专利名称：超低频模态试验悬挂系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超低频模态试验专用的悬挂系统。
背景技术：
低频或超低频结构件在模拟失重环境做动态试验需要特殊的悬挂装置。悬挂装置 具有以下性能悬挂试件允许质量范围宽；极低刚度；低附加质量影响；极低无摩擦力；动 态试验的悬挂形式采用悬挂装置下部引出悬挂钢缆，悬挂钢缆下端吊挂试件。一般使用多 个悬挂装置吊挂同一试件。当悬挂钢缆长度合适，就形成了钟摆效应。水平方向仅受柔性 约束力。太空环境的一个主要特征是失重。这引出了模拟失重环境对结构件作动态试验的 经典问题。试件的重力必须使用悬挂力加以平衡，并且在悬挂力的作用点不引入明显的动 态约束力。这些动态约束力是由悬吊装置刚度、附加质量、摩擦力或振动模态等引起。它们 会改变试件的模态振型。能满足这种精确模拟的条件称为自由-自由(free-free)边界条 件。自由-自由边界条件的获得基于悬吊装置的动态约束力远小于试件刚度和惯性 产生的力。一个普遍认可的原则是悬吊装置垂直方向的刚体运动频率低于试件基频一个数 量级。当试件基频大于20Hz时，自由-自由边界条件较易获得，将试件悬吊在简单的线性 弹簧上即可。但是当试件基频接近或低于IHz时，悬挂问题变得极具挑战性。目前，全世界仅有美国CSA工程公司的型号为60350-DA的模态测试悬挂系统，该 系统最大悬挂重量621磅，垂直悬吊频率为0. IHz，该系统已为美国NASA兰利等研究中心所 用。模态测试悬挂系统，利用气动磁浮的原理，充分消除悬挂系统随动部件对试件的 附加质量、附加刚度及附加摩擦的影响。该系统控制部分，包括气动控制、电磁力控制等全 部以模拟电路实现。悬吊装置基本原理和结构图1表示了 CSA公司的悬吊装置的基本原理由两个并行的子系统构成。一个是 气动子系统1 ；另一个是电磁子系统2。气动磁浮悬吊装置的名字由此而获得。气动子系统 1又称为被动子系统，电磁子系统2又称为主动子系统。被动子系统由无摩擦气缸_活塞、 外部储气罐、手动精密减压阀等构成。主动子系统由定制的长行程音频动圈激振器和配套 的功率放大器、位移传感器和前置放大器及低通滤波器、加速度传感器和前置放大器及低 通滤波器、高精度压力传感器和前置放大器以及压力波动处理电路、由模拟电路构成的控 制器等构成。气动子系统提供恒定的悬挂力以平衡试件的重力，悬挂力的大小是作用在活塞上 的气压和活塞面积的乘积。由于活塞面积不变，悬挂力与气压成正比。气压使用手动精密减 压阀手工调节。电磁子系统提供非接触的电磁力。以满足悬吊装置对微小力的各种需求。图2是悬挂装置的简化模型。图中力Fp和力Fm分别表示气动子系统抽象成的空
3气弹簧的作用力和电磁子系统抽象成的电磁弹簧的作用力。这两个弹簧的刚度分别用kp 和km表示。阻尼系数Cp表示精密减压阀的阻尼作用。试件M的全部重力由仅在垂直方向 运动的特制的无摩擦气缸_活塞装置的活塞承受。把气缸通过气管连接到储气罐使得储气 罐的容积成为气缸容积。这样空气弹簧的刚度变得非常小，同时保持承受大载荷试件的能 力。精密减压阀使得气缸的平均压力稳定在设定值，间接的使得无摩擦气缸_活塞的悬挂 力稳定。小容积变化时，带精密减压阀的气缸-活塞性能象线性弹簧串联阻尼装置。弹簧 的刚度可用热力学方程中等熵过程来计算表达。
发明内容为了克服已有模态测试悬挂系统控制部分采用模拟电路、降低工作频率、控制精 度低、附加部件对模态试验的影响较大的不足，本实用新型提供一种全数字式控制、提高工 作频率、提升控制精度，并降低附加部件对模态试验的影响的超低频模态试验悬挂系统。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置，所述超低频模态试验悬 挂系统还包括用以实现远程监测和监控的监控计算机，所述监控计算机与以太网路由器连 接，所述模态试验悬挂装置的储气罐及气动动作器连接数字比例阀和气压传感器，所述数 字比例阀通过D/A控制模块与气压控制MPU连接，所述气压传感器与所述气压控制MPU连 接；所述模态试验悬挂装置的悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感器和电磁力传 感器连接，所述模态试验悬挂装置的电磁作动器与功率放大器连接，所述直线位移编码器 与用以将高分辨率直线位移编码信号转换成加速度信号的CPLD处理模块，所述CPLD处理 模块与电磁力控制MPU连接，所述悬挂力传感器和电磁力传感器与A/D采样模块连接，所述 A/D采样模块与所述电磁力控制MPU连接，所述气压控制MPU和所述电磁力控制MPU均与所 述模态悬挂控制MPU连接，所述模态悬挂控制MPU与以太网控制器连接，所述以太网控制器 与以太网连接。进一步，所述模态试验悬挂装置还包括无线手持式人机界面，所述无线手持式人 机界面与PSK调试模块连接，所述PSK调试模块与无线收发控制MPU连接，所述无线收发控 制MPU与所述模态悬挂控制MPU连接。再进一步，所述模态悬挂控制MPU接受监控计算机或无线手持式人机界面发送的 命令，将控制命令及参数分别传递给响应电磁力控制MPU或气压控制MPU，并将各MPU采集 的传感器数据、状态数据通过以太网控制器连接到网络路由器传送到监控计算机或无线手 持式人机界面。更进一步，所述气压控制MPU气压传感器采集的气压值及气压设定参数，控制数 字比例阀，从而改变储气罐气压，模拟空气弹簧功能。再进一步，所述电磁力控制MPU，用以模拟电磁弹簧，并实现对慢速响应的气压控 制进行补偿、悬挂装置中心位置保持。本实用新型的技术构思为整个超低频模态试验悬挂系统连接最多10台独立的 模态试验悬挂装置构成的网络，通过网络路由器实现多台计算机与网络上的所有模态悬挂 装置连接，从而实现远程监测模态试验悬挂装置的工作状态，实现对任一台悬挂装置参数 设置与控制。每台计算机均可对任何一台悬挂装置进行参数设置及控制、实时数据采集、曲线绘制并显示每台悬挂装置工作状态。每台悬挂装置都是一个由多处理器构成的独立的智 能采样控制系统，每个控制器间通过SPI串行总线以主从方式实现互联，各个控制器分布、 协调工作。所述手持式人机界面通过640*360彩色液晶显示器实现；检测数据及曲线显示， 通过液晶显示屏上安装的触摸屏接受用户参数及控制命令输入，通过触摸屏控制器连接入 手持式人机界面MPU，手动编码器#1和手动编码器#2实现设定值的粗调和精调设定，并通 过CPLD处理模块实现将编码器信号转换并传送至手持式人机界面MPU。通过PSK调制模块 实现无线收发。由于悬挂装置安装位置在10多米高的平台上，而模态试验对象在地面，因此在模 态试验过程中每台悬挂装置的参数调节极不方便，通过无线手持式人机界面能在地面实现 对悬挂装置所有参数的调节，既避免了上下来回跑，又能实时看到悬挂装置的全部工作状 态。通过独立的操作界面，采用彩色液晶显示屏显示每台悬挂装置的工作状态及参数、数据 与曲线，通过触摸屏操作悬挂装置，由手动编码器通过CPLD实现对参数的方便灵活调整。 用户在每台悬挂装置调整过程中，可以方便直观地看到调整效果，因为采用的是数字式控 制，所有参数均可精确量化，既可以直接在装置上调节，也可以通过计算机实现远程操作。每台悬挂装置均可同时对气压、电磁力、悬挂力、位移等信号进行采集及数据处 理，采用特定的数字算法对上述传感器数据及设置参数进行运算，最终获取气压和电磁作 动器控制值，实现精确实时控制，以满足模态试验悬挂系统的各项技术指标。由于整个悬挂装置为超低频，运动过程中加速度变化值很小，采用加速度传感器 时噪声信号干扰易导致系统失控，因此而设计专用的CPLD处理模块，将高分辨率直线位移 编码器信号处理成加速度信号，代替加速度传感器实现随动部件的惯性力抑制功能。本实用新型的有益效果主要表现在1、能较大幅度降低装置的工作频率，提高控 制精度，降低附加部件对模态试验的影响；2、通过数字式控制系统，减少了控制环节中外界 扰动对系统稳定性的影响，所有参数可精确量化，操作简便直观，同一系统内各装置间一致 性好。
图1为超低频悬挂装置原理图。图2为超低频悬挂装置简化模型。图3为模态试验悬挂系统结构图。图4为单台悬挂装置结构图。图5为无线手持式人机界面结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图1 图5，一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置，所述超 低频模态试验悬挂系统还包括用以实现远程监测和监控的监控计算机，所述监控计算机与 以太网路由器连接，所述模态试验悬挂装置的储气罐及气动动作器连接数字比例阀和气压 传感器，所述数字比例阀通过D/A控制模块与气压控制MPU连接，所述气压传感器与所述气压控制MPU连接；所述模态试验悬挂装置的悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感 器和电磁力传感器连接，所述模态试验悬挂装置的电磁作动器与功率放大器连接，所述直 线位移编码器与用以将高分辨率直线位移编码信号转换成加速度信号的CPLD处理模块， 所述CPLD处理模块与电磁力控制MPU连接，所述悬挂力传感器和电磁力传感器与A/D采样 模块连接，所述A/D采样模块与所述电磁力控制MPU连接，所述气压控制MPU和所述电磁力 控制MPU均与所述模态悬挂控制MPU连接，所述模态悬挂控制MPU与以太网控制器连接，所 述以太网控制器与以太网连接。进一步，所述模态试验悬挂装置还包括无线手持式人机界面，所述无线手持式人 机界面与PSK调试模块连接，所述PSK调试模块与无线收发控制MPU连接，所述无线收发控 制MPU与所述模态悬挂控制MPU连接。再进一步，所述模态悬挂控制MPU接受监控计算机或无线手持式人机界面发送的 命令，将控制命令及参数分别传递给响应电磁力控制MPU或气压控制MPU,并将各MPU采集 的传感器数据、状态数据通过以太网控制器连接到网络路由器传送到监控计算机或无线手 持式人机界面。更进一步，所述气压控制MPU气压传感器采集的气压值及气压设定参数，控制数 字比例阀，从而改变储气罐气压，模拟空气弹簧功能。再进一步，所述电磁力控制MPU，用以模拟电磁弹簧，并实现对慢速响应的气压控 制进行补偿、悬挂装置中心位置保持。如图3所示的模态试验悬挂系统最多可连接10台模态试验悬挂装置，各个悬挂装 置与上位计算机间通过以太网控制器实现数据通讯，通过网络路由器实现接入计算机，可 同时连接多台计算机，接成一个监控网络，实现整个系统的集中远程监测与控制。每台悬挂装置结构如图4所示，通过4MPU实现对悬挂装置的协同控制，其中“气压 控制MPU”和“电磁力控制MPU”分别模拟空气弹簧和电磁弹簧的作用，无线收发控制器”实 现对无线手持式人机界面的数据发送与接收。“模态装置控制MPU”作为SPI通讯主控制器， 接受上位机发送的命令，将控制命令及参数分别传递给相应MPU，并将各MPU采集的传感器 数据、状态数据通过以太网控制器连接到网络并传送到计算机。每个“手持式人机界面”连 接独立的液晶屏，可显示该装置工作数据与曲线，各设置参数与工作状态，同时该MPU还连 接触摸屏和手动编码器，实现参数独立输入，并通过PSK调制模块实现无线数据收发。“气压控制MPU”主要实现高精度气压传感器采样和数字比例阀控制，从而实现空 气弹簧功能。其中的气压传感器为高精度数字式，采用RS-485接口直接输出数字信号。MPU 将该值作为依据，并根据用户设定的工况控制输出DA值，由DA值控制数字比例阀实现精 密气压控制。“电磁力控制MPU”主要实现电磁弹簧的作用。同时还实现对慢速响应的气压 控制进行补偿、悬挂装置中心位置保持以及消除随动部件附加质量的影响等控制。如图4 所示结构图中，使用的非接触式直线位移编码器用于实现悬挂装置位移检测，图中的“ CPLD 处理模块”将采集编码器数值并转化为位移值传送给“电磁力控制MPU”，同时采用特定的算 法计算加速度值，替代加速度传感器实现加速度与位移、力值的同步采集。
权利要求一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置，其特征在于所述超低频模态试验悬挂系统还包括用以实现远程监测和监控的监控计算机，所述监控计算机与以太网路由器连接，所述模态试验悬挂装置的储气罐及气动动作器连接数字比例阀和气压传感器，所述数字比例阀通过D/A控制模块与气压控制MPU连接，所述气压传感器与所述气压控制MPU连接；所述模态试验悬挂装置的悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感器和电磁力传感器连接，所述模态试验悬挂装置的电磁作动器与功率放大器连接，所述直线位移编码器与用以将高分辨率直线位移编码信号转换成加速度信号的CPLD处理模块，所述CPLD处理模块与电磁力控制MPU连接，所述悬挂力传感器和电磁力传感器与A/D采样模块连接，所述A/D采样模块与所述电磁力控制MPU连接，所述气压控制MPU和所述电磁力控制MPU均与所述模态悬挂控制MPU连接，所述模态悬挂控制MPU与以太网控制器连接，所述以太网控制器与以太网连接。
2.如权利要求1所述的超低频模态试验悬挂系统，其特征在于所述模态试验悬挂装 置还包括无线手持式人机界面，所述无线手持式人机界面与PSK调试模块连接，所述PSK调 试模块与无线收发控制MPU连接，所述无线收发控制MPU与所述模态悬挂控制MPU连接。
3.如权利要求2所述的超低频模态试验悬挂系统，其特征在于所述模态悬挂控制MPU 接受监控计算机或无线手持式人机界面发送的命令，将控制命令及参数分别传递给响应电 磁力控制MPU或气压控制MPU，并将各MPU采集的传感器数据、状态数据通过以太网控制器 连接到网络路由器传送到监控计算机或无线手持式人机界面。
4.如权利要求2所述的超低频模态试验悬挂系统，其特征在于所述气压控制MPU气 压传感器采集的气压值及气压设定参数，控制数字比例阀，从而改变储气罐气压，模拟空气 弹簧功能。
5.如权利要求1 4之一所述的超低频模态试验悬挂系统，其特征在于所述电磁力 控制MPU，用以模拟电磁弹簧，并实现对慢速响应的气压控制进行补偿、悬挂装置中心位置保持。
专利摘要一种超低频模态试验悬挂系统，包括模态试验悬挂装置、用以实现远程监测和监控的监控计算机，监控计算机与以太网路由器连接，储气罐及气动动作器与气压控制MPU连接，悬挂随动部件与直线位移编码器、悬挂力传感器和电磁力传感器连接，电磁作动器与功率放大器连接，直线位移编码器与CPLD处理模块，CPLD处理模块与电磁力控制MPU连接，悬挂力传感器和电磁力传感器与电磁力控制MPU连接，气压控制MPU和电磁力控制MPU均与模态悬挂控制MPU连接，模态悬挂控制MPU与以太网控制器连接，以太网控制器与以太网连接。本实用新型全数字式控制、提高工作频率、提升控制精度，并降低附加部件对模态试验的影响。
文档编号G01D11/02GK201731894SQ201020214510
公开日2011年2月2日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者任安业, 单晓杭, 吴文英, 孙建辉, 张利, 李广诚, 汪庆武, 狄文斌, 王扬渝, 王治易, 谢明峰, 赵国军, 邹义成, 郭家骅, 高志松 申请人:浙江工业大学