一种基于悬挂摆的单自由度无拖曳控制仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于悬挂摆的无拖曳半物理仿真系统，包括环形筒状真空环境模拟子系统、隔振台、悬挂摆子系统、悬挂及隔振子系统、静电梳推力子系统、测控子系统；该悬挂及隔振子系统通过钨丝两端配对安装的钨丝绕线环和夹具锁头将钨丝和悬挂摆子系统的摆杆紧固连接，从而提高无拖曳半物理仿真系统的灵敏度和精度；所述测控子系统用于监测悬挂摆子系统状态变化并输入该控制器中，控制器用于计算并输出静电梳推力子系统所需的静电力信号；本发明专利技术按照动力学及主要物理量等效原则设计一种单自由度无拖曳控制半物理仿真方法。该方法模拟各项载荷在无拖曳控制回路中的性能并且验证在地面上控制回路可以达到的无拖曳控制性能指标。指标。指标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于悬挂摆的单自由度无拖曳控制仿真系统


[0001]本专利技术属航天控制
，尤其涉及一种基于悬挂摆的单自由度无拖曳控制仿真系统。

技术介绍

[0002]无拖曳卫星及其控制技术在很多空间科学及工程任务中具有重要的应用，特别是在近年来，随着我国空间科学的发展，科学家们提出了我国的空间引力波探测和重力场测量计划。无拖曳卫星在这些任务中占有重要地位，无拖曳控制研究对推动我国空间科学的发展具有重要的意义。
[0003]卫星无拖曳控制敏感轴方向的残余加速度控制要求极高，由于地面重力环境的约束，难以直接在地面以整星的方式进行模拟实验。因此，有必要在地面搭建无拖曳半物理仿真系统，模拟各项载荷在无拖曳控制回路中的性能，以及验证在地面上可以达到的无拖曳控制性能指标。
[0004]在地面搭建无拖曳半物理仿真系统的难点之一在于：受地面环境影响，仿真系统模拟太空中微重力环境时，需克服地球引力及降低地面环境噪声的影响；
[0005]在地面搭建无拖曳半物理仿真系统的难点之二在于：仿真系统其模拟控制的对象是“地面上看似静止的物体”——悬挂摆杆，考虑的主要是地面上中低频段噪声产生的微小干扰。因此仿真系统的实验非常精细，难以监测并稳定控制“地面上看似静止的物体”的状态变化。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决现有技术存在的问题，提出一种基于悬挂摆的单自由度无拖曳控制仿真系统，目的在于克服地面重力环境的影响，模拟无拖曳卫星建立高精度高灵敏度的地面仿真控制回路，尽可能的模拟真实太空环境下仿真系统的无拖曳控制实验。
[0007]本专利技术为解决其技术问题采用以下技术方案
[0008]一种基于悬挂摆的无拖曳半物理仿真系统，包括布设于地面上的环形筒状真空环境模拟子系统、水平布设在所述环形筒状真空环境模拟子系统内弦上的隔振台、水平布设在该隔振台上方的悬挂摆子系统、竖直布设于真空环境模拟子系统和悬挂摆子系统之间的悬挂及隔振子系统、对称布设于悬挂摆子系统两侧的位移传感子系统和静电梳推力子系统、布设于所述环形筒状真空环境模拟子系统外面的测控子系统；
[0009]该悬挂摆子系统用于模拟卫星本体、为无拖曳半物理仿真系统的被控对象；该环形筒状真空环境模拟子系统用于为上述其他子系统提供真空环境、以及用于将地面环境的噪声扰动传递给该仿真系统的被控对象；该悬挂及隔振子系统用于产生对悬挂摆子系统的拉力以及用于减弱地面环境传递的噪声扰动，该拉力抵消了悬挂摆子系统受到的重力；该位移传感子系统用于测量悬挂摆子系统的位移；该静电梳推力子系统用于模拟卫星上的推力器、通过其给悬挂摆子系统输出静电力，使得悬挂摆子系统的角位移和角加速度达到甚
至低于指标要求，趋近于静止状态；
[0010]其特点是：该悬挂及隔振子系统设有垂直布设的钨丝5，该悬挂摆子系统设有和该钨丝5配套的摆杆1和配重块2；钨丝5两端均设有配对安装的钨丝绕线环8和夹具锁头7，通过钨丝5两端配对安装的钨丝绕线环8和夹具锁头7将钨丝5和摆杆1紧固连接，从而提高无拖曳半物理仿真系统的灵敏度和精度；所述测控子系统包括位移传感器的测量模块以及控制器10，该测量模块用于监测悬挂摆子系统状态变化并输入该控制器10中，控制器10用于计算并输出静电梳推力子系统所需的静电力信号；所述钨丝5的上端通过配对安装的丝绕线环8和夹具锁头7紧固连接旋转位移调节台4、并通过所述旋转位移调节台4与环形筒状真空环境模拟子系统固接；钨丝5的下端通过配对安装的钨丝绕线环8和夹具锁头7紧固连接摆杆1。
[0011]进一步地，该悬挂摆子系统的配重块2用于平衡摆杆1，摆杆1与配重块2被悬挂于隔振台上，二者与隔振台之间均不不接触；该配重块2中心孔穿过摆杆1，在摆杆1两端对称的位置通过螺丝固定；摆杆1长度方向中心的上表面设有与夹具锁头7相匹配的螺纹孔；摆杆1长度方向中心的下表面设有矩形的凹槽，该凹槽内的2个螺纹孔和钨丝绕线环8两端贯穿的2个螺纹孔直径相同；摆杆1长度方向的两侧设有多个螺纹孔，该螺纹孔用于安装摆杆1两侧的静电梳推力子系统的静电梳6；所述摆杆1与配重2的材料包括但不限于殷钢。
[0012]进一步地，所述悬挂及隔振子系统的钨丝绕线环8为中间细两端粗的形状，中间细的地方为横放且悬空的圆柱体8
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1，圆柱体8
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1中心设有上下贯通的圆孔8
‑1‑
1；两端粗的地方各为一个螺钉紧固台8
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2，该螺钉紧固台8
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2上各设有1个上下贯通的内螺纹孔8
‑2‑
1；钨丝5的下端从圆柱体中心的圆孔8
‑1‑
1引出以后在圆柱面上缠绕几圈后再缠绕于螺钉的顶部，螺钉穿过所述螺钉紧固台8
‑
2的内螺纹孔8
‑2‑
1，与摆杆1中心下表面凹槽内的螺纹孔相匹配；螺钉在拧紧时压紧钨丝5，使得钨丝5的下端沿着垂直方向固定在钨丝5下端的摆杆1上；所述钨丝5可承载重量不小于12Kg的一个完整的无拖曳仿真系统；
[0013]进一步地，钨丝5两端均连接夹具锁头7与钨丝绕线环8，夹具锁头7与钨丝绕线环8在钨丝5的两端配对布设，钨丝绕线环8靠外侧，夹具锁头7靠内侧，钨丝绕线环8会嵌入并固定在摆杆1和旋转位移调节台4中心的凹槽中，夹具锁头7的下部设有与摆杆1和旋转位移调节台4中心的螺纹孔相匹配的外螺纹。
[0014]进一步地，所述夹具锁头7包括螺帽7
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1和内芯7
‑
2两部分，所述夹具锁头7包括螺帽7
‑
1和内芯7
‑
2两部分，所述螺帽7
‑
1上部为圆台壳、螺帽7
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1的下部设有内螺纹；内芯7
‑
2部分的中心处为上下贯通的通道，该通道分为五个部分，从下往上依次为圆台形、圆柱形、锥形、竖条细孔、从竖条细孔顶端至夹具锁头7的上表面为贯穿的“一字型”缝隙；该内芯7
‑
2部分上部为圆台和圆柱的组合，该圆台的中心处对应通道的“一字型”缝隙；该圆柱的中心处对应所述竖条细孔；该内芯7
‑
2部分的中部和底部的圆柱体直径加大并设有外螺纹，该外螺纹和所述螺帽7
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1下部的内螺纹相匹配；内芯7
‑
2底部的外螺纹用于和摆杆1中心上表面内螺纹孔相匹配；钨丝5的上端由下至上从钨丝绕线环8中心处引出，再由下至上从夹具锁头7贯穿通道的五个部分穿出，当螺帽7
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1向下旋紧时，螺帽7
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1的圆台壳压迫到内芯7
‑
2上部的圆台上，从而将内芯7
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2上部圆台的“一字型”缝隙压紧，从而将钨丝夹紧。
[0015]进一步地，所述对称布设于悬挂摆子系统两侧的位移传感子系统和摆杆1非接触布设，位移传感子系统和摆杆1的距离小于位移传感子系统的量程范围；所述位移传感子系
统的量程为0
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500μm，位移测量的静态分辨率0.375nm，动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于悬挂摆的无拖曳半物理仿真系统，包括布设于地面上的环形筒状真空环境模拟子系统、水平布设在所述环形筒状真空环境模拟子系统内弦上的隔振台、水平布设在该隔振台上方的悬挂摆子系统、竖直布设于真空环境模拟子系统和悬挂摆子系统之间的悬挂及隔振子系统、对称布设于悬挂摆子系统两侧的位移传感子系统和静电梳推力子系统、布设于所述环形筒状真空环境模拟子系统外面的测控子系统；该悬挂摆子系统用于模拟卫星本体、为无拖曳半物理仿真系统的被控对象；该环形筒状真空环境模拟子系统用于为上述其他子系统提供真空环境、以及用于将地面环境的噪声扰动传递给该仿真系统的被控对象；该悬挂及隔振子系统用于产生对悬挂摆子系统的拉力以及用于减弱地面环境传递的噪声扰动，该拉力抵消了悬挂摆子系统受到的重力；该位移传感子系统用于测量悬挂摆子系统的位移；该静电梳推力子系统用于模拟卫星上的推力器、通过其给悬挂摆子系统输出静电力，使得悬挂摆子系统的角位移和角加速度达到甚至低于指标要求，趋近于静止状态；其特征在于：该悬挂及隔振子系统设有垂直布设的钨丝(5)，该悬挂摆子系统设有和该钨丝(5)配套的摆杆(1)和配重块(2)；钨丝(5)两端均设有配对安装的钨丝绕线环(8)和夹具锁头(7)，通过钨丝(5)两端配对安装的钨丝绕线环(8)和夹具锁头(7)将钨丝(5)和摆杆(1)紧固连接，从而提高无拖曳半物理仿真系统的灵敏度和精度；所述测控子系统包括位移传感器的测量模块以及控制器(10)，该测量模块用于监测悬挂摆子系统状态变化并输入该控制器(10)中，控制器(10)用于计算并输出静电梳推力子系统所需的静电力信号；所述钨丝(5)的上端通过配对安装的丝绕线环(8)和夹具锁头(7)紧固连接旋转位移调节台(4)、并通过所述旋转位移调节台(4)与环形筒状真空环境模拟子系统固接；钨丝(5)的下端通过配对安装的钨丝绕线环(8)和夹具锁头(7)紧固连接摆杆(1)。2.根据权利要求1所述一种基于悬挂摆的无拖曳半物理仿真系统，其特征在于：该悬挂摆子系统的配重块(2)用于平衡摆杆(1)，摆杆(1)与配重块(2)被悬挂于隔振台上，二者与隔振台之间均不不接触；该配重块(2)中心孔穿过摆杆(1)，在摆杆(1)两端对称的位置通过螺丝固定；摆杆(1)长度方向中心的上表面设有与夹具锁头(7)相匹配的螺纹孔；摆杆(1)长度方向中心的下表面设有矩形的凹槽，该凹槽内的2个螺纹孔和钨丝绕线环(8)两端贯穿的2个螺纹孔直径相同；摆杆(1)长度方向的两侧设有多个螺纹孔，该螺纹孔用于安装摆杆(1)两侧的静电梳推力子系统的静电梳(6)；所述摆杆(1)与配重(2)的材料包括但不限于殷钢。3.根据权利要求1所述一种基于悬挂摆的无拖曳半物理仿真系统，其特征在于：所述悬挂及隔振子系统的钨丝绕线环(8)为中间细两端粗的形状，中间细的地方为横放且悬空的圆柱体(8
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1)，圆柱体(8
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1)中心设有上下贯通的圆孔(8
‑1‑
1)；两端粗的地方各为一个螺钉紧固台(8
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2)，该螺钉紧固台(8
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2)上各设有1个上下贯通的内螺纹孔(8
‑2‑
1)；钨丝(5)的下端从圆柱体中心的圆孔(8
‑1‑
1)引出以后在圆柱面上缠绕几圈后再缠绕于螺钉的顶部，螺钉穿过所述螺钉紧固台(8
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2)的内螺纹孔(8
‑2‑
1)，与摆杆(1)中心下表面凹槽内的螺纹孔相匹配；螺钉在拧紧时压紧钨丝(5)，使得钨丝(5)的下端沿着垂直方向固定在钨丝(5)下端的摆杆(1)上；所述钨丝(5)可承载重量不小于12Kg的一个完整的无拖曳仿真系统。4.根据权利要求1所述一种基于悬挂摆的无拖曳半物理仿真系统，其特征在于：钨丝(5)两端均连接夹具锁头(7)与钨丝绕线环(8)，夹具锁头(7)与钨丝绕线环(8)在钨丝(5)的两端配对布设，钨丝绕线环(8)靠外侧，夹具锁头(7)靠内侧，钨丝绕线环(8)会嵌入并固定
在摆杆(1)和旋转位移调节台(4)中心的凹槽中，夹具锁头(7)的下部设有与摆杆(1)和旋转位移调节台(4)中心的螺纹孔相匹配的外螺纹。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明伟，章楚，贺建武，杨超，段俐，康琦，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：