基于静压气浮无摩擦气缸的高精度重力补偿系统的研究

With the development of aerospace science and technology, the gravity compensation device takes a very critical role in simulation of zero gravity environment. This project aims to introducing the aerostatic frictionless cylinder into the gravity compensation system. Precise mathematical model for gas in piston clearance is established, which lays a theoretical foundation for the structural design, parameter optimization and pressure control; The particle swarm optimization algorithm is introduced to optimize the multi-target structural parameters design, and the validity of mathematical model, effectiveness of optimization method is verified by experiment; The mathematical model of pressure control system which is based on proportional flow valve is established, which provides a fairly accurate model for control algorithm; Pressure differential sensor is developed by using of isothermal chamber and laminar flow slit line to extract the pressure differential signal and restrain noise effectively; High precision- pressure control algorithm that is based on active-disturbance-rejection controller is proposed to achieve high-precision dynamic gravity compensation.

伴随着航天科技的发展，重力补偿系统在模拟太空的零重力环境中起到了非常关键的作用。本研究拟将静压气浮无摩擦气缸引入重力补偿系统并研制样机，针对无摩擦气缸内的活塞间隙气体流动建立精确的数学模型，为无摩擦气缸的结构设计、参数优化及压力控制奠定了理论基础；利用粒子群算法对无摩擦气缸进行多目标优化的结构参数设计，并通过实验验证无摩擦气缸模型的正确性和优化方法的有效性；对基于比例流量阀的压力控制系统建立数学模型，为控制算法提供一个大致精确的参考模型；利用等温容器及层流狭缝管路，研制压力微分传感器，有效提取压力微分信号、抑制噪声；提出基于自抗扰技术的高精度压力控制算法，实现高精度的动态重力补偿。

伴随着航天科技的发展，重力补偿系统在模拟太空的零重力环境中起到了非常关键的作用。本研究将静压气浮无摩擦气缸引入重力补偿系统并研制样机，针对无摩擦气缸内的活塞间隙气体流动建立精确的数学模型，为无摩擦气缸的结构设计、参数优化及压力控制奠定了理论基础。.为优化重力补偿器中关键部件静压气浮式无摩擦气缸的结构，提出在静压气浮式无摩擦气缸结构设计中，存在一组最优结构参数，使得对同一系统径向承载能力最大的同时保证相对较小的泄漏量；通过分析静压气浮式无摩擦气缸结构，推导其数学模型模型；改变其结构参数，得到单个参数对径向承载能力及泄漏量的关系；利用粒子群优化算法(PSO)对其结构参数进行优化，得到一组最优结构参数为：活塞与缸筒的间隙h0=0.043、节流小孔的直径d=0.72、数目n=10和节流孔位置l/L=0.25，该分析方法与结果对静压气浮式无摩擦气缸结构设计起到有效的指导作用。.气动重力补偿系统是典型的非线性系统，难以对其建立精确的数学模型，对其实现高精度的压力控制尤为困难。针对基于比例流量阀及气浮无摩擦气缸的气动重力补偿系统建立二阶数学模型，建模过程为控制算法提供一个大致精确的参考模型；利用等温容器及层流狭缝管路，研制压力微分传感器，有效的抑制噪声并提取压力微分信号；提出基于自抗扰技术的高精度压力控制算法，实现动态重力补偿。实验结果表明，自抗扰控制器对气源压力变化、负载突变具有较强的鲁棒性，稳态控制精度约为67Pa，动态(0.1Hz)跟踪误差小于1000Pa。