CN102945024A - 风洞连续变角度运动测力数据采集系统及其采集方法 - Google Patents

Abstract

风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统及其采集方法，系统包括上位机、控制卡、驱动器、伺服电机、PLC计数器和VXI数据采集系统，上位机通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号传输到伺服电机，从而实现伺服电机的控制；同时伺服电机反馈的信号回送到驱动器，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器中，PLC计数器从给定点开始计数，PLC计数器等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。本发明减少了计算带来的误差和其他错误，提高气动分析的完整性和准确性。

Description

风洞连续变角度运动测力数据采集系统及其采集方法

技术领域

本发明涉及风洞气动测试技术，具体涉及一种风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统及其采集方法。 

背景技术

风洞试验是一种快速、经济和准确的空气动力研究方法，在军机和民机的研制与改型过程中，需要在风洞中进行大量的测力试验，对提高试验效率，降低试验成本有着极为迫切地需求。以往的风洞常规测力实验是由气动人员预先制定一些实验角度，控制机控制角度机构按顺序行走到对应的位置，等待模型稳定后，采集此位置的实验数据。之后再走到下一个位置，重复上面过程直到结束实验。这种实验方式的缺点是实验点数少，不容易观察气动力突变的规律，试验效率低。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种风洞连续变角度运动测力数据采集系统及其方法。采用这种系统及其方法，利于空气动力研究人员掌握整个试验过程，能够提高气动力分析的完整性和准确性。 

本发明的目的是这样实现的： 

一种风洞连续变角度运动测力数据采集系统，包括上位机、控制卡、驱动器、伺服电机、PLC计数器和VXI数据采集系统，上位机连接控制卡，控制卡连接驱动器，驱动器连接伺服电机，伺服电机上的编码器的输出端通过继电器与PLC计数器输入端连接，PLC计数器的输出端与VXI数据采集系统连接；上位机通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号传输到伺服电机，从而实现伺服电机的控制；同时伺服电机反馈的信号回送到驱动器，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器中，PLC计数器从给定点开始计数，PLC计数器等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。 

本发明还具有如下特点： 

一种使用如上数据采集系统得出的一种风洞连续变角度运动测力数据采集方法如下： 

步骤一：在上位机上编制“角度控制程序”，该程序计算出将要控制的脉冲量， 再遵循CANOpen协议，通过CAN总线将控制命令、数据传送给控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号经由编码器线路传输到伺服电机，实现伺服电机的控制，从而完成模型角度机构的变化； 

步骤二：PLC计数器和编码器使用，编码器每圈发出一定数量的计数脉冲和一个复位脉冲，作为PLC计数器的输入，PLC计数器使用A/B相正交计数功能，PLC计数器有一组预置值，开始运行时装入第一个预置值，当前计数值等于预置值或者有外部复位信号时，产生中断，中断设计成输出，在模型角度机构变化的同时，从伺服电机的编码器中将A/B相正交信号截取，A/B相正交计数的两路计数脉冲的相位差90°，控制伺服电机正转时A相时钟脉冲比B相时钟脉冲超前90°，反转时A相时钟脉冲比B相时钟脉冲滞后90°，使正转时加计数，反转时减计数，A/B相正交计数选择1倍速模式，1倍速模式在时钟脉冲的每一个周期计1次数； 

步骤三：从PLC计数器输出端引出脉冲信号连接到VXI数据采集系统外触发接口处，VXI数据采集系统外触发实现经外来脉冲触发内部采集功能，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集数据自动存储于VXI数据采集系统，或经网络传输给其它机器以备数据处理后进行气动分析，在上位机上同时运行“角度控制程序”和“计数分频程序”，模型机构按“角度控制程序”给定的速度运行，PLC计数器分频按照“计数分频程序”从给定点开始计数，之后按等间隔发出脉冲触发VXI数据采集系统进行采集； 

步骤四：数据处理： 

在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，在进行数据处理时，首先选取试验点的前后所需数据进行平均，作为当前点的试验数据更加合理，之后进行数字滤波、平滑滤波，这样形成最终的数据结果，备气动进行分析。 

本发明风洞连续变角度运动测量技术及其试验方法，是在试验要求测量的角度范围内，模型姿态角以一定的速率连续变化，与此同时，数据采集系统连续采集被测参数，采集的大量数据按特定的规律进行挑选、处理，从而得到所要求的角度下的各被测参数。采用这种试验技术，利于空气动力研究人员掌握整个试验过程，能够提高气动力分析的完整性和准确性。同时，提高试验效率，节约成本。连续变姿态角测量法是指一次风洞试验过程中，在要求测量的姿态角范围内，模型姿态角以一定的速率连续变化，与此同时，用高采样频率数据采集系统连续地采集被测参数，然后通过计算机对采集的大量数据进行复杂的计算、挑选、处理，从而得到要求姿 态角下的各被测参数。 

其优点体现在以下方面：①极大地缩短试验时间。测力试验常规采集方式每次采集数据之前，均需模型静止一段时间，以减弱模型抖动，而连续采集则无此等待时间。②获得更精细的试验数据。连续测量可得到所测姿态角范围内的任意一个姿态角和任意姿态角间隔的试验数据。③通过调节模型姿态角的角速度，既能获得可以忽略角速度影响的定常气动数据，也可以获得反映模型大迎角迟滞效应的气动数据，更接近飞机真实飞行状态的气动力特性。本发明将一改以往的定点测量现状，采集系统跟随机构由起始角度连续采集至终止角度，得到大量的试验数据。本发明不仅大大提高工作效率，节约成本(进气道等喷气试验尤为显著)，而且能够获得试验全程的真值，某些气动力突变的规律在试验测量中直接捕获，无需通过插值计算近似获得。这必将减少计算带来的误差和其他错误，从而提高气动分析的完整性和准确性。 

附图说明

图1为本发明的系统结构方框图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。 

实施例1 

结合图1，本发明一种风洞连续变角度运动测力数据采集系统，包括上位机1、控制卡2、驱动器3、伺服电机4、PLC计数器5和VXI数据采集系统6，上位机连接控制卡2，控制卡2连接驱动器3，驱动器3连接伺服电机4，伺服电机4上的编码器的输出端通过继电器与PLC计数器5输入端连接，PLC计数器5的输出端与VXI数据采集系统6连接；上位机1通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡2，控制卡2输出相应脉冲到驱动器中3，经驱动器3解码成交变信号传输到伺服电机4，从而实现伺服电机4的控制；同时伺服电机4反馈的信号回送到驱动器3，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器5中，PLC计数器5从给定点开始计数，PLC计数器5等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统6，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。 

本发明一种风洞连续变角度运动测力数据采集方法，步骤如下： 

步骤一：在上位机上编制“角度控制程序”，该程序计算出将要控制的脉冲量，再遵循CANOpen协议，通过CAN总线将控制命令、数据传送给控制卡，控制卡输出 相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号经由编码器线路传输到控制电机，实现电机的控制，从而完成模型角度机构的变化； 

步骤二：PLC计数器与编码器使用，编码器每圈发出一定数量的计数脉冲和一个复位脉冲，作为PLC计数器的输入，PLC计数器有一组预置值，开始运行时装入第一个预置值，当前计数值等于预置值或者有外部复位信号时，产生中断，中断可设计成输出，在模型角度机构变化的同时，从控制电机的编码器中将A/B相正交信号截取，也就是从反馈接口中代表A\B的芯柱引出线接入PLC计数器输入端的0.3、0.4触点上，A/B相正交计数的两路计数脉冲的相位差90度，控制电机正转时A相时钟脉冲比B相时钟脉冲超前90°，反转时A相时钟脉冲比B相时钟脉冲滞后90°，利用这一特点可以使正转时加计数，反转时减计数，A/B相正交计数选择1倍速模式，1倍速模式在时钟脉冲的每一个周期计1次数，PLC计数器的工作模式相应的选择“9”； 

编制PLC计数器的计数过程与扫描工作的底层用户程序，底层程序中设计：定义计数器和模式；设置控制字节；设置初始值；设置预制值；设计中断服务程序；激活PLC计数器，程序可以使用指令向导来实现，在S7-200环境下，可以在命令菜单窗口种选择Tools＞Instruction Wizard，然后再向导窗口种选择HSC指令，程序编制调试成功后下载到PLC计数器中，等待上位机的调用，从而实现高速计数； 

在上位机上编制“计数分频程序”，用以与PLC的底层用户程序的通讯，程序遵循Modbus协议开发。Modbus RTU通讯帧的基本结构： 

站地址

功能码

数据字1…

数据字n

CRC

程序启动后输入开始位置，采集间隔，点击启动按键即可实现计数。 

步骤三：从PLC计数器输出端0.0触点引出脉冲信号连接到VXI系统外触发接口处，VXI系统外触发可实现经外来脉冲触发内部采集功能，采集数据自动存储与VXI系统本机或经网络传输给其它机器以备数据处理后进行气动分析，在上位机上同时运行“角度控制程序”和“计数分频程序”，模型机构按“角度控制程序”给定的速度运行，PLC计数器分频按照“计数分频程序”从给定点开始计数，之后按等间隔发出脉冲触发VXI系统进行采集； 

步骤四：数据处理： 

在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，角度之间 相当密集，另外，由于运动过程中模型可能抖动，气流也可能在脉动，此时采集的数据可能有的波动，并不能真实的反映当前状态，因此在进行数据处理时，首先选取试验点前后的一定点数进行平均，之后进行数字滤波、平滑滤波，这样形成最终的数据结果，备气动进行分析。 

实施例2 

本发明依托风洞现场总线系统，由控制机构发送代表当前角度的脉冲信号对VXI采集系统进行触发采集，从而完成连续测力试验。试验可以一次从起始角度连续采集至结束角度，测得大量的实验数据，得到所测角度范围内任意一个角度和角度间隔的试验数据，能够反应整个实验过程。以尾撑标模实验为例(行走角度为-4°～20°)，定点阶梯式采集：角度间隔2°，实验点数13点，机构行走速度为2°/秒。角度到位稳定时间2秒，采集时间2秒，电机启动和停止以及网络延迟等时间，预计试验时间不小少1.5分钟；而采用连续变角度运动测力：假设机构的运行速度0.5°/秒，外加启动时间，50秒既能完成试验。几乎可以省一半的时间，如采用1°/秒的速度节约试验时间的优势就更加明显了。此种测力方式为，控制系统按比例发出一系列表征当前模型位置的脉冲，此脉冲触发采集系统进行连续采集，根据脉冲可计算出当前的模型角度。角位置脉冲，可以由控制模型姿态变化的伺服电机获得。伺服电机的编码器输出的A、B相脉冲，接入PLC可编程控制器的高速计数器输入端，由PLC进行分频驱动输出，分频比和初始脉冲位置由上位机软件给定。输出脉冲送入VXI采集系统采集系统同步进行采集。 

由于机构启停有较大的惯性力，考虑到此阶段测试的数据必然存在抖动等因素。所以，系统设计中要保证测试数据在机构是平稳时获得的，也就是说，试验中模型角度测试范围要包涵在模型的真实运动之中。例如：假设试验名义测试角度是-4°～16°，那么模型的运动范围要设置为-5°～17°，处理脉冲位置设计从-4°开始至16°。试验过程：先把模型走到-5°，设置好分频比和初始脉冲位置即-4°位置，设置VXI外触发并启动采集，行走角度机构，系统将自行在-4°～16°之间发出触发信号进行采集，当角度机构运行完毕，即完成了静矩的采集。同理，再次将模型走到-5°，复位计数器并重新设好分频比和初始脉冲位置，启动VXI外触发采集，启动风速电机，待风速达到给定值时运行该控制机构，VXI进行采集，采集完成后形成有风载数据，该次试验完成。 

在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，角度之间相当密集。另外，由于运动过程中模型可能抖动，气流也可能在脉动，此时采集的数据可能有的波动，并不能真实的反映当前状态。这时，选取试验点前后的一定点数进行平均，作为当前点的试验数据显然更加合理。而不同模型，不同的机构平均点数的选取的合理性还需就试验的具体情况而定。当然，为了获取更好的试验数据，数字滤波、平滑滤波等后期的处理也必不可少。 

实施例3 

一.系统设备 

使用硬件：电机：(松下1000W) 

PLC可编程控制器：(西门子224XP) 

VXI采集系统 

软件：操作系统Windows XP，VB6.0，PLC(Step6.0) 

二.整个系统和方法的实现过程 

首先，编制“角度控制程序”(使用VB编程语言)，实现电机的控制，完成模型角度机构的变化。从程序界面上给出要控制的设备节点号、电机行走的角度值，电机行走的速度，然后通过计算形成字节变量送入驱动器。 

步骤二：编制PLC计数器的计数过程与扫描工作的“底层用户程序”(S7-200环境下编程，此程序可由编程向导直接生成，只根据需要改变参数即可)，实现高速计数。程序调试成功后下载到PLC内部，接受上位机的调用。 

在上位机上编制“计数器分频程序”(使用VB编程语言)，用以与之上的PLC的底层用户程序的通讯，此程序可根据试验要求随时输入试验的起始点和采集间隔。也就是说平时我们对PLC的操作是通过这个程序实现的。因为，PLC底层程序一旦下载到PLC中就固化在PLC的CPU中，它的功能的实现是上位程序与其通讯实现的。采用VB编制的上位程序是开放的，通过从上位程序的界面输入控制计数器的具体参数即起始点和采集间隔。 

步骤三：软件编制完成后，开始硬件的连接。(1)在PLC输出端0.1接入一个继电器，继电器的两组开关触点分别接模型的迎角控制电机和侧滑角控制电机，这样可根据试验要求程控选择指定姿态角的连续测力。(2)从控制电机的编码器中将A/B相正交信号截取，也就是从反馈接口中代表A\B的芯柱引出线接入PLC计数器 输入端的0.3、0.4触点上；(3)从PLC计数器输出端0.0触点引出脉冲信号连接到VXI系统外触发接口处。 

整套系统的工作过程即为：系统利用PLC计数器输出端0.1接入一个继电器搭建一个开关量来切换模型的迎角和侧滑角机构，在同一套PLC中实现程控制选择纵向、横向两套机构分别进行连续测力；PLC计数器输入端接受电机编码器的A/B交变信号，产生相位差，根据相位差来进行高速计数；PLC计数器输出端根据对PLC计数器的编程按要求输出等间隔脉冲(即分频的过程)触发VXI系统进行连续测力各分力的采集，采集过程直至模型停止运动即模型姿态角行走完全程。 

步骤四：数据处理： 

连续采集完毕，进行数据处理，分析采用该种测试：在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，角度之间相当密集；另外，由于运动过程中模型可能抖动，气流也可能在脉动，此时采集的数据可能有的波动，并不能真实的反映当前状态，因此在进行数据处理时，首先选取试验点前后的一定点数进行平均，之后进行数字滤波、平滑滤波，这样形成较为合理的数据结果，提供给气动进行分析。 

总结：风洞试验过程： 

模型安装完毕，硬件依照步骤三连接完毕，开始试验。在上位机上运行“角度控制程序”、“计数器程序”和“VXI采集程序”。“角度控制程序”给定的模型机构的运行速度和行走角度数值；“计数器程序”给出起始位置值和采集间隔；VXI采集系统给出采集点数。然后，尽量达到同时启动以上三程序：“计数器程序”、“角度控制程序”、“VXI采集程序”。则模型姿态角经由“角度控制程序”开始变化并发出脉冲给PLC，PLC开始进行高速计数并进行分频，分频后的脉冲触发VXI进行采集，采集后的数据存储于本机或网络上任一台机器，数据经平均和滤波等处理形成的较为合理的数据交付气动人员进行气动分析。 

Claims (2)

1.一种风洞连续变角度运动测力数据采集系统，包括上位机、控制卡、驱动器、伺服电机、PLC计数器和VXI数据采集系统，其特征在于：上位机连接控制卡，控制卡连接驱动器，驱动器连接伺服电机，伺服电机上的编码器的输出端通过继电器与PLC计数器输入端连接，PLC计数器的输出端与VXI数据采集系统连接；上位机通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号传输到伺服电机，从而实现伺服电机的控制；同时伺服电机反馈的信号回送到驱动器，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器中，PLC计数器从给定点开始计数，PLC计数器等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。

2.一种使用如权利要求1所述的一种风洞连续变角度运动测力数据采集系统得出的一种风洞连续变角度运动测力数据采集方法，其特征在于，方法如下：

步骤一：在上位机上编制“角度控制程序”，该程序计算出将要控制的脉冲量，再遵循CANOpen协议，通过CAN总线将控制命令、数据传送给控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号经由编码器线路传输到伺服电机，实现伺服电机的控制，从而完成模型角度机构的变化；

步骤二：PLC计数器与编码器使用，编码器每圈发出一定数量的计数脉冲和一个复位脉冲，作为PLC计数器的输入，PLC计数器使用A/B相正交计数功能，PLC计数器有一组预置值，开始运行时装入第一个预置值，当前计数值等于预置值或者有外部复位信号时，产生中断，中断设计成输出，在模型角度机构变化的同时，从伺服电机的编码器中将A/B相正交信号截取，A/B相正交计数的两路计数脉冲的相位差90°，控制伺服电机正转时A相时钟脉冲比B相时钟脉冲超前90°，反转时A相时钟脉冲比B相时钟脉冲滞后90°，使正转时加计数，反转时减计数，A/B相正交计数选择1倍速模式，1倍速模式在时钟脉冲的每一个周期计1次数；

步骤三：从PLC计数器输出端引出脉冲信号连接到VXI数据采集系统外触发接口处，VXI数据采集系统外触发实现经外来脉冲触发内部采集功能，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集数据自动存储于VXI数据采集系统，或经网络传输给其它机器以备数据处理后进行气动分析，在上位机上同时运行“角度控制程序”和“计数分频程序”，模型机构按“角度控制程序”给定的速度运行，PLC计数器分频按照“计数分频程序”从给定点开始计数，之后按等间隔发出脉冲触发VXI数据采集系统进行采集；

步骤四：数据处理：

在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，在进行数据处理时，首先选取试验点的前后所需数据进行平均，作为当前点的试验数据更加合理，之后进行数字滤波、平滑滤波，这样形成最终的数据结果，备气动进行分析。

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