[发明专利]一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法

权利要求书

1.一种六自由度空间微重力模拟装置的控制方法，其特征在于，所述六自由度空间微重力模拟装置中二维气浮平台(3)由四个水平气足(2)支撑，四个水平气足(2)以正方形配置刚性安装在二维气浮平台(3)上，四个风扇推进器(17)以正方形配置固定在二维气浮平台(3)的下部；

二维气浮平台(3)的左侧上垂直固定有气缸(4)，气缸活塞(5)的顶部固定有气缸拉压力传感器(7)，二维气浮平台(3)的右侧垂直固定有滚珠丝杠(6)，滚珠丝杠(6)外侧的丝杠螺母(1)与滚柱丝杠拉压力传感器(14)连接，气缸拉压力传感器(7)和滚柱丝杠拉压力传感器(14)固定在连接平面(8)的底部，连接平面(8)上的中心固定哑铃式三轴气浮转台(9)，哑铃式三轴气浮转台(9)上固定有被模拟对象(10)，二维气浮平台(3)上气缸(4)和滚珠丝杠(6)之间设置有控制模块(13)，控制模块(13)通过控制信号线(12)与气缸(4)和滚珠丝杠(6)连接，控制模块(13)通过传感器信号线(11)与气缸拉压力传感器(7)和滚柱丝杠拉压力传感器(14)连接；

气缸(4)采用具有活塞的低摩擦气缸，六自由度空间微重力模拟装置还包括气压传感器(18)、活塞位移传感器(19)、电源(20)、无线传输模块(21)、台上工控机(22)、比例电磁阀(23)、充气管道(24)、气瓶(25)和电源线(26)，当台下监控计算机给出控制指令时，台上无线传输模块(21)通过指令信号线将控制指令传输给台上工控机(22)，台上工控机(22)利用活塞位移传感器(19)和位于充气管道(24)与气缸接口处的气压传感器(18)，通过控制板卡输出控制指令电压信号给比例电磁阀(23)；

比例电磁阀(23)采用5/3通气比例电磁阀，比例电磁阀(23)的输出端连接气缸的两个气腔，输入端通过充气管道(24)连接气瓶(25)，放气端通往外部与大气压等压；

所述六自由度空间微重力模拟装置的控制方法具体步骤为：

步骤一：使气缸拉压力传感器和滚珠丝杠拉压力传感器的测量值等于被模拟对象、三轴气浮转台和连接平面的重力值；

步骤二：对于低摩擦气缸的推力输出使用恒值估计，设置其输出推力恒为试验目标的重力估计值；

步骤三：滚珠丝杠的推力控制采用基于RBF神经网络的终端滑模变结构控制：

对被控对象电机滚珠丝杠进行建模，可以得到被控对象的抽象数学模型为：

式中x、分别为试验目标的位移、运动速度、运动加速度，为系统精确建模部分，u为控制输入，d为扰动和未建模部分；

控制模块输出用于精确控制电机的电流环输出I，即直接控制电机的力矩输出，从而精确控制滚珠丝杠输出的推力F，电机的动态方程如下：

其中，u_a为电机的电源电压，i_a为电枢电流，E_a为线圈中产生的感应电动势，w为电机转速，T_em为电机的电磁转矩，T_d为电磁转矩的不确定性扰动，R_a为电枢绕组，J为电机的转动惯量，L_a、k_e、k_t、B为电机模型的相关系数；

基于电机滚珠丝杠运动学和力学方程，根据被模拟对象位移、速度、加速度与滚珠丝杠所提供推力及电机输出力矩间的数学关系，得到滚珠丝杠输出推力F与电机电流环输出I的抽象数学模型为：

其中，I为电机电流环输出，分别为电流环电流输出的二阶导和一阶导，F为滚珠丝杠输出的推力，为与I、有关的数学关系，D(I,t)为不确定性干扰；

将上述数学模型改写为状态方程形式：

其中，x₁、x₂为被控系统的两个状态变量，是两状态变量的一阶导，g(x)是与x₁、x₂有关的数学关系，F为滚珠丝杠输出推力，D(x,t)作为扰动和未建模部分；

使用非奇异终端滑模变结构控制算法，设计滑模面为：

式中x₁为实际值与设定值的偏差，x₂为偏差的导数，β＞0，p、q(p＞q)为正奇数；

神经网络的输入为控制器输出和被控对象输出，根据网络权值的自适应律得到实际网络权值，RBF选择高斯基函数，网络的输出为D(x,t)逼近值，与设定值、偏差值、偏差的导数一起计算得到控制器输出；

步骤四：系统的控制误差由气缸和滚珠丝杠两部分并联组成，相互耦合，采用交叉耦合方法对并联系统进行调节；系统总误差e经过比例配置器，按照一定比例分配给气缸进行响应调节，同时为气缸的设定值设置响应阈值；气缸无法补偿部分由滚珠丝杠进行最后补偿。