用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁—永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁—永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，系統(tǒng)中位于底部的是一組26*26的電磁陣列，考慮到運動體上永磁鐵尺寸以及系統(tǒng)工作功率，在滿足目標(biāo)精度的情況下，系統(tǒng)工作過程中，工作區(qū)域為連續(xù)的12*12電磁陣列，根據(jù)運動體的位置信號進行工作區(qū)域的切換。由于運動體是軸對稱裝置，位置檢測信號測量的水平位置信號為運動體的中心位置，通過陣列切換控制算法，保證工作區(qū)域電磁陣列中心隨著運動體軸向中心移動，使運動體水平方向受力基本為零。
【專利說明】用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合
控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明基于磁液混浮空間微重力的地面模擬技術(shù)，具體涉及一種用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]進行地面微重力模擬時，要求地面設(shè)施在較大的實驗空間內(nèi)(米級量級)能夠提供足夠大的沿著物體重力反方向的力。目前實現(xiàn)的方式有自由落體法、吊絲發(fā)、氣浮法、中性浮力法、液磁混浮法等等。其中，液磁混浮法是剛發(fā)展起來的一種新方法，它利用液體的浮力克服物體的大部分重力，剩余非常小部分的重力通過電磁力微調(diào)克服，以達到精確配平的目的。這里，電磁系統(tǒng)的目的是提供剩余重力的精確配平，因此要求整個實驗空間內(nèi)(一般在米級)電磁力方向沿著豎直方向，而且大小恒定(滿足剩余重力的配平的要求)。本發(fā)明采用的是陣列式電磁線圈產(chǎn)生空間均勻電磁力場的方法來精確配平剩余重力，實現(xiàn)空間微重力地面模擬。
[0003]但是在這種分布式磁場的實際應(yīng)用需要通過控制系統(tǒng)對磁場進行控制，以實現(xiàn)電磁力的精確控制。針對磁懸浮系統(tǒng)，有許多學(xué)者提出了相應(yīng)的控制策略。比如，針對磁懸浮列車系統(tǒng)，文獻 Han-Wook Cho, Hyung-Seok Han, Je-Sung Bang, Ho-Kyung Sung, andByung-Hyun Kim.Characteristic analysis of electrodynamic suspension device withpermanent magnet Halbach array.Journal of Applied Physics, 2009, 105,07A314.中設(shè)計了一套適合中低速磁懸浮列車自身特點的牽引控制系統(tǒng)；針對磁懸浮球系統(tǒng)，有學(xué)者采用Fuzzy-PID復(fù)合控制模型對磁懸浮球系統(tǒng)進行控制，得到了理想的控制效果，見文獻 Lopes RibeiroA.Axial and transverse forces in an axisymmetric suspensionusing permanent magnets[J].Phys B Condens Matter, 2006, 384(1/2):256-258 ；針對混合懸浮系統(tǒng)，有學(xué)者提出了混合懸浮系統(tǒng)的神經(jīng)元PID(proportion integrationdifferentiation)控制策略,并用實驗證明該控制策略能實現(xiàn)平穩(wěn)起浮,見文獻王莉，熊劍，張昆侖等，永磁和電磁構(gòu)成的混合式懸浮系統(tǒng)研究，鐵道學(xué)報，2005年03期:50-54.。同時，由于磁懸浮系統(tǒng)自身具有耦合性等特點，而解耦理論、協(xié)調(diào)控制可以改善自動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高系統(tǒng)的可靠性及控制質(zhì)量，見文獻張穎，陳彗星，吳志添等，電磁-永磁混合磁懸浮列車的磁鐵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，機車電傳動，2008年05期:30-32.，馬娟，陳建軍，徐亞蘭，崔明濤，模糊隨機結(jié)構(gòu)有限元及可靠性分析的雙因子法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2009, 36(1):69-73.。因此，可以考慮在磁懸浮系統(tǒng)的控制策略中加入解耦理論和協(xié)調(diào)控制的思想。針對大間隙使用條件下的電磁懸浮裝置，有學(xué)者采用采用Smith預(yù)估補償、模糊PID、專家系統(tǒng)、模型參考自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的控制方法進行控制，實現(xiàn)了米級氣隙間距下電磁懸浮系統(tǒng)的定點懸浮控制，見文獻明正峰，王浩等，陣列式磁懸浮用電磁鐵的定點懸浮模糊控制技術(shù)，電工技術(shù)學(xué)報，第26卷第12期，2011.12。
[0004]以上磁場控制方法雖然在給定條件下可實現(xiàn)電磁永磁混合懸浮系統(tǒng)的控制，而且也考慮了相應(yīng)的耦合性，但對分布式電磁系統(tǒng)的時延和時變性都沒能進行深入研究，且對用于陣列式空間微重力模擬的實時精確配平的電磁懸浮系統(tǒng)控制方法沒有深入研究。為了實現(xiàn)運動體在特定實驗空間內(nèi)任意一點的微重力效應(yīng)模擬，需要“均勻力場”產(chǎn)生的的電磁力隨實驗運動體的位置和高度變化保持在可控制的變化范圍內(nèi)，且隨著位置和高度的變化實時產(chǎn)生控制信號，保持實驗運動體始終處于微重力狀態(tài)下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，針對大范圍內(nèi)分布式電磁系統(tǒng)的磁場控制問題，提出了一種復(fù)合控制方法，可產(chǎn)生空間均勻電磁力場的方法來精確配平剩余重力，實現(xiàn)空間微重力地面模擬。
[0007]技術(shù)方案
[0008]一種用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，其特征在于:運動體的底部設(shè)有永磁鐵并置于水箱之中，水箱下方設(shè)有陣列式電磁鐵，控制步驟如下:
[0009]步驟1、對運動體進行粗配平:將浮塊加載于運動體上，使得運動體所受水的浮力和自身重力差小于ION ；
[0010]步驟2、對運動體進行精配平:在水平方向X方向和y方向每隔0.05m作為標(biāo)定一點，豎直方向即z方向每隔5_作為標(biāo)定點；所述標(biāo)定過程為:將經(jīng)過粗配平的運動體置于標(biāo)定點上，在標(biāo)定點垂直下方電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁力，得到運動體處于平衡狀態(tài)時的電流值I ;
[0011]步驟3:當(dāng)運動體懸浮在水中任意位置時，位置測量系統(tǒng)測得運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)，控制系統(tǒng)根據(jù)運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)所處于的標(biāo)定點坐標(biāo)，對與該坐標(biāo)相對應(yīng)的電磁鐵施加電流值，使得運動體處于平衡狀態(tài)；所述電流值為步驟2標(biāo)定時運動體處于平衡狀態(tài)時的電流值I。
[0012]有益效果
[0013]本發(fā)明提出的一種用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法,系統(tǒng)中位于底部的是一組26*26的電磁陣列，考慮到運動體上永磁鐵尺寸以及系統(tǒng)工作功率，在滿足目標(biāo)精度的情況下，系統(tǒng)工作過程中，工作區(qū)域為連續(xù)的12*12電磁陣列，根據(jù)運動體的位置信號進行工作區(qū)域的切換。由于運動體是軸對稱裝置，位置檢測信號測量的水平位置信號為運動體的中心位置，通過陣列切換控制算法，保證工作區(qū)域電磁陣列中心隨著運動體軸向中心移動，使運動體水平方向受力基本為零。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1:陣列式電磁永磁懸浮系統(tǒng)模型不意圖
[0015]I表示陣列式電磁鐵；2表示帶有永磁體的運動體；3表示水箱；F浮代表帶有永磁體的運動體所受水的浮力，單位為牛頓，用N表示；F阻代表帶有永磁體的運動體在運動過程中所受水的阻力，單位為牛頓；F磁代表永磁體在磁場中所受電磁力，單位為牛頓；mg代表帶有永磁體的運動體重量，單位為牛頓；
[0016]圖2:實施例系統(tǒng)硬件框圖；
[0017]圖3:實施例控制效果圖；
[0018]圖4:定點懸浮時軸向加速度變化量隨時間的變化
【具體實施方式】
[0019]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0020]本發(fā)明實施例采用分布式電磁陣列，由多個相同電磁線圈按照一定的方式進行緊密排列形成的，本實施例采用的是26X26的電磁陣列線圈。
[0021]基于這樣的分布式排列思想，整個系統(tǒng)中單個線圈產(chǎn)生的磁場之間將相互影響，因此分布式電磁陣列產(chǎn)生的電磁場是一種多極稱合磁場，而多極稱合磁場由于其強非線性、強耦合性、大時延特性等，致使目前的控制方法不能完全適用，因此如何控制就成為必須解決的問題。本發(fā)明的目的就是通過結(jié)合多種控制原理，制定特殊的控制策略，實現(xiàn)大范圍空間分布式電磁系統(tǒng)產(chǎn)生均勻力場的控制。
[0022]實驗系統(tǒng)中位于底部的是一組26*26的電磁陣列，考慮到運動體上永磁鐵尺寸以及系統(tǒng)工作功率，在滿足目標(biāo)精度的情況下，系統(tǒng)工作過程中，工作區(qū)域為連續(xù)的12*12電磁陣列，根據(jù)運動體的位置信號進行工作區(qū)域的切換。由于運動體是軸對稱裝置，位置檢測信號測量的水平位置信號為運動體的中心位置，通過陣列切換控制算法，保證工作區(qū)域電磁陣列中心隨著運動體軸向中心移動，使運動體水平方向受力基本為零。用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)模型示意圖如圖1所示。
[0023]空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)由六部分組成:運動體(永磁鐵)、位置測量系統(tǒng)、控制計算機(工控機)、開關(guān)控制柜、電源、26*26陣列式電磁鐵。各部分作用和功能如下:運動體:懸浮物體在電磁力、重力、浮力等的作用下，穩(wěn)定在設(shè)定的三維坐標(biāo)位置；位置測量系統(tǒng):用于測量懸浮物體的位置，給出懸浮物體的三維坐標(biāo)位置(X，1，z)；控制計算機:接收懸浮物體的水平位置信號，確定陣列式電磁鐵的工作區(qū)域，根據(jù)懸浮物體的軸向位置信號，通過相應(yīng)的控制算法計算出電源的控制信號的大??；開關(guān)控制柜:根據(jù)電磁線圈工作區(qū)域切換的控制信號，控制相應(yīng)接觸器開關(guān)的通斷，使磁場工作區(qū)域跟蹤懸浮物體的運動。電源:根據(jù)控制器運算的控制信號大小，輸出對應(yīng)的電流。電磁鐵:電源輸出的電流輸入電磁鐵，電磁鐵在電流的作用下產(chǎn)生磁場，該磁場與懸浮物體中的永磁鐵相互作用，產(chǎn)生電磁力，補償運動體所受浮力與重力力差?？臻g微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)控制框如圖2所示。
[0024]本實施例用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法步驟如下:
[0025]步驟1:根據(jù)運動體的質(zhì)量和粗配平精度對運動體粗配平。將浮塊加載于運動體上，使得運動體所受水的浮力和自身重力差小于ION ;粗配平后運動體所受水的浮力和自身重力差為2N。即F浮-mg = 2N。m為物體質(zhì)量，單位為千克，g為重力加速度。
[0026]步驟2:根據(jù)電磁力精度分析確定空間微重力地面模擬的標(biāo)定區(qū)間以及需要標(biāo)定的點，即確定標(biāo)定精度。水平方向X方向和Y方向每隔0.05m標(biāo)定一點,豎直方向即z方向每隔5mm標(biāo)定一個點。水平區(qū)間為1.3m*1.3m,豎直區(qū)間為0.5m。[0027]所述標(biāo)定過程為:將經(jīng)過粗配平的運動體置于標(biāo)定點上，在標(biāo)定點垂直下方電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁力，得到運動體處于平衡狀態(tài)時的電流值I ;
[0028]步驟3:當(dāng)運動體懸浮在水中任意位置時，位置測量系統(tǒng)測得運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)，控制系統(tǒng)根據(jù)運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)所處于的標(biāo)定點坐標(biāo)，對與該坐標(biāo)相對應(yīng)的電磁鐵施加電流值，使得運動體處于平衡狀態(tài)；所述電流值為步驟2標(biāo)定時運動體處于平衡狀態(tài)時的電流值I。
[0029]步驟3的過程為:
[0030]步驟a:采用位置測量系統(tǒng)測得運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)。將坐標(biāo)信號通過232通信方式發(fā)送到控制計算機。
[0031]步驟b:控制計算機接受三維位置信號，根據(jù)水平位置信號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應(yīng)運動體幾何中心的12*12的工作單元組，發(fā)出開關(guān)控制信號。與此同時，控制計算機根據(jù)豎直位置信號z信號通過相應(yīng)控制算法確定電壓控制信號。
[0032]步驟c:開關(guān)控制柜接受工控機發(fā)出的開關(guān)控制信號，控制相應(yīng)繼電器開關(guān)動作；與此同時，電源接受工控機發(fā)出的電壓控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流給電磁陣列工作單元組。
[0033]步驟d:根據(jù)開關(guān)控制柜的切換開關(guān)信號，相應(yīng)的12*12電磁陣列工作單元組處于接通狀態(tài)，接受電源提供的電流，產(chǎn)生電磁力。
[0034]步驟e:電磁力作用于運動體，改變運動體的三維位置，重復(fù)步驟4至步驟8，直到運動體在所標(biāo)定的點實現(xiàn)穩(wěn)定定點懸浮。
[0035]空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法其特征在于步驟b的根據(jù)水平位置信號確定工作單元組的運動體水平控制方法設(shè)計如下:
[0036]水平運動的控制方法的設(shè)計是根據(jù)陣列式電磁一永磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計特點，在特定實驗空間內(nèi)，當(dāng)懸浮永磁體在某一高度從相對于底部12*12工作單元組的中心位置開始水平運動，移動距離不超過30mm時，保持底部12*12工作單元組的工作狀態(tài)不變，因為在此移動過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I %。當(dāng)水平移動距離繼續(xù)增加時，則開始切換底部12*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動方向移動50_(即一個電磁鐵單元的長度)。由于底部陣列電磁鐵對懸浮永磁體采取的是吸力作用，因此這樣的控制方法正好完成了對懸浮永磁體作用力的保持，實驗了懸浮永磁體所受“均勻力場”電磁力的控制。
[0037]下面給出電磁陣列工作單元組切換的具體方法:計算出26*26的電磁陣列中每個12*12的工作單元組中心對應(yīng)的實驗空間水平位置坐標(biāo)范圍，根據(jù)位置檢測系統(tǒng)傳輸給控制計算機的水平位置信號，計算出控制繼電開關(guān)通斷的I/O控制信號，通過“D/0模塊”控制繼電開關(guān)，使相應(yīng)的12*12工作單元組處于開通狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于空間微重力地面模擬的陣列式電磁一永磁系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，其特征在于:運動體的底部設(shè)有永磁鐵并置于水箱之中，水箱下方設(shè)有陣列式電磁鐵，控制步驟如下: 步驟1、對運動體進行粗配平:將浮塊加載于運動體上，使得運動體所受水的浮力和自身重力差小于ION ； 步驟2、對運動體進行精配平:在水平方向X方向和y方向每隔0.05m作為標(biāo)定一點，豎直方向即z方向每隔5mm作為標(biāo)定點；所述標(biāo)定過程為:將經(jīng)過粗配平的運動體置于標(biāo)定點上，在標(biāo)定點垂直下方電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁力，得到運動體處于平衡狀態(tài)時的電流值I ; 步驟3:當(dāng)運動體懸浮在水中任意位置時，位置測量系統(tǒng)測得運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)，控制系統(tǒng)根據(jù)運動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)所處于的標(biāo)定點坐標(biāo)，對與該坐標(biāo)相對應(yīng)的電磁鐵施加電流值，使得運動體處于平衡狀態(tài)；所述電流值為步驟2標(biāo)定時運動體處于平衡狀態(tài)時的電流值I。
【文檔編號】H02N15/00GK103956939SQ201410182759
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】袁建平, 汶濤, 明正峰, 韓鵬帥, 朱戰(zhàn)霞, 方群, 羅建軍 申請人:西北工業(yè)大學(xué), 西安電子科技大學(xué)