微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法，涉及电推进、激光微推进等空间推进系统的单摆或扭摆式推力测量系统的摆臂或横梁的振动控制。该方法由局域磁场与载流线圈之间的安培力作为控制力，用传感器测量摆臂或横梁的角位移，通过闭环反馈控制方法对摆臂或横梁的振动进行控制，使之稳定于平衡位置。该方法弥补了现有振动阻尼方法的不足，具有稳定速度快、控制精度高、无附加误差等突出优点。
【专利说明】微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微推力测量系统的摆臂或横梁振动的控制方法，特别是应用于电推进、激光微推进等空间推进系统的单摆或扭摆式推力测量系统的摆臂或横梁的振动控制。
【背景技术】
[0002]单摆或扭摆式推力测量系统一般是测量摆臂或横梁的角位移而间接得到推力或冲量。对于灵敏度和精度很高的测量系统，经过一次测量后，由于系统自身的阻尼非常小，系统的摆臂或横梁可能需要几个小时才能静止下来。这对于需要多次重复测量的应用而言，极大的影响了实验的进度，耽误宝贵的实验时间。因而，必须采取一定措施或方法使摆臂或横梁尽快稳定于平衡点附近。
[0003]一种单摆摆臂振动的衰减方法是由浸在水池中的叶片产生阻尼(ClaudioLugini, Marcello Roman0.A ballistic-pendulum test stand to characterize smallcold-gas thruster nozzles.Acta Astronautica 64, 2009)。叶片与单摆摆锤连在一起，叶片浸入水中，其刀口方向与摆动方向一致。叶片一方面可保证摆的摆动方向，另一方面起阻尼作用。这种阻尼会导致测量精度不高，而且，这种方法不能在真空条件下使用。
[0004]对于扭摆横梁的振动控制，一种方法是采用油池和阻尼片。阻尼片与横梁固连，阻尼片浸入油池中。这种方法的第一缺点是，由于液体在真空环境中容易挥发，能在真空仓中使用的油很少，第二是对于测量脉冲式推力，由于油池阻尼片的阻尼较大，推力的测量结果会有很大误差。
[0005]扭摆横梁振动的另一种被动式控制方法是采用电磁阻尼器。电磁阻尼器是由线圈和永磁铁构成。工作时，线圈闭合，当磁铁相对于线圈运动，由于线圈内磁通变化，线圈内会产生电流，从而产生阻尼力。当线圈与永磁体相对运动的速度与距离都很微小时，其所产生的阻尼作用非常微弱，所以，对于非常小的振动，电磁阻尼器的阻尼效果不明显。
[0006]电涡流阻尼器与电磁阻尼器类似，不同之处在于用金属片切割磁力线，金属片移动时在金属片内部将产生电涡流而产生阻尼力。其缺点与电磁阻尼器类似，对于非常小的振动，电涡流阻尼器的阻尼效果不佳。
【发明内容】
[0007]针对现有微推力测量系统振动的被动式阻尼方法引起测量误差并且对微小振动的阻尼效果不明显的问题，为单摆或扭摆式测量系统的摆臂或横梁振动问题提供一种不影响测量精确度且对微小振动具有良好阻尼效果的非接触式主动控制方法。
[0008]本发明的技术解决方案是:由局域磁场与载流线圈之间的安培力作为控制力，用传感器测量摆臂或横梁的角位移，通过自动控制方法对摆臂或横梁的振动进行控制，使之稳定于平衡位置。控制方法采用由扭摆横梁1、控制器5、位移传感器6、局域均匀磁场4和受力线圈3构成闭环反馈控制系统，通过控制算法实时控制受力线圈3的安培力的大小和方向，使扭摆横梁I绕转轴2摆动时能快速稳定于平衡位置；
所述闭环反馈控制系统具体为:受力线圈3安装于扭摆横梁I上，受力线圈3与扭摆横梁I固连，局域均匀磁场4设置在受力线圈3的下方，并且受力线圈3的一部分从局域均匀磁场4中穿过，受力线圈3的两端连接到控制器5的输出端，位移传感器6连接到控制器5的输入端；
所述位移传感器6可为光纤位移传感器(fiber optic displacement sensor, LDS)、线性可变差分传感器(linear variable differential transducer, LVDT)或激光干涉仪
等传感器。
[0009]所述局域均匀磁场4为磁场位置与磁感应强度大小、方向都固定不变的局域均匀磁场。带气隙的环形电磁铁或永磁铁的气隙中磁场的磁感应强度分布均匀且漏磁很小，可用来产生局域均匀磁场。
[0010]所述控制方法具体为:位移传感器6测量扭摆横梁I振动时的位置与平衡位置的偏差，此位置偏差即为控制器的输入信号。扭摆横梁I绕转轴2转动角度一般不会太大，故可由位置偏差除以位移传感器6到转轴2的距离得到扭摆横梁I绕转轴2振动的角位移。受力线圈3的一部分穿过气隙中的磁场，当受力线圈3中有电流通过时，线圈与磁场之间会产生安培力的作用。受力线圈3与局域均匀磁场4之间的安培力作为控制力，控制力的大小和方向与受力线圈3中电流的大小和方向有关。控制器接收位移传感器6测得的信号，将其换算成扭摆横梁 I的角位移，然后根据扭摆横梁I的运动方程和控制算法，给受力线圈3加载电流。控制器通过调节受力线圈3中电流的大小和方向以调节控制力的大小和方向，从而控制扭摆横梁I趋于稳定。
[0011]所述控制算法可以是经典的PID控制算法，也可以是模糊控制、神经网络等智能控制方法对于数字控制系统的PID控制算法，具体计算过程如下:
角位移A即为PID控制偏差，当偏差为零时，扭摆横梁I静止于平衡位置。首先，根据扭摆运动方程
【权利要求】
1.微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法，由局域磁场与载流线圈之间的安培力作为控制力，用传感器测量摆臂或横梁的角位移，通过自动控制方法对摆臂或横梁的振动进行控制，使之稳定于平衡位置，其特征在于:控制方法采用由扭摆横梁(I)、控制器(5)、位移传感器(6)、局域均匀磁场(4)和受力线圈(3)构成的闭环反馈控制系统，通过控制算法实时控制受力线圈的安培力的大小和方向，使扭摆横梁绕转轴摆动时能快速稳定于平衡位置； 所述闭环反馈控制系统具体为:受力线圈(3)安装于扭摆横梁(I)上，受力线圈(3)与扭摆横梁(I)固连，局域均匀磁场(4)设置在受力线圈(3)的下方，并且受力线圈(3)的一部分从局域均匀磁场(4)中穿过，受力线圈的两端连接到控制器的输出端，位移传感器连接到控制器的输入端； 所述控制算法具体为:位移传感器测量扭摆横梁振动时的位置与平衡位置的偏差，此位置偏差即为控制器的输入信号，由位置偏差除以位移传感器到转轴的距离得到扭摆横梁绕转轴振动的角位移，受力线圈的一部分穿过气隙中的磁场，当受力线圈中有电流通过时，线圈与磁场之间会产生安培力的作用，受力线圈与局域均匀磁场之间的安培力作为控制力，控制力的大小和方向与受力线圈中电流的大小和方向有关，控制器接收位移传感器测得的信号，将其换算成扭摆横梁的角位移，然后根据扭摆横梁的运动方程和控制算法，给受力线圈加载电流，控制器通过调节受力线圈中电流的大小和方向以调节控制力的大小和方向，从而控制扭摆横梁趋于稳定。
2.根据权利要求1所述的微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法，其特征在于，所述位移传感器可为光纤位移传感器、线性可变差分传感器或激光干涉仪传感器。
3.根据权利要求1所述的微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法，其特征在于，所述局域均匀磁场(4 )为带气隙的环形电磁铁或永磁铁。
4.根据权利要求1所述的微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法，其特征在于，所述控制算法可以是PID控制算法，也可以是模糊控制或者神经网络智能控制方法。
5.根据权利要求4所述的微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法，其特征在于，所述PID控制算法，具体计算过程如下: 角位移4即为PID控制偏差，当偏差为零时，扭摆横梁静止于平衡位置，首先，根据扭摆运动方程
【文档编号】G05D3/12GK103941756SQ201410162290
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】何振, 吴建军, 鲁高飞, 张代贤, 张华
申请人:中国人民解放军国防科学技术大学