制計(jì)算機(jī)通過(guò)控制器，根據(jù)水平位置信號(hào)給出陣列式電磁鐵工作區(qū)域控制信號(hào)，根據(jù)軸向位置信號(hào)給出電源控制信號(hào)大?。豢刂朴?jì)算機(jī)將工作區(qū)域控制信號(hào)通過(guò)“D/Ο模塊”傳輸給繼電控制開關(guān)，電流控制信號(hào)通過(guò)“D/A模塊”傳輸給電源；電源根據(jù)接收到的信號(hào)的大小，通過(guò)改變電壓來(lái)改變電磁力。
[0039]本發(fā)明通過(guò)陣列式電磁鐵I產(chǎn)生多極耦合磁場(chǎng)的恒定電磁力，實(shí)現(xiàn)空間微重力效應(yīng)的地面模擬。結(jié)合圖2所示的控制系統(tǒng)的整體控制框圖，具體步驟如下:
[0040]I)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體在實(shí)驗(yàn)空間中軸向定點(diǎn)懸浮的控制。具體地，實(shí)現(xiàn)空間微重力效應(yīng)的地面模擬，則要保證運(yùn)動(dòng)體在實(shí)驗(yàn)空間的任一點(diǎn)均是微重力效應(yīng)狀態(tài)，由于在同一高度的水平方向移動(dòng)時(shí)可以切換工作單元組，并且能夠保證每個(gè)工作單元組在相同電源控制信號(hào)下電流相同，所以控制方法的研宄只需在軸向滿足實(shí)驗(yàn)條件的高度區(qū)間內(nèi)各個(gè)高度上分別獲得實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸浮的電流，這樣通過(guò)跟隨水平位置信號(hào)切換工作單元組就能在整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間中形成微重力環(huán)境。
[0041]步驟I)具體為:
[0042]1-1)由于分布式電磁系統(tǒng)工作過(guò)程中控制器的運(yùn)算時(shí)間、D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出時(shí)間、電流響應(yīng)時(shí)間、磁場(chǎng)建立時(shí)間、位置檢測(cè)等導(dǎo)致的延遲使得分布式電磁系統(tǒng)具有大的時(shí)延性，本發(fā)明采用Smith預(yù)估補(bǔ)償，使控制單元的動(dòng)作提前，彌補(bǔ)純滯后對(duì)控制過(guò)程帶來(lái)的不利影響。結(jié)合模型參考自適應(yīng)控制，降低模型精度對(duì)控制方法的影響，充分發(fā)揮Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方法的優(yōu)點(diǎn)以消除分布式電磁系統(tǒng)由滯后引起的時(shí)延。
[0043]1-2)除了具有強(qiáng)滯后性，分布式電磁系統(tǒng)還具有時(shí)變性，選用模型參考自適應(yīng)的控制方法來(lái)調(diào)整控制器參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整控制器的參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化，使得分布式電磁系統(tǒng)的控制更加穩(wěn)定。由于分布式電磁系統(tǒng)的時(shí)變性和模型自身精度限制，在Smith預(yù)估補(bǔ)償、模型參考自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上引入模糊PID控制。模糊PID控制不僅可以減小時(shí)變性的影響，對(duì)改善時(shí)延性也有很大作用，并且對(duì)分布式電磁系統(tǒng)的耦合性也起到良好作用。
[0044]通過(guò)對(duì)上述控制方法的理論分析和實(shí)際測(cè)驗(yàn)比較，最終采用Smith預(yù)估補(bǔ)償、模糊PID、模型參考自適應(yīng)控制相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體在實(shí)驗(yàn)空間中軸向定點(diǎn)懸浮的控制。
[0045]2)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體在實(shí)驗(yàn)空間中水平運(yùn)動(dòng)的控制。電磁鐵單元陣為26 X 26陣列，工作單元組為12X12陣列，要求提供電磁力不小于10N。實(shí)施過(guò)程中保證兩點(diǎn):(1)工作單元組中心實(shí)時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)體位置信號(hào)切換，保持工作單元組中心在運(yùn)動(dòng)體軸向中心線上，水平電磁力基本為零；(2)每個(gè)工作單元組的電源控制信號(hào)相等，保證同一高度下，運(yùn)動(dòng)體所受軸向電磁力相同。
[0046]在此實(shí)施例中，結(jié)合圖3所示混合懸浮系統(tǒng)模型，步驟2)具體為:
[0047]2-1)水平運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)。根據(jù)混合懸浮系統(tǒng)的特點(diǎn)，懸浮體在一定高度從相對(duì)于底部12 X 12工作單元組的中心位置水平運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)距離不超過(guò)30mm時(shí)，保持底部12 X 12工作單元組的工作狀態(tài)不變，移動(dòng)過(guò)程中懸浮永磁體的水平電磁受力基本為零，垂直方向的電磁力變化率基本不超過(guò)1%。當(dāng)水平移動(dòng)距離繼續(xù)增加時(shí)，則開始切換底部12 X 12工作單元組的位置，使工作部分整體也隨著懸浮永磁體的運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)50mm( —個(gè)電磁鐵單兀的長(zhǎng)度)。
[0048]2-2)電磁陣列工作單元組切換的具體方法:計(jì)算26X26的電磁陣列中每個(gè)12X12的工作單元組中心對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)空間水平位置坐標(biāo)，位置檢測(cè)系統(tǒng)將坐標(biāo)信號(hào)傳輸給控制計(jì)算機(jī)的水平位置信號(hào)，計(jì)算出控制繼電開關(guān)通斷的I/O控制信號(hào)，通過(guò)“D/Ο模塊”控制繼電開關(guān)，使相應(yīng)的12X12工作單元組處于開通狀態(tài)。
[0049]3)實(shí)現(xiàn)微重力地面模擬實(shí)時(shí)精確配平的復(fù)合控制。通過(guò)步驟I)軸向定點(diǎn)懸浮控制的實(shí)現(xiàn)，對(duì)微重力模擬實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)各個(gè)高度的定點(diǎn)懸浮實(shí)現(xiàn)時(shí)的電磁線圈電流，制成微重力模擬實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的標(biāo)定電流控制信號(hào)數(shù)據(jù)表。運(yùn)動(dòng)體在微重力模擬實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)三維運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制器通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接受運(yùn)動(dòng)體的三維坐標(biāo)信號(hào)，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)將工作區(qū)域控制信號(hào)通過(guò)“D/Ο模塊”傳輸給繼電控制開關(guān)，電源控制信號(hào)，從標(biāo)定電流控制信號(hào)數(shù)據(jù)表中提取對(duì)應(yīng)高度的電流控制信號(hào)通過(guò)“D/A模塊”傳輸給電源。
[0050]本發(fā)明在期望懸浮高度為770mm(即軸向高度為770mm)，工作單元組為電磁陣列中心的12 X 12單元組時(shí)，采用PID控制方法所得到的控制效果如圖4所示。在高度為770mm的定點(diǎn)懸浮實(shí)現(xiàn)時(shí)垂直方向加速度隨時(shí)間變化情況如圖5所示。
[0051]以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種均勻電磁力場(chǎng)生成裝置，其特征在于:包括運(yùn)動(dòng)體(2)、位置測(cè)量系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)、開關(guān)控制柜、電源以及陣列式電磁鐵(I);控制計(jì)算機(jī)通過(guò)開關(guān)控制柜以及電源與陣列式電磁鐵(I)相連，陣列式電磁鐵(I)上放置有水箱(3)，運(yùn)動(dòng)體⑵置于水箱(3)內(nèi)，陣列式電磁鐵(I)通電后在其上方形成電磁力場(chǎng)，水箱⑶內(nèi)的運(yùn)動(dòng)體⑵處于陣列式電磁鐵(I)上方所形成的電磁力場(chǎng)中，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)控制電源來(lái)調(diào)控陣列式電磁鐵(I)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)體(2)上所受的電磁力，使運(yùn)動(dòng)體(2)懸浮于水箱(3)的水中；控制計(jì)算機(jī)通過(guò)位置測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的位置信息。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻電磁力場(chǎng)生成裝置，其特征在于:所述陣列式電磁鐵采用多個(gè)勵(lì)磁線圈單元構(gòu)成26X26陣列式電磁鐵，多個(gè)勵(lì)磁線圈單元布設(shè)于水平面內(nèi)，每個(gè)勵(lì)磁線圈單元的軸線方向相互平行且垂直于水平面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的均勻電磁力場(chǎng)生成裝置，其特征在于:所述勵(lì)磁線圈的形狀采用避免邊緣效應(yīng)并保證水平面磁場(chǎng)的均勻性和方向性的方形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻電磁力場(chǎng)生成裝置，其特征在于:所述位置測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)232通信方式將測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體位置信號(hào)傳輸給控制計(jì)算機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻電磁力場(chǎng)生成裝置，其特征在于:所述控制計(jì)算機(jī)將工作區(qū)域控制信號(hào)通過(guò)“D/Ο模塊”傳輸給開關(guān)控制柜，將電流控制信號(hào)通過(guò)“D/A模塊”傳輸給電源。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻電磁力場(chǎng)生成裝置，其特征在于:所述運(yùn)動(dòng)體采用形狀符合實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱A柱形永磁體。7.一種采用權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述裝置的均勻電磁力場(chǎng)生成方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:利用水的浮力克服運(yùn)動(dòng)體的重力對(duì)運(yùn)動(dòng)體進(jìn)行粗配平，粗配平后浮力和重力差為aj，即F浮-mg = a#，其中，m為運(yùn)動(dòng)體質(zhì)量，單位為千克，g為重力加速度，Btl為常數(shù)，則空間微重力地面模擬實(shí)驗(yàn)需求整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的電磁力等于aQN ; 步驟2:根據(jù)電磁力的作用范圍結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求確定實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的標(biāo)定區(qū)間以及需要標(biāo)定的點(diǎn)，確定標(biāo)定精度；建立xyz三維坐標(biāo)系，X方向和I方向每隔0.05m標(biāo)定一點(diǎn)，z方向每隔1mm標(biāo)定一個(gè)點(diǎn)；水平運(yùn)動(dòng)區(qū)間為1.3mX 1.3m，豎直運(yùn)動(dòng)區(qū)間為0.3m ； 步驟3:給定水平位置信號(hào)和豎直高度信號(hào)，標(biāo)定該點(diǎn)過(guò)程中不再改變電磁陣列工作單元組，使電磁力等于％Ν，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)的定點(diǎn)懸浮，滿足微重力水平； 步驟4:采用位置測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得運(yùn)動(dòng)體當(dāng)前三維位置信號(hào)坐標(biāo)，將坐標(biāo)信號(hào)通過(guò)反饋信號(hào)通路發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)； 步驟5:控制計(jì)算機(jī)接受三維位置信號(hào)，根據(jù)水平位置信號(hào)X坐標(biāo)和y坐標(biāo)確定電磁陣列工作單元組幾何中心對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)體幾何中心的12X12的電磁陣列工作單元組，發(fā)出開關(guān)控制信號(hào)；同時(shí)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)豎直位置信號(hào)z坐標(biāo)確定電壓控制信號(hào)；確定電壓控制信號(hào); 步驟6:開關(guān)控制柜接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的開關(guān)控制信號(hào)，控制相應(yīng)繼電器開關(guān)動(dòng)作；同時(shí)，電源接受控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓控制信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流給電磁陣列工作單元組； 步驟7:根據(jù)開關(guān)控制柜的切換開關(guān)信號(hào)，相應(yīng)的12X12電磁陣列工作單元組位于接通狀態(tài)，接收電源提供的電流，產(chǎn)生電磁力； 步驟8:電磁力作用于運(yùn)動(dòng)體，改變運(yùn)動(dòng)體的三維位置，重復(fù)步驟4至步驟8，直到運(yùn)動(dòng)體在所標(biāo)定的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定點(diǎn)懸??； 步驟9:更換標(biāo)定點(diǎn)位置，重復(fù)步驟3至步驟8，在標(biāo)定區(qū)間的所有標(biāo)定點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定點(diǎn)懸浮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)間內(nèi)的均勻電磁力。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種均勻電磁力場(chǎng)生成裝置及方法，用于空間微重力地面模擬實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明使用常導(dǎo)液磁混合懸浮，并采用多點(diǎn)支撐，設(shè)計(jì)勵(lì)磁線圈和永磁體的結(jié)構(gòu)和布設(shè)方式，產(chǎn)生多極耦合電磁場(chǎng)，用于在實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)提供所需的電磁力，滿足同高度無(wú)控狀態(tài)下任意點(diǎn)軸向電磁力相同，水平電磁力基本為零，同時(shí)空間內(nèi)不同高度的電磁力大小通過(guò)主動(dòng)控到系統(tǒng)可達(dá)到要求的恒定值。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在給定的三維實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)，按要求對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)體產(chǎn)生恒定電磁力，使運(yùn)動(dòng)體始終處于微重力模擬效應(yīng)狀態(tài)下。對(duì)于不同的試驗(yàn)?zāi)康暮瓦\(yùn)動(dòng)體，所需的恒定電磁力大小不同，可以通過(guò)該裝置的主動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)所需均勻力場(chǎng)的大小進(jìn)行調(diào)控，以適應(yīng)不同的空間微重力地面模擬實(shí)驗(yàn)要求。
【IPC分類】G05B19/04
【公開號(hào)】CN104898467
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510141272
【發(fā)明人】袁建平, 汶濤, 明正峰, 朱戰(zhàn)霞
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué), 西安電子科技大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日