一种小型微振动测量及控制系统

本发明涉及一种小型微振动测量及控制系统，其包括：底座、负载盘、折叠梁、压电传感器、压电作动器以及数据处理和控制系统；该折叠梁包含有两个横梁，每个横梁上下表面各粘贴一层压电片，外层压电片作为压电作动器，内层压电片作为压电传感器；该折叠梁位于负载盘和底座之间，通过螺栓压紧连接；四个折叠梁在负载盘下表面沿圆周均布，其上分布的八个压电传感器可以测量出负载扰动源的三个动态力和三个动态弯矩；每一个压电传感器测得的信号经数据处理和控制系统处理后，输出特定的控制电压到与其并置的压电作动器，从而实现对负载振动的抑制；本发明可以有效测量负载振动并抑制负载振动的传递，可靠性高。

技术领域

[0001] 本发明涉及一种小型微振动测量及控制系统，可用于对航天器部件微小扰动载荷 在六个自由度上的振动信号进行动态测量并抑制其振动的传递。

背景技术

[0002] 目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对 指向精度和稳定度均提出了很高的要求。另外，在现代航天器姿态控制系统中，反作用轮、 单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，它们在提供必要的控制 动力的同时，也会引起一些有害振动（为简单起见，下面将上述三种系统统称为扰动源）。 这些扰动主要由飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等引起的，其中飞轮不平 衡是导致飞轮振动的最主要原因，这些扰动力和扰动力矩会降低体太空中精密性仪器的性 能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性并对其振动进行控制，对于提高 航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。

[0003] 由于航天器扰动源的扰动很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生 几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰动，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中 测量并控制此类扰动十分困难，而其对应传感器\作动器的精度要求非常高。

[0004]目前，国内外尚未见有关此类微小振动测量及控制系统的文献报导。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型微振动控制系 统，在航天器部件运行过程中，抑制其振动在空间的传递，以提高航天器的姿态控制精度和 加强航天器的安全设计。

[0006] 本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小型微振动测量及控制系 统，包括：底座、负载盘、四个折叠梁、八个压电传感器、八个压电作动器、十六个螺栓、八个 通孔以及数据处理和控制系统；负载安装在负载盘的上表面；每一个压电折叠梁包含有两 个横梁、两个压电传感器和两个压电作动器；压电折叠梁位于底座上表面和负载盘下表面 之间，沿负载盘下表面圆周均布，压电折叠梁通过十六个螺栓与负载盘和底座固连；压电折 叠梁上横梁与空间Z轴垂直，相邻的两个折叠梁互相垂直；每个压电折叠梁内侧粘贴两个 压电传感器，能够测量X、Y和Z方向的力和力矩；每个压电折叠梁外侧粘有两个压电作动 器，用来接受数据处理和控制系统的输出信号并产生作动力抑制系统振动。振动源或负载 产生振动后，八个压电传感器会测得振动信号并以电压形式输入数据处理和控制系统，数 据处理和控制系统以特定增益将输入信号反相放大并输出到相应的压电作动器，最终实现 抑制负载振动的传递。

[0007] 所述的八个压电传感器、八个压电作动器为d31型压电陶瓷元件。

[0008] 所述的负载盘的形状为圆形，其上有八个沉头孔用以连接压电折叠梁，四个螺栓 通孔用以连接负载。

[0009] 所述的八个压电传感器对称分布在压电折叠梁内表面上。

[0010] 所述的八个压电作动器对称分布在压电折叠梁外表面上。

[0011] 所述的底座为正方形框架，内侧边缘上有四个弧形缺口，框架上有八个沉头孔用 来连接压电折叠梁，四个螺栓通孔用来连接固定端。

[0012] 每一个压电折叠梁中的两对压电传感器及压电作动器对位并置（即每一个压电传 感器都与一个压电作动器沿横梁上下表面对称布置)，缩短了系统响应时间，提高了控制性 能。

[0013] 该系统在不输出控制信号时可以作为传感器使用，实现振动测量；在输出控制信 号时作为控制器使用，实现振动抑制。

[0014] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0015] (1)本发明可以有效测量负载振动并抑制负载振动的传递，可靠性高；且本发明在 控制系统在不输出控制信号时可以作为传感器使用，实现微振动信号测量；在输出控制信 号时作为控制器使用，实现振动抑制。

[0016] (2)本发明中的每一个压电折叠梁中的两对压电传感器与压电作动器分别粘贴于 横梁的上下表面，在由于负载扰动导致横梁变形时，用作传感器与作动器的压电陶瓷片上 产生的电压信号的相位差保持不变，可直接使用反馈控制率实现振动控制，工程应用上较 为简单。

[0017] (3)本发明中控制装置和负载分离，不需要在负载上安装附加设备和传感器，不影 响负载的动态特性，不会损伤负载结构。

[0018] (4)本发明中每一个压电传感器都与一个压电作动器对位并置，压电传感器信号 经反相放大后直接由控制系统输出给压电作动器，简化了控制流程，缩短了系统响应时间， 提尚了控制性能。

[0019] (5)本发明振动控制装置体积小巧，安装形式灵活，可以方便的应用于多种场合， 提高了控制系统的适用性。

附图说明null实施方式

[0025] 如图1、2、3所示，本发明一种小型微振动测量及控制系统包括：四个负载盘通孔 1，紧固螺栓2,负载盘3,四个折叠梁4,压电作动器5,底座6,四个底座通孔7,压电传感器 8,横梁9以及数据处理和控制系统10;压电作动器5和压电传感器8均为d31型压电陶瓷 元件，负载盘3为圆形，如附图2所示，其上有八个沉头孔用以连接压电折叠梁4,四个压电 折叠梁4位于底座6上表面和负载盘3下表面之间，沿负载盘3的下表面圆周均布，底座6 为正方形框架，见附图3所示，其内侧边缘上有四个弧形缺口，框架上有八个沉通孔用来连 接压电折叠梁4,四个底座通孔7用来连接固定端；八个压电传感器8的输出和八个压电作 动器5的输入通过信号传输线与数据处理和控制系统10相连。

[0026] 在实施中底座6为铝框底座，负载盘3也是铝质材料，底座6和负载盘3与折叠 梁4安装处需铣出定位槽以便于安装；负载通过四个负载盘通孔1利用螺栓固定在负载盘 3上表面的中心处。四个装有压电传感器8和压电作动器5的折叠梁4均匀分布在负载盘 3下表面，且折叠梁4边缘与底座6的边缘对齐；八个压电传感器8用来测量负载的振动信 号，八个压电作动器5产生控制力矩抑制负载振动的传递。

[0027] 底座6上表面与折叠梁4连接，下面通过四个底座通孔7用螺栓与固定端(地基） 相连。整个结构要保证其刚度满足动态测试要求。

[0028] 将该微振动控制系统安装在地基上，将负载微振动源安装在负载盘3的中心上， 检查四个折叠梁4上的压电传感器8的信号是否正常，并检查压电作动器5响应，之后运行 负载，使其产生振动，从而使八个压电传感器8产生电压信号，电压信号通过数据处理和控 制系统10根据压电材料的力-电转换关系处理后可以转化为三个微小扰动力信号和三个 微小扰动力矩信号，压电材料力-电转换关系如下：

[0029]

[0030]

[0031] 其中Di为电位移，〇为应力，e为应变，电场，4是常应力下介电常数，4为 零电场下材料柔度，d是压电常数，i, j = 1，2, 3和p, q = 1，2, . . .，6表示材料坐标系下不 同的方向，本发明实施中取i = 3，p = 1。用于负载的振动控制时，数据处理和控制系统10 根据采集到的扰动力信息通过线性二次最优（LQR)(或其他控制方法)控制率输出控制电压 信号给压电作动器5,作动器5会产生相应的作动力作用于负载从而实现了对负载振动的 控制。本系统中每一个压电折叠梁4中的两对压电传感器与压电作动器分别位于横梁9的 上下表面，在由于负载扰动导致基梁变形时，用作传感器与作动器的压电陶瓷片上产生的 电压信号的相位差保持不变，可直接使用反馈控制率实现振动控制，因此缩短了系统反应 时间，提高了控制性能。此外，本发明中控制装置和被控试件分离，不需要在被控试件上安 装附加设备和传感器，不影响被测试件的动态特性，不会损伤被测试件结构，可以方便的应 用于多种场合，具有很强的适用性。

[0032] 如果该系统只用作压电传感器，由于通过数据采集处理系统得到的是压电传感器 8的电压信号，要将电压信号转换为力信号，还需要对压电传感器8进行标定，得到相应的 灵敏度系数，将其与电压信号相乘后可以得到有效载荷的力信号。

[0033] 数据处理与控制系统10由数据采集箱、计算机和功率放大器组成，数据采集箱将 压电传感器8得到的电压信号转化为数字信号，并通过数据线输入到计算机中，计算机将 数字信号进行分析和运算，可以得到微小振动力的信号，功率放大器将计算机输出信号放 大并输出到压电作动器5。

[0034]图4给出系统控制的仿真图，在负载盘上安装10kg的负载并在竖直方向施加一个 简谐扰动力，该扰动力的频率与系统一阶频率相同，由图4所示的系统一阶模态位移在控 制前后的响应看出，施加控制后系统能够明显抑制系统共振，控制效果明显。

[0035] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人 员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术 人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变 化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。