英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
微重力下的电磁致动器隔振系统
Lars Alminde，Morten Bisgaard，Dennis Vinther，Tor Viscor和KasperOslash;stergaard
奥尔堡大学控制工程系，
Fredrik Bajers Vej 7C，DK-9220 AalborgOslash;st，Denmark，
{lalm00，mbis00，drvi00，tvis00，kzoe00} @ control.aau.dk
摘要：
本文讨论的主题是运用自由浮动微重力隔振平台的设计，构造和试验来减少零重力实验上情况下的加速剂量。国际空间站（ISS）。在项目期间，一个系统被指定和构建，并在欧洲航天局（ESA）发布的第六次学生抛物线飞行运动中进行了测试。 该系统由六个定制的在隔振平台上起作用的电磁致动器组成，它们是基于控制器和来自六个加速度计和六个红外位置传感器的输入信号来设计的。
从飞行中获取的数据得出的结论是，用于定位平台的控制算法可以满足要求，但不可能对加速度控制器的性能作出最终结论。然而，它确实表现出更好的性能，但需要更好的传感器。
关键词：电磁；致动器；自动控制
引言
太空环境的主要特征之一是缺乏重力，使之有可能进行在地球表面几乎是不可能的研究。许多科学领域使用这种环境进行实验，其中包括无机晶体的培养，各种长蛋白质的培养，燃烧物理学以及空间医学等研究。
目前国际空间站（ISS），航天飞机和专用可回收卫星（如俄罗斯福田）的设施目前也用于零重力实验。然而，当使用这些工艺作为研究实验室时，存在影响环境并将其从理论上的零重力环境改变为微重力环境的若干因素。这些因素包括：
（1）航天器机动
（2）由于航天器质量分布引起的重力
（3）航天器结构上的残留大气阻力
（4）航天器和/或船员活动引起的结构振动
对mu;g环境的这些干扰降低了许多类型的微生物实验的性能，对于许多类型的实验，性能与实验所在的微环境的质量成正比。举一个例子，可以说航天飞机的剩余加速度水平在10 -4 g左右（Rogers et al。，2003）。因此，需要一种系统，可用于通过被动或主动补偿将航天器上的实验结构进行隔离开来。完全隔离是不可能的，然后减少任务以使系统进行补偿，使得实验尽可能经历最小的加速剂量。
最新的和最有希望的系统被称为G-limit（参见（Whorton，2003）），其由美国航空航天局在过去5年中开发。它使用三个双轴电磁致动器，从而提供六个自由度的稳定性。 G限制系统尚未飞行，但是计划在太空船上飞行，在哥伦比亚灾难发生后，班机车队再次开始运作。
MIEMA项目的目标是开发一个系统，这个系统讲从根本上使用与G极限系统相同的技术，以提供稳定的mu;g环境，即两个系统将使用电磁执行器、平台加速度和位置的测量以稳定实验环境。两个项目之间的区别是实际的执行器设计原理和控制算法不同。 MIEMA项目将使用六个单轴执行器，与G-limit上的三个双轴相比，这种差异以及可能存在的控制算法设计使得可以评估与现有G限制系统相似但却不同的系统的性能。
MIEMA项目有机会评估第六届学生抛物线飞行运动的设计，本文将公布此结果。根据运动的结果，欧空局已经决定了实验的相关细节，实验于2004年3月在第36届ESA抛物线飞行运动中重新启动。基本上，这将是同一配置的一个反思，而且在根本上解决了一些已识别的硬件和软件问题，以及基于飞行结果的控制算法的一般重复问题。
1. 概念设计与机械设计
MIEMA的基本设置是一种自由浮动的同位素平板（IPL），其可作为光盘，可以用于放置mu;g关键实验。 使IPL自由浮动的想法是通过去除机械接触来减少与环境的干扰耦合来实现的。
1.1性能要求
为了获得MIEMA系统的要求，将提出使用ISSmu;g要求作为参考。 ISS上的振动可以分为三个不同的类别（Whorton等人，2002）：低频（低于10 -3 Hz），中频（10 -3至1 Hz）和高频（高于1Hz）。
低频源自大气阻力，是非瞬态的。
中间频繁主要来自宇航员，设备的运动和使用推进器时ISS的运动。这些振动主要是短暂的。
高频存在于两种不同类型中：瞬态来自宇航员运动和机动冲击、正弦曲线从泵、马达等。
图1 ISS微重力要求和典型实际加速度
图1（Whorton et al。，2002）显示了板载ISS所需的加速度水平以及实际测量的加速度。 美国宇航局微量重力服务首席调查员（PIMS）规定了所需的水平，来用于协调所有微生物学研究的研究。 从图中可以看出，我们需要衰减加速度以达到期望的水平。
通过PIMS（Whorton，2002）指定了将加速度降低到可接受水平的实际所需衰减如图2所示
图2.所需的衰减水平
然而，由于学生项目的财务限制，原来是不可能获得能够满足美国航空航天局1mu;g要求的加速度传感器，因为该项目是一个示范项目，因此选择200倍的要求来达到200mu;g的下限，而且这符合传感器的质量要求，所以是可以接受的。然而，在设置了plusmn;5mm位移的极限情况下，低频状态产生了非常大的位移，这使得其在预期情况下产生了0.1Hz而不是0.01Hz的干扰衰减，这种状况再次使图2中数据在十年期间有所增大。
1.2致动器和传感器
来自船员活动、机械振动和航天运动的干扰以两种不同的方式被引入隔离振系统：作为平移（线性）运动和或者旋转运动。这意味着系统可能会受到六自由度（DOF）的干扰，因此系统必须能够在六个自由度中激活IPL。为了适应这一点，我们选择使用六个安装在三边的电磁致动器，三个在IPL下面，如图3所示。
图3左图：IPL上的致动器受力图，其也与位置传感器的位置有关系
右图：加速度传感器位置。
两个不同的传感器系统用于控制IPL：位置传感器和加速度传感器。两个传感器系统都被置于此系统上，使其与致动器一样覆盖六个自由度。
位置传感器用于追踪因为极低频率干扰IPL产生的偏移，并且对于这种简单的IR传感器，其测量精度可达到0.5mm，它使用的是测量反射光强度的原理。加速度传感器是组成MIEMA的主要传感器系统，它是被用于测量加速度，从而测量IPL的g级。然后可以在控制回路中使用这些测量值来衰减IPL的振动。传感器所需的分辨率和带宽必须至少为200mu;g和100 Hz，是为了满足Honeywell的ASA7002性能和激励的需求。
图4. 左图：3D致动器配置
右图：致动器磁场横截面
1.3执行机构设计
电磁执行器的选择来自构建非接触式致动器的选择，从而减少对IPL造成的干扰。该设计采用扬声器设计的原理，因为致动器被创建为音圈，因此该原理给出了创建线性致动器的可能性（和优点），并且由产生磁场的永磁体部分和导电线圈可以产生致动器的力。磁场通常被认为是高度非线性的，但是通过使用用于引导磁场的永磁体如图图4所示的原理，可我们可以在线圈的工作区域创建强大且相对均匀的场磁场以及致动器外部的弱磁场。
执行器的要求是，它们必须具有足够的带宽以覆盖高达至少100Hz的频率，同时仍然能够以非常低的频率操作。此外，它们必须在行程在是最后一小节所示的所有方向上允许至少最大位移为5mm。该位移要求对于特定致动器的致动方向以及垂直于致动方向的方向都是有效的。
1.4机械设计
整个IPL已经建成，其原因在于铝具有非常高的磁阻，因此，通过系统传播的磁场是不必要的。在图5中，示出了完全安装的IPL，并且可以看到三个侧面的致动器线圈以及在盘的顶部上的信号处理硬件。
执行器的永久部分安装在基板上，并在其周围形成一个玻璃盒，盒中应包含IPL图、IPL与线圈、传感器和电子。
图5带线圈，传感器和电子的IPL
如果在零重力情况下飞行比赛发生碰撞。在图6中，整个设置显示为实心盒的控制器的PC。
图6整个实验设置
2.建模与控制
本节介绍MIEMA的建模和控制器设计。
2.1建模
该模型由致动器的动态模型、IPL的静态模型、实体和传感器的放置位置、IPL和外部结构（IST）的坐标系之间的转换构成。在图7中，显示了完整的模型，从图中我们可以看出，执行器向IPL（由其质量m建模）提供力，其产生控制加速度（动作），并将反电动势项引入执行器。然后将执行器加速度转换为IPL坐标系当中的数据。干扰加速度来自IST，它通过耦合器传递到IPL。IPL的实际移动被发现为IPL和IST的加速度之间的差异（表示为下标diff），其被集成两次，以产生位置传感器测量的位移。对于两个传感器系统，插入变换以显示传感器位置处的系统运动。
图7完整的系统模型
IPL、致动器和加速度传感器之间的变换是描述加速度的旋转和预测的非奇异矩阵。然而，与位置传感器相关的转换是非线性的，并且已经被实现为七阶递归算法。
2.2控制
该系统的控制具有两个完全明确的目的：为了衰减0.1Hz以上频率的干扰并且跟踪低于0.1Hz的干扰，以便使低频率的位移最小化。该控制方案具有三个级联控制器，如图8所示。
图8系统的整体控制方案
内环由一个模拟实现的滞后控制器组成，减少了执行器中反电动势和其他干扰的影响，并增加了从外环看到的执行器带宽的几率。
中间循环是加速循环，它是主要控制回路，必须对此回路衰减干扰，同时它仍然能够跟踪来自最外圈的引用。控制器通过变换技术设计方法进行解码，并显示低通滤波器特性，其中第三级极点位于100Hz附近。通过设计，很多焦点已经消除了共振，因为控制器实际上放大了某些频率的干扰，这是我们非常不希望看到的。
外环是通过状态空间设计与减少秩观察者创建的位置环来实现的，这种设计使得控制器能够将虚轴上的两个极点移动到左半平面，从而创建一个具有约0.1Hz断裂频率的低通滤波器。
3.第一次试验结果
节将介绍2003年夏季学生抛物线飞行运动中获得的结果。其重点将放在实施位置控制器的性能和控制器对微重力环境的影响。 然而，与上述基线设计相比，当时的配置没有完全实现。差异在于：
bull;由于当时未解决的硬件问题，只使用了灵敏度较低的加速度计
bull;由于后一点，没有执行主动加速控制
在数据分析阶段，发现其中一个加速度传感器已经不能正确使用。因此，当讨论加速度时，以下分析仅基于Z轴，因为该轴完全不受故障的影响。
3.1实施控制器的有效性
图9分别显示了在第二次飞行中的31个抛物线之一（VOL 188）中的跨国和旋转位置的典型结果。从图中可以看出，零重力加速度相在T = 4s开始，然后控制器将隔离平台放置在中心附近，这大约需要5秒钟，然后大约持续7秒钟，此过程中控制过程相对于比较简单，在当t = 16s，A300开始离开零相位时，控制再次变得困难。
图9平移（TOP）和旋转（BOT-TOM）位置抛物线
应该注意的是，位置传感器的输出在高重力加速度阶段是无效的。对于所有平移传感器，自由度为 /- 5mm，旋转 /- 6度。
在注射阶段，控制器必须对抗两种现象;首先由于正好到达-2g相，积分状态目前处于正饱和度，然后在零g相开始时，经历了轻微的正重力加速度。综合这些影响使得控制器在积分状态达到饱和状态并且大大超过目标。这种过冲会导致缓慢的振荡，而A300的经验加速慢慢下降到接近零。在这一点上，振荡几乎衰减到零。而在零g阶段的稳定和接近零的零阶段，控制器能够保持所有平移和旋转接近0。
由于A300围绕其自身的Y轴旋转（俯仰角）的事实，可以解释为什么Y旋转保持为微小正加速度，其在于它在零相位的该部分期间受到最严重的干扰，从47度的鼻尖升高到45度的鼻子下仰。然而，由于加速度传感器的故障，这种干扰不能生成比位置测量允许更详细的分析。
接近“拉出”，Z轴上的加速度在其迅速下降之前开始波动，如图9的典型图所示。这种现象也可以在位置图上看到，其中可以是看到这个位置开始波动，但是一般来说，在独立平台的自由浮动运行的范围内，直到大约t = 19s，在A300拉出时，更剧烈的波动才开始。
3.2零环境改善
当记录的加速度数据成功地与A300机械分离时，成功的位置控制的效果应该是可见的。为了测量对mu;g环境的影响，做出了两个图：图10 TOP显示了在具有位置控制的一系列对比度的零阶段期间记录的加速度的FFT，图10 BOTTOM显示了FFT 在零级相位的记录加速度数据都在一系列30个抛物线上，其中隔离振平台使用电子机械耦合到外部平台磁铁。
图10记录Z轴数据的FFT
TOP：控制抛物线底部：机械耦合
直接比较两个图形会产生很大的差异，并且它们都具有良好的的性能。应该注意的是，DC附近的高加速度水平是由于量电路中的偏差产生的，因此与分析无关。如果在1Hz到100Hz的频率范围内计算功率谱的平均值，那么图10 BOTTOM给出的水平为5.08times;10 -4 g，而图10 TOP产生的水平为1.67times;10 -4 g。这对应于处于频带内的10dB的振动水平有所降低。然而，该图与大量的噪声相关联，并且所实现的控制系统是正确方向的一个指示。固有的问题如何实现传感器的噪声实际上接近于零阶段期间A300环境的噪声水平，因此难以确定任何性能提升。因此，下一次飞行要求配置更好的加速度传感器，以便能够测量微环境中的性能增益。
3.3结果结论
总之，结果表明，设计的控制算法满足了隔振平台在零阶段接近参考位置时的要求，并保持在干扰合理的情况下，即拉出前。从所提
全文共6370字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[143543]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
