CN102012308A - 模型俯仰/摇滚运动下速度/压力联合同步测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种对俯仰-摇滚两自由度动态模拟运动控制过程中,对模型运动轨迹、物面压力和空间速度场联合同步测量的实验方法。通过工控机同时驱动俯仰运动机构和模型支杆,分别带动模型使其按预先设定的轨迹进行俯仰和摇滚运动,当运动到需要采集数据的位置,工控机发出指令给多点压力测量设备和PIV设备,同步采集模型实际运动位置、物面压力和空间速度场。实验结果可知,在PID闭环反馈控制下的两自由度耦合模拟运动精度较高,根据分区的方法发射同步测量外触发信号可以减小同步测量的误差,该联合同步实验技术为深入分析大攻角非定常流动机理提供了有效的研究手段。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域的一种风洞实验方法,特别是涉及在模型动态俯仰/两自由度运动过程中,模型运动量和多种流动量的联合测量方法。
背景技术
现代战斗机通常要求做大攻角机动飞行以提高其作战效能,这种机动飞行动作通常是由飞行快速俯仰和滚转来实现的,同时飞行在大攻角俯仰运动时也会产生不可控的非线性飞行运动,如绕体轴极限环振荡的机翼摇滚现象。因而,在风洞中研究战机做俯仰横向滚转或振荡耦合运动时的气动特性和流场特性具有重要的工程应用意义。
在大攻角条件下,受旋涡分离流、涡破裂、涡干扰等流动现象影响,流动特性十分复杂,给实验研究带来了很大困难,通常需要多种测量手段联合使用方能较全面的了解其流动结构和对气动特性的影响机理。大攻角下需测量的基本流动量包括物面压力和空间速度场,空间速度场是了解空间流动结构和涡量分布的基础,而物面压力是连接空间流场和模型气动特性的桥梁。在模型静止的静态实验中,由于流动的定常性,多种实验手段可以单独分开使用而不会影响实验结果。但是在模型横向滚转振荡运动的动态实验中,流动具有很强的非定常性,分开做的各个实验之间相关性变差,给数据分析带来不便和不确定性。因而在大攻角动态实验中,多种实验手段的联合同步测量变得十分必要。美国Notre Dame大学Nelson教授的研究团队为了研究机翼摇滚现象,开发了一套同步测量系统。该系统利用PID调节方法驱动电机强迫摇滚模型模拟自由摇滚时间历程,同时进行模型表面压力测量或进行空间流场显示。该装置给该研究团队的研究带来了很大进展,他们系统的研究了80°大后掠三角翼机翼摇滚过程中流动的特性及演化规律,总结出滚转力矩与滚转角的非线性特性、摇滚中滚转阻尼的丧失和气动迟滞特性是形成摇滚的原因。但实验技术方面动态测压和空间流动显示并没有同时进行,所得数据对应起来有很大困难,同时因动态测压和空间流动显示实验要分两次进行,实验实验效率也不高。同时,由于他们开展研究时技术条件的限制,没有采用PIV技术测量空间速度场(PIV技术在上世纪90年代初还不是成熟的流动测量技术)。英国Bath大学机械工程系实现了模型自由摇滚振荡情况下采用PIV进行流场拍摄,但没有透露模型运动与PIV如何同步的细节,也没有涉及物面压力测量。最近,北京航空航天大学发展了单自由度摇滚振荡情况下的PIV/压力同步测控技术。本发明在此基础上进一步发展了俯仰/摇滚振荡两自由度运动下,流场和物面压力的同步测控技术,两自由度下相比单自由度下的测控技术存在 运动的耦合问题,在流动测量上也存在新的难点,这也是本发明要解决的问题。
首先应该说明一下,如何理解俯仰/摇滚耦合运动及其实现的方法。这里的俯仰/摇滚耦合运动,是指强迫俯仰/强迫摇滚耦合运动,这种耦合运动技术可以模拟给定规律的俯仰/摇滚运动,为进行现代飞行器在俯仰加摇滚振荡运动中的流动现象研究打下基础。这种耦合运动一般通过分别使用电机驱动俯仰运动和摇滚运动实现,驱动这种运动的电机一般采用性能较好的饲服电机并配有高精度的编码器记录运动时间历程和实现反馈控制。
另外需要说明一下,空间流场测量和物面压力测量技术。空间流场测量采用PIV技术,PIV是粒子图像速度测量技术的缩写,借助于PIV可以精确的得到流体运动的速度场,是分析流体在空间内流动特性的重要实验手段。实验室内的压力测量采用在模型上开测压孔再通过压力扫描阀实现测量。
目前国内外尚未见到,在模型动态滚转/俯仰两自由度运动下,联合同步测量模型的运动、物面压力测量和空间速度场的先例。
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[3]摇滚/PIV/压力同步测控技术的发展及其在机翼摇滚研究中的应用,空气动力学学报,Vol.40,No.,2010,pp.291-320.
发明内容
本发明的目的是给出在俯仰/摇滚两自由度运动下,空间流场/物面压力联合同步测量实验方法及相应装置,本发明综合利用了俯仰/摇滚两自由度运动系统、压力扫描阀和PIV空间流场测量系统,实现在同一瞬时同步获得模型俯仰/摇滚运动学量、模型表面压力以及空间流场速度场信息,并提出了高精度同步测量运动/流场的分区测量方法。
本发明是一种在模型进行俯仰/摇滚动态两自由度运动过程中,对模型运动轨迹、物面压力和空间速度场联合同步测量的实验方法,实验系统设备包括工控机、电机驱动的俯仰运动机构、电机驱动的强迫摇滚支杆、多点压力测量设备和粒子图像测速仪(PIV)。其特征在于:通过工控机控制两台饲服电机按给定的规律分别驱动俯仰运动机构和强迫摇滚支杆进行俯仰运动和强迫摇滚运动,实现实验模型的俯仰/摇滚双自由度耦合运动,工控机控制系统按指定频率采集运动规律并进行闭环PID控制,当运动到需要进行同步运动/流动测量的位置时,工 控机发出指令给多点压力测量设备和PIV,实现模型实际运动位置、物面压力和空间速度场的同步采集。
本发明的模型运动是按给定规律的双自由度俯仰和摇滚耦合运动,在需要采集的位置有两个角度,即:攻角和滚转角。在进行同步测量时,通过程序判断是否达到预定同步测量位置选择是否发射同步测量信号,称为锁位测量方法。由于实际模拟运动规律不可能与待模拟的运动规律完全一致,俯仰运动的规律与摇滚运动的规律也不一样,所以锁位攻角或者锁位滚转角进行同步测量的误差并不相同。在滚转角速度比攻角速度大的地方使用锁攻角的方法可能导致滚转角误差较大;而在滚转角速度比攻角速度小的地方使用锁滚转角的方法可能导致攻角误差较大。本发明提出根据攻角速度和滚转角速度的相对大小进行分区,在攻角运动速度较大的地方使用锁攻角同步测量,而在滚转运动速度较大的地方使用锁滚转角同步测量,称之为分区同步测量的方法。
本发明的工控机采用硬件方式进行测控定时(采用定时计数器,如8254芯片等),两电机的运动、压力和速度场测量由工控机统一控制,工控机保证发给各个设备的控制指令的同步性。
本发明驱动模型进行俯仰和摇滚的电机为伺服电机,通过位于工控机内的电机控制卡和位于工控机外的电机驱动器进行控制。电机驱动俯仰运动机构按给定的规律(例如0-80deg攻角范围30deg/s匀速运动)模拟俯仰运动,电机驱动摇滚支杆按给定的规律(例如幅值45度的1hz正弦运动)模拟摇滚运动;工控机以一定频率从与电机相连的编码器读取模型的运动规律,并进行闭环的PID控制,使模拟运动的精度更高。
本发明模型表面多点压力测量采用在模型表面打测压孔的方式进行,测压孔通过导压管与多点压力扫描阀相连,压力扫描阀采用微型扫描阀,放在模型内或离模型不远的支杆上,多点压力扫描阀可以是电子压力扫描法、智能压力扫描阀等。压力扫描阀从接受信号到实际测量的间隔较小,一般认为是瞬时测量。
本发明的空间速度场测量采用PIV方法,PIV设备包括脉冲激光器,至少一台照相机,激光器和相机的同步卡,图像采集卡,采集软件。PIV测量采用蔬菜油作为示踪粒子,包括橄榄油,玉米油,豆油,葵花仔油等。选用对风洞设备没有污染的示踪材料很重要。本发明是一种联合同步测量实验方法,其工控机通过多点压力测量和PIV设备的外触发口实现对两台采集设备的控制。在工控机发出采集指令之前,需要先将压力采集设备的采集软件和PIV采集软件启动,并处于外触发等待状态。由于PIV设备从接受外触发到实际采集有一确定的时间延迟,因而触发脉冲要在PIV采集之前发射,应事先标定出每个需要采集的模型位置所对应的发射外触发指令的模型位置,发射外触发指令的模型位置位于需要采集的模型位置之 前,两者之间的时间延迟等于PIV时间延迟。
本发明在实施测量时,首先将压力扫描阀采集软硬件和PIV采集软硬件启动处于工作状态,将两者的采集方式都设为外触发方式,然后启动采集使其处于等待状态,等待工控机的采集指令。
附图说明
图1俯仰/摇滚耦合运动实验机构及系统控制图;其中图1(a)俯仰/摇滚耦合运动实验机构,图1(b)俯仰/摇滚运动系统控制框图。
图2俯仰/摇滚耦合运动模拟结果及误差;其中图2(a)俯仰/摇滚耦合运动模拟结果,图2(b)俯仰/摇滚耦合运动模拟误差。
图3运动/流动同步测量系统示意图;
图4运动/流动同步测量工作时序图;
图5同步测量误差示意图;
图6分区同步测量方法;其中图6(a)同步测量点,图6(b)各测量点攻角和滚转角速度
图7分区同步测量误差;其中图7(a)分区同步测量攻角误差,图7(b)分区同步测量滚转角误差。
具体实施方式
本发明是对俯仰/摇滚两自由度运动中的模型进行运动时间历程和表面压力及PIV进行同步测量。图1所示为可实现给定规律俯仰-摇滚运动的机构例子及其系统控制图,从图中可以看出,俯仰和摇滚运动分别由两个饲服电机驱动,使用PID闭环控制方法控制电机进行模拟运动,两种模拟运动使用同一计时器,通过调节合适的PID参数可以使模拟运动达到较高的精度,如图2所示。
对于模型动态物面测压采用扫描阀测压系统,模型表面多点压力测量采用在模型表面打测压孔的方式进行,测压孔通过导压管与多点压力扫描阀相连,压力扫描阀采用微型扫描阀,放在模型内或离模型不远的支杆上,多点压力扫描阀可以是电子压力扫描法、智能压力扫描阀等,采用外触发工作方式,压力扫描阀从接受信号到实际测量的时间间隔可忽略。
本例中的PIV系统外用外触发工作方式,从接受外触发信号到实际测量的工作延时设定为20mms。
本发明的整个同步测量系统示意图如图3所示,根据待模拟的曲线,计算所要拍摄角度相位20ms之前的角度(包括攻角和滚转角)相位,在模型运动过程中以512hz频率采集运动时间历程并判断是否到达该角度相位;当到达时发射测压信号外触发PIV系统,20ms之后外触发测压系统,模型运动至该角度相位,PIV与动态测压系统同一瞬时工作;同步采集到模型的实际运动位置和压力及速度场信息,实现运动与流动的同步测量。图4显示了这一同步 测量的工作时序。
本发明针对俯仰/摇滚的两自由运动,所以同步测量的误差有两种,即:同步测量攻角误差和滚转角误差,如图5所示。在进行锁位发射同步测量信号时,有锁攻角或锁滚转角两种锁位同步信号发射方法。在这两种方法的选择上,本发明提出了根据待测位置攻角速度和滚转角速度的相对大小进行选择,对于给定的模拟曲线不同的测量位置,若攻角速度大于滚转角速度,则选择锁攻角测量,反之则选择锁滚转角进行同步测量。根据这一原则可以对待测点进行分区,在攻角速度较大的区域选择锁攻角同步测量,反之选择锁滚转角同步测量,这一分区测量的方法如图6所示,在其中的第1、5、10测量点采用锁攻角同步测量方法,其余测量点采用锁滚转角方法。根据这一方法进行同步测量的误差结果如7所示。
Claims (8)
1.一种在模型进行俯仰/摇滚振荡两自由度动态运动过程中,对模型运动轨迹、物面压力和空间速度场联合同步测量的实验方法,包括工控机、俯仰运动机构、电机驱动的模型支杆、多点压力测量设备和粒子图像测速仪(PIV),其特征在于:通过工控机同时驱动俯仰运动机构和模型支杆,二者分别带动模型使其按预先设定的规律运动,当运动到需要采集数据的位置,工控机发出指令给多点压力测量设备和PIV系统,同步采集模型实际运动位置、物面压力和空间速度场。
2.根据权利要求1所述方法,其特征为:驱动俯仰和摇滚运动的电机为伺服电机或步进电机,通过位于工控机内的电机控制卡和位于工控机外的电机驱动器进行控制。电机驱动俯仰运动机构和模型支杆,按预先设定的运动规律,做俯仰-摇滚两个自由度的模拟运动。工控机通过PID反馈控制算法分别控制模型的俯仰和摇滚运动,通过伺服电机上的编码器实现模型实际运动位置的采集及控制量反馈。
3.根据权利要求1所述方法,其特征为:对于某需要测量的位置,需要事先计算该测量点的攻角和滚转角速度,若该点的攻角速度较大,则PIV和压力系统的外触发测量信号均按攻角的位置信息进行攻角锁位的同步测量方法。反之则用滚转角锁相的同步测量误差。这种选择锁相方式的方法称为分区方法。
4.根据权利要求1所述方法,其特征为:模型表面多点压力测量采用在模型表面打测压孔的方式进行,测压孔通过导压管与多点压力扫描阀相连,压力扫描阀采用微型扫描阀,放在模型内或离模型不远的支杆上,多点压力扫描阀可以是电子压力扫描法、智能压力扫描阀等。
5.根据权利要求1所述方法,其特征为:空间速度场测量采用PIV方法,PIV设备包括脉冲激光器,至少一台照相机,激光器和相机的同步卡,图像采集卡,采集软件。PIV测量采用蔬菜油作为示踪粒子,包括橄榄油,玉米油,豆油,葵花仔油等。
6.根据权利要求1及权利要求2、3、4所述方法,其特征为:工控机通过多点压力测量和PIV设备的外触发口实现对两台采集设备的控制。在工控机发出采集指令之前,需要先将压力采集设备的采集软件和PIV采集软件启动,并处于外触发等待状态。
7.根据权利要求1及权利要求2、3、4、5所述方法,其特征为:由于PIV设备从接受外触发到实际采集有一确定的时间延迟,因而触发脉冲要在PIV采集之前发射,应事先标定出每个需要采集的模型位置所对应的发射外触发指令的模型位置,发射外触发指令的模型位置位于需要采集的模型位置之前,两者之间的时间延迟等于PIV时间延迟。实际工作时,首先采集电机编码器反馈的模型位置信息,根据该位置信息来确定是否到达发射外触发指令的模型位置,如果到了,则发射PIV采集指令。
8.根据权利要求1及权利要求2、3、4、5、6、7所述方法,其特征为:当实施测量时,首先将压力扫描阀采集软硬件和PIV采集软硬件启动处于工作状态,将两者的采集方式都设为外触发方式,然后启动采集使其处于等待状态,等待工控机的采集指令;然后,工控机发出控制指令启动电机驱动支杆及模型运动,在需要采集的位置,发出采集指令给扫描阀和PIV系统,实施数据采集,同时通过编码器记录模型实际位置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Ma Baofeng Document name: Notification that Application Deemed to be Withdrawn |
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PB01 | Publication | ||
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C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120111 Termination date: 20140519 |