侯 鵬，楊國云，宋 濤，陳 立

（1.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

0 引言

懸掛法是實現(xiàn)空間機構(gòu)、運動部件地面展開試驗常用的重力補償方法，根據(jù)懸掛式展開試驗裝置是否有源，可分為被動和主動兩種[1]。被動懸掛法結(jié)構(gòu)形式簡單，但受導(dǎo)軌摩擦阻力、隨動件慣性等因素影響，補償誤差大，展開試驗的有效性相對較差[2-4]。主動懸掛法的重力補償精度較高，并可以實現(xiàn)單個吊點的多自由度運動，避免試件的多次翻轉(zhuǎn)，但其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難點多，研制難度大[5-6]。

本文依據(jù)單吊點主動懸掛法的原理，設(shè)計研制主動懸掛式展開試驗裝置，并開展試驗驗證。

1 試驗裝置組成及工作原理

1.1 試驗裝置組成

主動懸掛式展開試驗裝置組成如圖1所示，包 括支撐結(jié)構(gòu)、x/y方向電機、z方向力矩電機、角度檢測機構(gòu)、拉力傳感器等。角度檢測機構(gòu)檢測吊繩的傾斜角度，并控制x/y方向電機實現(xiàn)二維的主動位置跟隨，保證吊繩豎直；拉力傳感器檢測吊繩上的張力并反饋給力矩電機，進行精確的重力補償。當試件展開時，該裝置可通過力矩電機在xOy平面上跟隨試件運動，并補償試件的重量。

圖1 主動懸掛式展開試驗裝置組成 Fig.1 The composition of active suspended deployable test system

1.2 工作原理

該懸掛裝置可以簡化為一個懸點運動變化、變擺長的三自由度擺動運動系統(tǒng)。如圖2所示，滑塊質(zhì)量為m，初始狀態(tài)速度為vs，水平加速度為a，吊繩傾角為θ，懸掛物體運動速度為vp[7]。

圖2 懸掛裝置工作原理 Fig.2 Working principle of the suspending device

根據(jù)達朗貝爾原理對懸掛物體進行受力分析，可得

式中：T為吊繩的張力；Fa為慣性力；G為重力。

建立i和j方向的力學(xué)分析圖，可得動力學(xué)基本方程組：

以時間為變量，得到xk時刻的運動學(xué)方程組：

2 試驗裝置設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3為主動懸掛式展開試驗裝置設(shè)計方案示意圖，由恒張力機構(gòu)、二維主動跟隨機構(gòu)、二維角度測量機構(gòu)等組成。在天線展開過程中，試驗裝置吊點過天線理論質(zhì)心，恒張力機構(gòu)保證吊繩懸掛力的大小與天線所受重力相等，二維主動跟隨機構(gòu)和角度測量機構(gòu)保證吊繩懸掛力的方向與重力相反，從而實現(xiàn)重力補償。

圖3 主動懸掛式展開試驗裝置設(shè)計方案 Fig.3 The design scheme of the active suspended deployable system

2.1.1 二維主動跟隨機構(gòu)

圖4為二維主動跟隨機構(gòu)，它確保吊繩不傾斜，使懸掛力始終與重力方向相反。當某時刻天線運動使吊繩產(chǎn)生一個傾角θ，傾角檢測機構(gòu)檢測到這一傾角后，立即啟動跟隨電機通過傳動帶驅(qū)動滑車向天線運動方向靠攏，實現(xiàn)滑車平面內(nèi)的位置跟隨。

圖4 二維主動跟隨機構(gòu) Fig.4 2-DOF active following mechanism

2.1.2 二維角度測量機構(gòu)

圖5為二維角度測量機構(gòu)。吊繩先后穿過2 個正交的擋片，分別測量x,y方向的傾角θx,θy，并將傾角轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋到控制器，驅(qū)動跟隨電機運動。每個擋片由2 塊夾板組成，與碼盤轉(zhuǎn)軸相連，4 倍頻后每個擋片的傾角分辨率約為0.04°，碼盤的線數(shù)為2048 線。由于吊繩為柔性體，在運動過程中容易發(fā)生晃動，所以需要設(shè)定傾角測量的死區(qū)值，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 二維角度測量機構(gòu) Fig.5 2-DOF angle measuring mechanism

2.1.3 恒張力機構(gòu)

如圖6所示，拉力傳感器連接在吊繩上以檢測吊繩張力。吊繩一端與天線的質(zhì)心連接，另一端與力矩電機連接。通過力矩電機收卷輪的收放，來控制吊繩的張力和吊點豎直方向的運動。因此，需要對力矩電機的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速進行控制。

圖6 恒張力調(diào)節(jié)機構(gòu) Fig.6 Constant tension adjusting mechanism

在天線的展開過程中，引起吊繩張力波動的因素有吊點的上下運動、吊繩的傾斜、吊繩的彈性變形以及天線運動過程中的慣性力等。其中吊點的上下運動是主要因素。

根據(jù)計算，由于收卷輪半徑為50 mm，當天線運動部分質(zhì)量為30 kg 時，恒張力機構(gòu)在勻速運動狀態(tài)下力矩電機的額定輸出扭矩為15 N·m。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 PID 控制器

主動懸掛式展開試驗裝置需要控制3 個方向的電機運動。x,y方向的交流伺服電機控制吊繩運動方向的擺角，實現(xiàn)x,y方向的位置跟隨；z方向的力矩電機控制吊繩豎直向的張力，實現(xiàn)吊繩恒張力輸出。

二維角度測量機構(gòu)測得天線展開過程中吊繩的傾角，并反饋給控制器；控制器采用增量式PID控制算法，實現(xiàn)x,y方向伺服電機的位置環(huán)精確控制。二維角度控制策略如圖7所示。

對于z方向的張力控制，需要考慮兩方面因素：首先為張力的非線性干擾，其次為機械傳動裝置中各種機械摩擦等不確定影響。傳統(tǒng)的PID 控制策略對于線性系統(tǒng)能夠達到較好的控制效果，但對具有強非線性的系統(tǒng)很難達到精確控制。因此需要設(shè)計一種具有快速響應(yīng)的非線性控制策略。

目前廣泛應(yīng)用的非線性控制方法有自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制等。本設(shè)計采用模糊PID 控制方法，并結(jié)合伺服環(huán)級聯(lián)，將拉力傳感器采集的信號作為最外環(huán)輸入給位置環(huán)，通過位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制實現(xiàn)天線展開過程中張力的恒定。恒張力控制策略如圖8所示。

圖7 二維角度控制策略 Fig.7 2-DOF angle control strategy

圖8 恒張力控制策略 Fig.8 Constant tension control strategy

2.2.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成原理如圖9所示。上位機采用工控機，負責完成試驗參數(shù)設(shè)定、過程控制和顯示；下位機采用IMAC400 運動控制器，閉環(huán)控制3 個方向伺服電機的運動。在天線展開過程中，一方面，通過二維角度測量機構(gòu)的光電編碼器采集x,y方向吊繩的角度變化，以控制x,y方向伺服電機運動，保證吊繩始終處于鉛垂狀態(tài)；另一方面，通過拉力傳感器實時測量吊繩張力的變化，以控制z方向力矩電機，保證吊繩上的張力恒定。

圖9 控制系統(tǒng)硬件原理 Fig.9 The hardware principle of the control system

控制系統(tǒng)軟件控制流程如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)軟件控制流程 Fig.10 The software flow chart of the control system

首先系統(tǒng)初始化，3 個方向的伺服電機復(fù)位。其次，設(shè)定x,y方向的角度偏差值，以及z方向的張力偏差值。再次，x,y方向編碼器檢測吊繩角度信號，判斷其是否超出設(shè)定的角度偏差值，若超過，則x,y方向伺服電機啟動，使角度縮?。慌c此同時，拉力傳感器檢測吊繩張力信號，判斷其是否超過設(shè)定的張力偏差值，若超過，則z方向力矩電機向下或向上運動，以保持吊繩張力恒定。最后，當天線展開到位后，控制系統(tǒng)軟件流程結(jié)束。

3 試驗驗證

為驗證試驗裝置及控制系統(tǒng)的有效性，需開展地面試驗驗證，其試驗裝置及控制系統(tǒng)實物如 圖11所示，主要驗證該試驗裝置x,y方向運動學(xué)控制性能和z方向張力控制性能。

圖11 主動式展開試驗裝置實物圖 Fig.11 The active suspended deployment system

在拉力傳感器下吊掛一個重5 kg 的重物，控制該重物以0.1、0.3、0.5 m/s 的速度沿x,y,z三個方向運動，采集在整個運動過程中的x,y方向編碼器的角度值。試驗結(jié)果表明：1）吊掛重物做勻速運動，x,y方向編碼器角度變化非常小，最大僅約1.15°（參見圖12）；2）吊掛重物做加速運動時，x,y方向編碼器角度變化隨加速度增大而 增大。

在拉力傳感器下分別吊掛重5、10、15、20 kg的重物，使其沿z方向上下運動，采集z方向吊繩張力變化情況，試驗結(jié)果如圖13所示：1）在整個運動過程中，拉力傳感器所測得的力有一定波動，但波動較??；2）隨著吊掛質(zhì)量的增加，吊繩張力波動增大。分析原因為：一方面，由于張力控制采用伺服環(huán)級聯(lián)的控制方式，張力檢測值經(jīng)模糊PID控制后送給位置環(huán)控制，這個過程中存在誤差；另一方面，張力值受吊繩的運動角度偏差的影響，導(dǎo)致張力值的小幅波動。

圖12 電機勻速運動時x,y 方向角度變化 Fig.12 The angle changes in x and y directions at a constant speed

圖13 電機勻速運動時z 方向張力變化 Fig.13 The tension change in z direction at a constant speed

4 結(jié)束語

本文設(shè)計研制了一種主動懸掛式展開試驗裝置，并開展了裝置性能的試驗驗證，結(jié)果表明：該裝置實現(xiàn)了吊點的位置主動跟隨和重力主動補償，能夠滿足天線等有源活動部件的地面展開試驗的使用要求。

后續(xù)將開展誤差源影響因素分析與評價，優(yōu)化控制系統(tǒng)軟硬件，提高控制精度，并提升人機界面 交互水平，使其能夠?qū)崟r顯示活動部件展開過程中的位移、速度、加速度和張力曲線等。

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