测出三个姿态角, 并且具有很高的精度。

 

主题词 三轴气浮台 伺服 姿态角 仿真

 

1    前言

 

空间飞行器进行全物理仿真时, 就要在地面上模拟失重和无阻力等重要的空间环境,

 

此气浮台是不可缺少的仿真设备。根据实验需要, 气浮台本身必须具备测角装置(1)

 

气浮台姿态角测量采用无接触方式, 目前的方法有: (1) 直接照相法, (2) 绘制码图法(2) ;

 

(3) 光电管接收法; (4) 双圆弧臂双滑架法。这些方法有的结构过于复杂, 有的算法过于繁杂。本文对诸多方法进行深入分析后, 提出了一种新方法, 该方法结构简单, 可以直接测出

 

姿态角。

 

2    测角方案和测角原理

 

在气浮台基座上安装一个圆弧臂, 它可以绕气浮台中心的铅垂线转动, 在圆弧臂上安装

 

一个滑架, 它可以沿圆弧臂移动。因此, 通过圆弧臂的转动和滑架的移动, 直接测出气浮台的三个姿态角。其结构如图 1 (a) 所示。

 

在支撑气浮台的球形气浮轴承中心固联一惯性坐标系O X YZ, O Z 轴与铅垂线重合指向上方, X 轴和 Y 轴在水平面内, 构成右旋系。气浮台台体坐标系为o x tyt zt。在原始状态

o x tyt zt  O X YZ 各同名轴重合。

 

圆弧臂的圆心与球心重合, 它可绕O Z 轴旋转, 其固联坐标系为o x1 y1 z1 , o y1 z1 平面与圆弧臂构成的平面重合, 初始时刻o x1 y1 z1 O X YZ 重合。圆弧臂上有一圆弧导轨, 滑架沿导

轨移动, 与滑架固联的坐标系为o x 2 y2 z2 , O y2  轴始终指向滑架质心, 且与o yt  轴重合。

 

1 (a) 只给出了O X YZ 坐标系, 是原始状态, 1 (b ) 显示了平台运动后的情况。平台的姿态角为U, H, W。圆弧臂跟踪平台绕O Z 的转动, 转角W由测角装置1 测出, 滑架随平台绕 o x 1 轴的转动而在导轨上移动, 该转角 W由测角装置 3 测出, 平台绕自身轴o y t 的转角 H

测角装置 2 测出。圆弧臂的转动和滑架沿导轨的移动, 都是由二维敏感器保证的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1   测角系统结构及原理图

 

3    测角装置和敏感器

 

测角装置 1, 2 3 为感应同步器, 二维敏感器为光电式, 感应式等类型敏感器。

 

测角装置 1 的定子安装在气浮台的基座上, 转子安装在圆弧臂上, 两者距离保持在 012

 

013mm 。测角装置 2 的定子安装于滑架的前端, 滑架的前端为球面结构, 转子安装在气浮

 

台的探头上, 探头的前端也是球面结构, 测角装置 2 的安装如图 2 所示。测角装置 3 的定子安装在圆弧臂上, 转子安装于滑架的底座上。

 

本文采用的二维敏感器为光电式敏感器, 它由两部分组成。一部分是红外发射部分,

 

安装于气浮台的探头上, 另一部分为四象限红外接收部分, 它安装于滑架的前端, 其结构如

 

2 所示。

 

4    测角系统动力学与控制

 

圆弧臂的半径为R 0 , 滑架的零位与其运动后的质心距离为 Q, 圆弧臂相对惯性空间的角速度为 X, 滑架相对圆弧臂的角速度为 8 , 滑架质量为m b , 圆弧臂和滑架相对 o x1 y1 z1

o x 2 y2 z2  的转动惯量并矢为 Ia  Ib , 作用在圆弧臂上的力矩为 T a , 作用在滑架上的力为 F b ,

 

则可得到圆弧臂的转动方程和滑架的移动方程:

 

 

õ

+

(w  +

õ

 

)

õ× [

(w

+

 

 

)

× (R 0  +

_

) ] =  F b  m b

(2)

 

õ

_

 

 

 

õ

 

_

õ

_

 

_

_

 

 

_

 

8

 

_

õ

 

_

 

 

 

I a

w

+

I b

(w

8

) +

õ

+

 

8

)

 

_

+

8

)

 

 

 

 

+

 

_

(w

 

 

× I b

_

(w

 

 

 

õ

 

õ

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

_

 

 

_

)

 

 

 

 

 

 

(1)

_

 

_

 

w  × I a

 

+  I b

 

(w  ×

 

T a

 

 

 

 

 

 

 

 

_

 

 

_

 

 

 

_

 

_

 

 

 

 

_

 

 

_

 

 

 

 

 

(w +

8

) × (R 0  +

Q

 

 

 

 

8

) × (R 0  +

Q

 

 

 

 

 

 

 

_

) +   (w  ×

 

)

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

_

 

 

 

 

 

 

Q

 

ö

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

圆弧臂绕O Z 轴的转动和滑架沿O Z 2  轴的移动需要伺服控制, 控制系统框图如图 3 所示。


 

3    控制系统框图

 

调节器采用 P ID  形式, 其表达式为:

 

 

 

H

 

öS

a

=

 

H

 

 

 

x D )

U

K p

+

K I x I  +  K D  ( -

 

a

= -

 

 

1

 

+

H

x I (0) =  0

 

 

x I

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

öS

 

 

 

x D

 

(

 

H

 

x D )

x D  (0) =  0

 

 

-

 

 

 

式中, T  为积分常数, S为微分常数, K pK IK D  分别为比例、积分、微分系数。

 

功放部分的输入 —— 输出函数形式为:

 

I =   K aV

 

式中, K a  为放大系数。

 

电机的模型取为简化形式,

 

M  =   K T I

 

式中, K T  为力矩系数。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

数字仿真

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

取圆弧臂半径R 0

=

800mm , I z a  =  21  6k g

 

m 2 , 滑架的质量m b =  10k g, =  0 , I z b

=

1

 

õ

m

 

1

 

 

õ

m

2

 

 

6  4k g

 

2 , I y b  =  0  12k g

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

0

1  S

=

1

 

 

 

 

 

K a  =

0  5, T  =

1,

 

 

0  02, 滑架的力矩系数及P ID 调节系数为: K T b =  40, K p b =

4, K I b  =

 

75, K D b =  6, 圆弧臂的力矩系数和P ID 调节参数为: K T a  =  100, K p a  =  4, K I a  =  50,

K p a  =  5

 

5,

当平台分别绕着

X

 

轴和

Z 轴以每秒2 度的速度转动时, 滑架和圆弧臂的跟踪曲线

 

 

 

 

 

 

 

 

1

õ

A

5    滑架和圆弧臂跟踪误差曲线

 

如图 4 (a) 和图 4 (b ) 所示, 它们的误由图 4 和图 5 可知, 滑架和圆弧臂能很好地跟踪平台的运动, 最大跟踪误差小于 0101°,其稳态误关接近于零。

6     结论

 

(1) 本文提出的气浮台伺服测角方案结构简单, 只需要一个圆弧臂和一个滑架, 可以直

 

接测出姿态角。

 

(2) 该测角系统精度高, 可以达到 0101°。我们做了比较详细的精度分析, 但受篇幅的限

 

, 文中没有写入。

 

 

航天器 T P S 质量已确定时, 通过再入轨迹优化来获得航天器的最大有效载荷。

 

由仿真结果还得到 T P S 已固定时再入轨迹选择准则: 航天器再入轨迹的前面三分之一段沿再入走廊的上边界, 后面三分之二段沿走廊下边界。即离轨点所耗燃料质量最小, 使得航天器正好可以进入走廊返回地面而不被出大气层。这个结论可以挖掘已设计制造成型的航天器的有效载荷。

 

航天器 T P S 质量足够大时, 通过多次穿越大气层来获得航天器的最大有效载荷。

 

由仿真结果可以进一步推知, T P S 质量足够大时再入轨迹的选择准则: 航天器可采

 

用多次穿越大气层以耗散巨大的飞行速度, 当飞行速度小于某个值时, 采用的方式进入走

 

廊返回地面。采用这种方法返回时, 最少的离轨点所耗燃料质量使航天器正好与大气层边界

 

相切, 之后经过多次穿越大气层渐渐减少飞行速度, 达到正常的再入轨迹。付出的代价是使足够大质量的 T P S 温度升高到最大限度值。这个结论为最大有效载荷的再入轨迹(T P S

量足够大时) 的选择提供了一条思路。

 

5    结论

 

本文给出了航天器返回轨迹öT P S 优化设计的一般方法。基于数字仿真等的结果, 系统分析了选择再入轨迹öT P S 的方法, 得到了各种条件下最优再入轨迹öT P S 的选择准则。

参考文献

 

1     南英, 陈士橹等 1 航天器再入轨迹与控制进展 1 导弹与航天运载技术, 1994 (5) : 1101

 

2     南英, 吕学富, 陈士橹 1 航天器再入走廊及计算方法 1 飞行力学, 1993 (2) : 34431

 

3

Ga rcia F J r and Fow le r W  T.  T he rm a l P ro tect io n Sy stem W e igh t M in im iza t io n fo r the Sp ace Shu t t le th ro ugh T ra jec

2

 

to ry O p t im iza t io n.  Jo u rna l o f Sp acecraf t and Ro cke t s, A p r il 1974,  11 (4) : 241 245

1

ö

 

 

 

2

4

L u Xuefu, N an Y ing.  T he O p t im a l R e tu rn T ra jecto ry D e sign o f Sp ace V eh icle.  AA S 93-  384, AA S

GSFC  In te rna

 

t io na l Sym po suum o n Sp ace F lihg t D ynam ica, A p r il 26-  30, 1993, G reenbe lt, M a ry land, U. S. A.

 

5     南英 1 航天器再入轨迹与控制 1 西北工业大学博士论文, 1993 5 1

 

6     南英, 陈士橹 1 航天器最优再入轨迹的近似解 1 返回与遥感技术, 1994 (2) : 1101

 

 

 

(上接第 74 )

 

参考文献

 

1     林来兴 1 试论气浮台仿真的功能。控制工程, 1983, 4: 1-  11

 

2     ōKam i Y 1 卫星姿态控制模拟系统, ——三轴转台姿态测量装置 1P ro c.   the T en th  In te rna t io nna l

 

Sym p. O n Sp ace T ech.  and Sci.   1973:   975-   984, (中译文见国外空间控制技术, 1976, 2)

 

3    林来兴 1 空间控制技术 1 宇航出版社, 19921


120

 

st ructu re o f b ina ry A l L i a llo y w a s stud ied.  It is d isco ve red tha t eu tect ic st ructu re can no t

 

2

 

be o b ta ined w hen L i co n ten t  is le ss than  7w t% ,         the ectect ic  st ructu re w ith p lana r f ro n t

 

can be o b ta ined w hen L i co n ten t is m o re than 7w t% ,  and so lid if ica t io n p a ram e te r is o f im 2

 

po r tan t effect o n g row th  typ e and st ructu re m o rp ho lo gy.

 

KEY W O RD S A l2L i a llo y  E u tect ic g row th D irect io n so lid if ica t io n

 

 

 

 

 

THE  INVEST IGA T IO N O F A NGL ES SERVOM EA SUR ING

 

SY STEM W ITH S INGL E C IRCUL A R A RM  FO R THE

 

TR IA X IAL  GA SBEA R ING TA BL E

 

 

 

Zhang X iao yo u

L iu D un

 

 

 

 

(H a rb in  In st itu te o f T echno lo gy)

 

 

 

 

 

L i J isu

 

 

 

 

 

(B e ijing

In st itu te o f Co n t ro l Eng inee r ing)

 

 

A B ST RA C T

In  th is p ap e r a new

typ e o f an a t t itude ang le m ea su r ing  sy stem

o f  t r iax ia l

ga sbea r ing tab le is sugge sted.

T he co n st ruct io n

is qu ite sim p le.   It need s o n ly a sing le cir

 

cu la r a rm  and a slide p ad o n

it.  T h ree a t t itude ang le s can be read o u t o n  it.  m eanw h ile,

the accu racy o f m ea su red va lue s is h igh eno ugh.

 

 

2

KEY W O RD S

T r iax ia l ga sbea r ing

tab le   Se rvo

A t t itude ang le   S im u la t io n

 

A M ETHOD  TO D IA GNO SE THE PL A SM A D ENS ITY

 

IN A RC- HEA TED TUNNEL

 

 

C ao J inx iang   Zhang J iax iang

Zhao H o ngbo

 

 

(D ep a r tm en t o f M o rde r P hy sics, U n ive r sity o f Science & T echno lo gy o f Ch ina,  H efe i,  230026)

 

 

(Bo x 7201, B e ijing,  100074  )

 

 

2

A BSTRACT   T he m icrow ave p ro be m e tho d u sed in

the re sea rch o f p la sm a den sity va r ia

 

t io n ha s the advan tage o f no d istu rbance and adap ta t io n  to

rea l t im e m ea su re.  T he p ap e r

de scr ibe s the exp r im en t s o n  the p la sm a  in an a re -  hea ted

tunne l by m ean s o f m icrow ave

p ro be and g ive s the exp r im en t re su lt s o f den sity va r ia t io n du r ing

the fo rm a t io n o f p la sm a

and unde r som e o the r co nd it io n.   It a lso com p a re s the re su lt s w ith

tho se o b ta ined by sta t ic

-

e lect r ic p ro be.  T he p ap e r sugge st s tha t the m icrow 3

 

 

 

 

ave is an exce llen t too l to p ro be the