[发明专利]用于空间微重力地面模拟的阵列式电磁—永磁系统的复合控制方法

说明书

技术领域

本发明基于磁液混浮空间微重力的地面模拟技术，具体涉及一种用于空间微重力地面模拟的阵列式电磁—永磁系统的复合控制方法。

背景技术

进行地面微重力模拟时，要求地面设施在较大的实验空间内(米级量级)能够提供足够大的沿着物体重力反方向的力。目前实现的方式有自由落体法、吊丝发、气浮法、中性浮力法、液磁混浮法等等。其中，液磁混浮法是刚发展起来的一种新方法，它利用液体的浮力克服物体的大部分重力，剩余非常小部分的重力通过电磁力微调克服，以达到精确配平的目的。这里，电磁系统的目的是提供剩余重力的精确配平，因此要求整个实验空间内(一般在米级)电磁力方向沿着竖直方向，而且大小恒定(满足剩余重力的配平的要求)。本发明采用的是阵列式电磁线圈产生空间均匀电磁力场的方法来精确配平剩余重力，实现空间微重力地面模拟。

但是在这种分布式磁场的实际应用需要通过控制系统对磁场进行控制，以实现电磁力的精确控制。针对磁悬浮系统，有许多学者提出了相应的控制策略。比如，针对磁悬浮列车系统，文献Han-Wook Cho,Hyung-Seok Han,Je-Sung Bang,Ho-Kyung Sung,and Byung-Hyun Kim.Characteristic analysis of electrodynamic suspension device with permanent magnet Halbach array.Journal of Applied Physics,2009,105,07A314.中设计了一套适合中低速磁悬浮列车自身特点的牵引控制系统；针对磁悬浮球系统，有学者采用Fuzzy-PID复合控制模型对磁悬浮球系统进行控制，得到了理想的控制效果，见文献Lopes RibeiroA.Axial and transverse forces in an axisymmetric suspension using permanent magnets[J].Phys B Condens Matter,2006,384(1/2):256-258；针对混合悬浮系统，有学者提出了混合悬浮系统的神经元PID(proportion integration differentiation)控制策略，并用实验证明该控制策略能实现平稳起浮，见文献王莉,熊剑,张昆仑等,永磁和电磁构成的混合式悬浮系统研究,铁道学报,2005年03期:50-54.。同时，由于磁悬浮系统自身具有耦合性等特点，而解耦理论、协调控制可以改善自动系统的调节品质，提高系统的可靠性及控制质量，见文献张颖，陈彗星，吴志添等，电磁-永磁混合磁悬浮列车的磁铁结构优化设计，机车电传动，2008年05期：30-32.，马娟,陈建军,徐亚兰,崔明涛,模糊随机结构有限元及可靠性分析的双因子法[J].西安电子科技大学学报,2009,36(1):69-73.。因此，可以考虑在磁悬浮系统的控制策略中加入解耦理论和协调控制的思想。针对大间隙使用条件下的电磁悬浮装置，有学者采用采用Smith预估补偿、模糊PID、专家系统、模型参考自适应控制、滑模变结构控制相结合的控制方法进行控制，实现了米级气隙间距下电磁悬浮系统的定点悬浮控制，见文献明正峰，王浩等，阵列式磁悬浮用电磁铁的定点悬浮模糊控制技术，电工技术学报，第26卷第12期，2011.12。

以上磁场控制方法虽然在给定条件下可实现电磁永磁混合悬浮系统的控制，而且也考虑了相应的耦合性，但对分布式电磁系统的时延和时变性都没能进行深入研究，且对用于阵列式空间微重力模拟的实时精确配平的电磁悬浮系统控制方法没有深入研究。为了实现运动体在特定实验空间内任意一点的微重力效应模拟，需要“均匀力场”产生的的电磁力随实验运动体的位置和高度变化保持在可控制的变化范围内，且随着位置和高度的变化实时产生控制信号，保持实验运动体始终处于微重力状态下。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于空间微重力地面模拟的阵列式电磁—永磁系统的复合控制方法，针对大范围内分布式电磁系统的磁场控制问题，提出了一种复合控制方法，可产生空间均匀电磁力场的方法来精确配平剩余重力，实现空间微重力地面模拟。

技术方案

一种用于空间微重力地面模拟的阵列式电磁—永磁系统的复合控制方法，其特征在于：运动体的底部设有永磁铁并置于水箱之中，水箱下方设有阵列式电磁铁，控制步骤如下：

步骤1、对运动体进行粗配平：将浮块加载于运动体上，使得运动体所受水的浮力和自身重力差小于10N；