CN102390525A

CN102390525A - 大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置

Info

Publication number: CN102390525A
Application number: CN2011103195525A
Authority: CN
Inventors: 顾蕴松; 陈智铭; 李斌斌
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-03-28

Abstract

本发明公开一种大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置，包括小扰动片、旋转摆振机构、微型直流电动机、轴编码器、步进电机和驱动器、动态压差传感器、天平测力元件与闭环反馈系统；旋转摆振机构将微型直流电动机的旋转运动转换成小扰动片的旋转摆振运动；轴编码器实时确定小扰动片的摆振频率值，并以脉冲信号输出；步进电机和驱动器控制微型直流电动机的转速；动态压差传感器检测实时侧向力的动态信息；闭环反馈系统根据动态压差传感器的数据控制微型直流电动机；天平测力元件用于测量侧向力。此装置可根据实际需要对其扰动控制频率、位置、占空比等参数进行调控，以小的能量消耗实现对大攻角非对称涡的控制。

Description

大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置

技术领域

本发明属于航空航天飞行器控制领域，特别涉及一种频率、位置和占空比可控的非定常小扰动闭环主动流动控制器件，用以实现对飞行器大攻角飞行时前体非对称背涡/侧向力的主动控制。

背景技术

现代战斗机为了获得良好的高机动性和敏捷性，其飞行攻角往往达到大攻角范围，有时甚至超过最大升力攻角。当攻角超过一定值时，即使在无侧滑角情况下，在机身前体的背风区会形成非常复杂的左右非对称背涡系，诱导产生一个很大的侧向力，同时伴有偏航和滚转力矩，而且侧向力大小和方向变化的规律捉摸不定。大攻角下处在背风区内的常规气动舵面效率很低，已经不能提供必要的横侧向控制气动力和力矩，在这种情况下飞行器的运动和飞行控制变得十分困难，往往间接导致飞行事故。机身前体背风区的非对称背涡系还会引发复杂的运动现象，如锥形运动、机翼摇摆，这是非对称背涡系现象不利的一面。

多年来世界各国空气动力学专家一直在研究大攻角前体非对称涡系及其侧向力控制这一航空航天领域中的重要而复杂的课题，大量的实验和数值模拟研究使人们逐渐认识到大攻角时飞行器前机身背风区的非对称涡系是产生侧向力的直接原因，侧向力的方向和大小由这些强度和位置都不对称的涡决定，控制了这些涡，就能控制飞行器的运动。目前，在大攻角非对称涡系和侧力控制方面也研究了各种控制技术，主要有：前体吸气、吹气、可旋转的非对称外形头锥、头部边条等。

头部边条虽可在一定程度上抑制侧向力的幅值，但会引起额外的废阻力和结构增重问题。可旋转头部尽管能够有效确定并改变侧向力的方向，但无法控制消除侧向力。采用头部吹、吸气控制技术可以改变侧向力的方向和在一定范围内改变侧向力的大小，但不能完全消除侧向力。吹、吸气系统需要附加的气源、管路和控制阀门，还会引起额外的增重和能量消耗以及系统可靠性等一系列问题。高昂的代价和收益的比值显得非常不合理。

那么，如何以小的能量输入将大小和方向随机变化的侧向力加以精确控制，变“害”为“利”，便成为本案所要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置，其可根据实际需要对其扰动控制频率、位置、占空比等参数进行调控，以小的能量消耗实现对大攻角非对称涡的控制。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置，包括小扰动片、旋转摆振机构、微型直流电动机、轴编码器、步进电机和驱动器、动态压差传感器、天平测力元件与闭环反馈系统；

小扰动片设于旋转摆振机构的输出轴上，而旋转摆振机构连接微型直流电动机的输出轴，将微型直流电动机的旋转运动转换成小扰动片的旋转摆振运动；

轴编码器贴合旋转摆振机构设置，通过实时监测旋转摆振机构的转动频率确定小扰动片的摆振频率值，并以脉冲信号形式输出；

步进电机和驱动器的输出端连接微型直流电动机，通过输出电压控制微型直流电动机的转速；

动态压差传感器设于飞行器头部，实时检测侧向力的动态信息，作为侧向力控制信号的输出源；

闭环反馈系统实时获取动态压差传感器的压差信号，并对侧向力预定阈值进行辨识，控制微型直流电动机进行实时开启，将微型直流电动机的旋转运动转换成小扰动片的旋转摆振运动；

天平测力元件安装于飞行器内部，用于实现精确测量模型的整体侧向力。

上述闭环反馈系统包括依次连接的A/D转换系统、单片机微控制系统和继电器，其中，A/D转换系统的输入端连接动态压差传感器，将输入信号进行A/D转换后送入单片机微控制系统；单片机微控制系统中预设有阈值，并将输入信号与阈值进行比较，根据比较结构控制继电器动作；继电器则在单片机微控制系统的指令下控制旋转摆振机构的开启。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

（1）与传统的大攻角非对称涡控制器件相比，该扰动控制器件可根据实际需要对扰动控制频率、位置、占空比等参数进行调控；

（2）能够以小的能量消耗，实现对大迎角非对称涡的控制；

（3）由单片机构成的微控制系统实时获取A/D转换系统采集的压差传感器信号，对侧向力预定“阈值”进行辨识，通过控制继电器对旋摆扰动机构进行实时开启和改变激励器周向角度位置，从而实现自主控制消除和比例控制侧向力的目的。

附图说明

图1是本发明的整体架构图；

图2是本发明中闭环反馈系统的工作原理图。

图中具体标号为：

1小扰动片，2旋转摆振输出轴，3微型直流电动机，4轴编码器，

5步进电机和驱动器，6动态压差传感器，7天平测力元件

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置，包括小扰动片1、旋转摆振机构2、微型直流电动机3、轴编码器4、步进电机和驱动器5、动态压差传感器6、天平测力元件7与闭环反馈系统，下面分别介绍。

小扰动片1设于旋转摆振机构2的输出轴上，并可绕飞行器体轴旋转摆动或固定在任一周向角度位置，可有效改变其在飞行器头部的扰动占空比，实现对侧向力幅值的连续比例可控；而旋转摆振机构2连接微型直流电动机3的输出轴，用于将微型直流电动机3的旋转运动转换成小扰动片1的旋转摆振运动。

轴编码器4贴合旋转摆振机构2设置，用于实时检测小扰动片1的摆振频率值，并以脉冲信号形式输出。

步进电机和驱动器5的输出端连接微型直流电动机3，通过输出电压控制微型直流电动机3的转速，从而改变小扰动片1的摆振频率。

动态压差传感器6设于飞行器头部，用于实时检测侧向力的动态数据。

闭环反馈系统由A/D转换系统、单片机微控制系统和继电器依次连接而成。其中，A/D转换系统的输入端连接前述动态压差传感器6，将输入信号进行A/D转换后送入单片机微控制系统；由单片机构成的微控制系统实时获取A/D转换系统采集的动态压差传感器6的侧向力信号，将侧向力信号进行A/D转换后送入单片机微控制系统以对侧向力预定阈值进行辨识，继电器在单片机微控制系统的指令下控制旋转摆振机构2实时开启和改变小扰动片1的周向角位置，从而实现自主控制消除侧向力的目的。所述闭环反馈系统的工作原理可参考图2。

天平测力元件7设于飞行器内部，用于实现精确测量模型的整体侧向力。

综上所述，本发明采用步进电机和驱动器5带动微型直流电动机3进行旋转转动，通过旋转摆动机构2将微型直流电动机3的旋转运动转化成固定在其输出轴上小扰动片1的旋转摆振运动，测量轴编码器4中的脉冲输出信号，可测得小扰动片1的运动摆振频率。通过调节步进电机和驱动器5的输出电压，可控制微型直流电动机3的转动速度，从而改变小扰动片1的摆振频率和幅值。由单片机构成的微控制系统实时获取A/D转换系统采集的动态压差传感器6的侧向力信号，对侧向力预定阈值进行辨识，通过单片机微控制系统控制继电器对旋转摆振机构2进行实时开启和改变小扰动片1的周向角度位置，从而实现自主控制消除和比例控制侧向力的目的。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置，其特征在于：包括小扰动片、旋转摆振机构、微型直流电动机、轴编码器、步进电机和驱动器、动态压差传感器、天平测力元件与闭环反馈系统；

2.如权利要求1所述的大攻角非对称涡/侧向力闭环主动控制装置，其特征在于：所述闭环反馈系统包括依次连接的A/D转换系统、单片机微控制系统和继电器，其中，A/D转换系统的输入端连接动态压差传感器，将输入信号进行A/D转换后送入单片机微控制系统；单片机微控制系统中预设有阈值，并将输入信号与阈值进行比较，根据比较结果控制继电器动作；继电器则在单片机微控制系统的指令下控制旋转摆振机构的开启。