CN105630048B

CN105630048B - 三轴加速度与温度同步控制方法

Info

Publication number: CN105630048B
Application number: CN201610190434.1A
Authority: CN
Inventors: 欧峰; 陈洪; 吴静; 鲁亮; 刘谦; 熊昕; 杨艳; 张东锋; 杨敏
Original assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Current assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: CN105630048A

Abstract

本发明公开了一种三轴加速度与温度控制方法，主要以离心机为平台，依靠同步控制离心机主电机、偏航框角度、滚转框角度三轴运动同步来实现机体三个轴向持续加速度的控制，并对试验产品的温度进行同步控制，而且四个环境因素是按照时间历程进行的连续控制。本发明实现了离心机三个方向的加速度与温度这四个环境因素按照时间历程的同步控制，将为各类飞行器的结构和性能的考核提供地面试验平台和验证手段。

Description

三轴加速度与温度同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种三轴加速度与温度同步控制方法，可按照时间历程同步模拟飞行器飞行过程中轴向、切向、法向三个方向的加速度以及温度共四个环境因素的连续变化。

背景技术

真实的飞行环境是加速度、温度等多种环境因素同时作用的一个复杂环境，然而现行环境试验标准下的试验体系对上述环境因素的模拟多以单一环境因素为主，例如目前的加速度试验和温度试验是各自独立进行的，且每一次加速度试验只能控制单一轴向且稳定的加速度，无法同步控制飞行器全飞行过程中轴向、切向、法向三个方向加速度与温度这四个环境因素的同步变化，导致无法真实再现这四种环境因素对飞行器结构以及性能的耦合效应。因此，开展三轴加速度与温度的同步控制技术具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种三轴加速度与温度同步控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种三轴加速度与温度同步控制系统，包括主控计算机和离心机，所述离心机设置有主轴、主电机、转臂、仪器舱和仪器舱集流环，所述转臂的前端设置有吊舱，所述吊舱由偏航框与滚转框十字正交组成，所述偏航框通过偏航框转轴Ⅰ和偏航框转轴Ⅱ竖立安装在所述转臂的前端，所述偏航框设置有偏航框电机Ⅰ和偏航框电机Ⅱ，所述偏航框电机Ⅰ安装有偏航框集流环Ⅰ，所述偏航框电机Ⅱ安装有偏航框集流环Ⅱ，所述偏航框电机Ⅰ的转轴与所述偏航框转轴Ⅰ固定连接，所述偏航框电机Ⅱ的转轴与所述偏航框转轴Ⅱ固定连接，所述滚转框通过滚转框转轴Ⅰ和滚转框转轴Ⅱ水平安装在所述偏航框内，所述滚转框设置有滚转框电机Ⅰ和滚转框电机Ⅱ，所述滚转框电机Ⅰ安装有滚转框集流环Ⅰ，所述滚转框电机Ⅱ安装有滚转框集流环Ⅱ，所述滚转框电机Ⅰ的转轴与所述滚转框转轴Ⅰ固定连接，所述滚转框电机Ⅱ的转轴与所述滚转框转轴Ⅱ固定连接，所述滚转框装有用于为试验产品加热的加热带和用于放置所述试验产品的保温容器，所述滚转框的保温容器内设置有用于装在所述试验产品上的三轴加速度计、温度计和应变片，所述偏航框电机Ⅰ、所述偏航框集流环Ⅰ、所述偏航框电机Ⅱ、所述偏航框集流环Ⅱ、所述滚转框电机Ⅰ、所述滚转框集流环Ⅰ、所述滚转框电机Ⅱ、所述滚转框集流环Ⅱ、所述加热带、所述三轴加速度计、所述温度计和所述应变片均与所述仪器舱内的控制单元电连接，所述主控计算机通过所述仪器舱集流环与所述仪器舱内的控制单元电连接。

优选地，所述转臂的尾端设置有配平块。

优选地，所述转臂的前端设置为水平的U型叉结构，所述偏航框位于所述转臂前端的U型叉内。

优选地，所述滚转框的保温容器内设置有用于固定试验产品的夹具。

根据上述三轴加速度与温度同步控制系统得出三轴加速度与温度的同步控制方法，设离心机转臂的逆时针单向旋转角速度为ω，设偏航框转动所产生的偏航角为ψ，设滚转框转动所产生的滚转角为φ，具体包括以下步骤：

A：加载同步控制指令表，将试验产品的三轴加速度和温度的同步控制指令表[t₁G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZN T_N]加载到主控计算机上，同步控制指令表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZN T_N]按时间历程表[t₁,…t_N]对每一个时刻试验产品的三轴加速度和温度进行描述；

B：将同步控制指令表转换成多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_Nφ_N T_N]；

C：将多轴同步控制参数表下载到仪器舱内的多轴运动控制器，并生成电子凸轮表；

D：多轴同步控制与测量，通过主控计算机控制仪器舱内的多轴运动控制器，通过仪器舱内的多轴运动控制器解读电子凸轮表，通过电子凸轮表计算出每个时刻各轴系应该达到的数值，包括三轴加速度ω、ψ、φ和温度T，并通过实时现场总线将这些参数分别发送给仪器舱内的变频器、四台驱动器以及温控仪，从而驱动离心机的主电机、两台偏航框电机、两台滚转框电机以及加热带运行，各电机的转速和角度通过各自的集流环进行测量和反馈，试验产品的温度通过温度计来采集和反馈，在控制和测量的过程中通过电子凸轮表监控和确保4轴之间的同步性。

进一步地，上述步骤B具体包括以下小步骤：

B1：将同步控制指令表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZN T_N]按照时间历程表[t₁,…t_N]拆解成三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]和温度控制参数表[t₁T₁,…t_N T_N]两部分；

B2：将三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]按时间历程表[t₁,…t_N]转换成三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]；

B3：将三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]与温度控制参数表[t₁ T₁,…t_N T_N]按照时间历程表[t₁,…t_N]进行匹配检查，时间匹配完全正确后重新装订成为新的多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_N φ_N T_N]。

更进一步地，上述步骤B2中转换成三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_Nψ_N φ_N]的过程包括以下小步骤：

B21：设任意时刻(t_n)离心机持续旋转角速度为ω_n，偏航框角度为ψ_n，滚转框角度为φ_n，整个吊舱加速度由离心加速度G_Nn、垂直加速度G_Vn和切向加速度G_Tn的合加速度提供，离心机的三轴加速度[G_Xn G_Yn G_Zn]由吊舱加速度[G_Tn G_Nn G_Vn]向离心机坐标系中的轴向、切向、法向投影得到，且都满足如下公式，其中r为有效半径，g＝9.8m/s²，

按照欧拉原理对离心机及吊舱运动与离心机加速度之间的转换关系进行坐标转换，转换关系如下，

B22：根据方程(1)、(2)和(3)，得出离心机持续旋转的角速度ω_n、偏航框角度ψ_n和滚转框角度φ_n的三个公式，

B23：按照时间历程表[t₁,…t_N]依次读取每一个时刻的三轴加速度[G_Xn G_Yn G_Zn]，得到每一个时刻的三轴运动控制参数[ω_n ψ_n φ_n]，从而将三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]转换成三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]。

进一步地，上述步骤C具体包括以下小步骤：

C1：将多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_N φ_N T_N]下载到仪器舱内的多轴运动控制器中；

C2：通过仪器舱内的多轴运动控制器把离心机旋转角速度ω、偏航角ψ、滚转角φ以及温度T分别视为4个平等且同步控制的运动轴系，并对每个轴系的各控制参数点之间进行插值以增加各轴控制的连续性和柔性；

C3：将插值后的4个轴系通过电子凸轮技术组合为一个电子凸轮表。

进一步地，试验产品各轴向的加速度、试验产品的应变分别通过三轴加速度计和应变片实时采集，所采集到的轴向加速度数据、应变数据和试验产品的温度数据实时同步地显示在主控计算机的人机界面上。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了离心机三个方向的加速度与温度这四个环境因素按照时间历程的同步控制，将为各类飞行器的结构和性能的考核提供地面试验平台和验证手段。

附图说明

图1是本发明所述三轴加速度与温度同步控制系统的机械结构示意图；

图2是本发明的三轴加速度空间映射及坐标转换原理图；

图3是本发明的同步控制系统结构示意框图；

图4是本发明的控制流程图；

图中：1-偏航框集流环Ⅰ、2-偏航框电机Ⅰ、3-偏航框转轴Ⅰ、4-偏航框、5-滚转框集流环Ⅰ、6-滚转框电机Ⅰ、7-滚转框转轴Ⅰ、8-滚转框、9-偏航框集流环Ⅱ、10-偏航框电机Ⅱ、11-偏航框转轴Ⅱ、12-加热带、13-试验产品、14-滚转框集流环Ⅱ、15-滚转框电机Ⅱ、16-滚转框转轴Ⅱ、17-转臂、18-仪器舱、19-仪器舱集流环、20-配平块、21-主轴、22-主电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括主控计算机和离心机，离心机设置有主轴21、主电机22、转臂17、仪器舱18和仪器舱集流环19，转臂17的前端设置有吊舱，吊舱由偏航框4与滚转框8十字正交组成，偏航框4通过偏航框转轴Ⅰ3和偏航框转轴Ⅱ11竖立安装在转臂17的前端，偏航框4设置有偏航框电机Ⅰ2和偏航框电机Ⅱ10，偏航框电机Ⅰ2安装有偏航框集流环Ⅰ1，偏航框电机Ⅱ10安装有偏航框集流环Ⅱ9，偏航框电机Ⅰ2的转轴与偏航框转轴Ⅰ3固定连接，偏航框电机Ⅱ10的转轴与偏航框转轴Ⅱ11固定连接，滚转框8通过滚转框转轴Ⅰ7和滚转框转轴Ⅱ16水平安装在偏航框4内，滚转框8设置有滚转框电机Ⅰ6和滚转框电机Ⅱ15，滚转框电机Ⅰ6安装有滚转框集流环Ⅰ5，滚转框电机Ⅱ15安装有滚转框集流环Ⅱ14，滚转框电机Ⅰ6的转轴与滚转框转轴Ⅰ7固定连接，滚转框电机Ⅱ15的转轴与滚转框转轴Ⅱ16固定连接，滚转框8装有用于为试验产品13加热的加热带12和用于放置试验产品13的保温容器，滚转框8的保温容器内设置有用于装在试验产品13上的三轴加速度计、温度计和应变片，偏航框电机Ⅰ2、偏航框集流环Ⅰ1、偏航框电机Ⅱ10、偏航框集流环Ⅱ9、滚转框电机Ⅰ6、滚转框集流环Ⅰ5、滚转框电机Ⅱ15、滚转框集流环Ⅱ14、加热带12、三轴加速度计、温度计和应变片均与仪器舱18内的控制单元电连接，主控计算机通过仪器舱集流环19与仪器舱18内的控制单元电连接。

转臂17的尾端设置有配平块20。转臂17的前端设置为水平的U型叉结构，偏航框4位于转臂17前端的U型叉内。滚转框8的保温容器内设置有用于固定试验产品13的夹具。

根据上述三轴加速度与温度同步控制系统得出三轴加速度与温度的同步控制方法，设离心机转臂17的逆时针单向旋转角速度为ω，设偏航框4转动所产生的偏航角为ψ，设滚转框8转动所产生的滚转角为φ，具体实施流程如图4所示，主要分为以下四步：

1、加载同步控制指令表

将试验产品13的三轴加速度和温度的同步控制指令表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XNG_YN G_ZNT_N]加载到主控计算机上，同步控制指令表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZN T_N]按时间历程表[t₁,…t_N]对每一个时刻试验产品13的三轴加速度和温度进行描述；

2、将同步控制指令表转换成多轴同步控制参数表

将同步控制指令表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZN T_N]按照时间历程表[t₁,…t_N]拆解成三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]和温度控制参数表[t₁ T₁,…t_N T_N]两部分；将三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]按时间历程表[t₁,…t_N]转换成三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]，转换算法推导如下：

设任意时刻(t_n)离心机持续旋转角速度为ω_n，偏航框4角度为ψ_n，滚转框8角度为φ_n，整个吊舱加速度由离心加速度G_Nn、垂直加速度G_Vn和切向加速度G_Tn的合加速度提供，离心机的三轴加速度[G_Xn G_Yn G_Zn]由吊舱加速度[G_Tn G_Nn G_Vn]向离心机坐标系中的轴向、切向、法向投影得到，且都满足如下公式，其中r为有效半径，g＝9.8m/s²，

根据方程(1)、(2)和(3)，得出离心机持续旋转的角速度ω_n、偏航框4角度ψ_n和滚转框8角度φ_n的三个公式，

按照时间历程表[t₁,…t_N]依次读取每一个时刻的三轴加速度[G_Xn G_Yn G_Zn]，得到每一个时刻的三轴运动控制参数[ω_n ψ_n φ_n]，从而将三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]转换成三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]；

将三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]与温度控制参数表[t₁T₁,…t_N T_N]按照时间历程表[t₁,…t_N]进行匹配检查，时间匹配完全正确后重新装订成为新的多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_N φ_N T_N]。

3、下载多轴同步控制参数表并生成电子凸轮表

通过主控计算机将多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_N φ_N T_N]下载到仪器舱18内的多轴运动控制器中；通过仪器舱18内的多轴运动控制器把离心机旋转角速度ω、偏航角ψ、滚转角φ以及温度T分别视为4个平等且同步控制的运动轴系，并对每个轴系的各控制参数点之间进行插值以增加各轴控制的连续性和柔性；将插值后的4个轴系通过电子凸轮技术组合为一个电子凸轮表，电子凸轮表(CAM)就像凸轮一样，将严格监控和确保四个轴系之间的同步性。

4、多轴同步控制与测量

通过主控计算机控制仪器舱18内的多轴运动控制器，通过仪器舱18内的多轴运动控制器解读电子凸轮表，通过电子凸轮表计算出每个时刻各轴系应该达到的数值，即应该达到的三轴加速度ω、ψ、φ和温度T，并通过实时现场总线将这些参数分别发送给仪器舱18内的变频器、四台驱动器以及温控仪，从而驱动离心机的主电机22、两台偏航框电机、两台滚转框电机以及加热带12运行，各电机的转速和角度通过各自的集流环进行测量和反馈，试验产品13的温度通过温度计来采集和反馈，在控制和测量的过程中通过电子凸轮表监控和确保四个轴系之间的同步性。

各电机以及加热带的同步性通过多轴运动控制器的电子凸轮控制技术和实时现场总线(EtherCAT)的实时性来保证。这样就能够确保持续且精确地控制离心机旋转角速度ω、偏航角ψ、滚转角φ以及温度T的动态变化，也就可以控制映射到机体的三个轴向上的加速度及温度的变化，最终使得系统能够严格按照时间历程、同步并精确地模拟机体的三个轴向感受的加速度持续变化及其温度变化。而产品各轴向的加速度、产品的应变分别通过三轴加速度计和应变片实时采集，这些数据与产品的温度数据将实时同步地显示在主控计算机人机界面上，这些都是进行同步试验的试验产品和试验人员所关心的重要数据。当三轴加速度计测量的实际加速度与控制加速度有一定偏差时，需要检查和修正转换程序中的相关参数(例如有效半径r)，设备运行一段时间后各项参数也会可能发生变化，因此还要定期标定三轴加速度计、温度计和编码器的精度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种三轴加速度与温度同步控制方法，其特征在于，设离心机转臂的逆时针单向旋转角速度为ω，设偏航框转动所产生的偏航角为ψ，设滚转框转动所产生的滚转角为φ，具体包括以下步骤：

A：加载同步控制指令表，将试验产品的三轴加速度和温度的同步控制指令表[t₁ G_X1G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZNT_N]加载到主控计算机上，同步控制指令表[t₁G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZNT_N]按时间历程表[t₁,…t_N]对每一个时刻试验产品的三轴加速度和温度进行描述；

B：将同步控制指令表转换成多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_N φ_NT_N]；

2.根据权利要求1所述的三轴加速度与温度同步控制方法，其特征在于，步骤B具体包括以下小步骤：

B1：将同步控制指令表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1 T₁,…t_N G_XN G_YN G_ZN T_N]按照时间历程表[t₁,…t_N]拆解成三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1 G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]和温度控制参数表[t₁ T₁,…t_N T_N]两部分；

B3：将三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]与温度控制参数表[t₁T₁,…t_N T_N]按照时间历程表[t₁,…t_N]进行匹配检查，时间匹配完全正确后重新装订成为新的多轴同步控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,T₁…t_N ω_N ψ_N φ_N T_N]。

3.根据权利要求2所述的三轴加速度与温度同步控制方法，其特征在于，步骤B2中转换成三轴运动控制参数表[t₁ ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]的过程包括以下小步骤：

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B23：按照时间历程表[t₁,…t_N]依次读取每一个时刻的三轴加速度[G_Xn G_Yn G_Zn]，得到每一个时刻的三轴运动控制参数[ω_n ψ_n φ_n]，从而将三轴加速度参数表[t₁ G_X1 G_Y1G_Z1,…t_N G_XN G_YN G_ZN]转换成三轴运动控制参数表[t ₁ω₁ ψ₁ φ₁,…t_N ω_N ψ_N φ_N]。

4.根据权利要求1所述的三轴加速度与温度同步控制方法，其特征在于，步骤C具体包括以下小步骤：

5.根据权利要求1所述的三轴加速度与温度同步控制方法，其特征在于，试验产品各轴向的加速度、试验产品的应变分别通过三轴加速度计和应变片实时采集，所采集到的轴向加速度数据、应变数据和试验产品的温度数据实时同步地显示在主控计算机的人机界面上。