CN108225712B - 连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板控制方法 - Google Patents

连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法，在目标马赫数气动型面成型试验中，通过控制喷管段的可调收缩段、喉块段、柔板段三部分来模拟目标马赫数所要求气动型面。本发明的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法能实时监测喉块与柔板连接处的拉压力，通过一种偏差带控制方法，保证拉压力为较小值，从而很好对喉块与柔板实现刚柔耦合协调控制，保证气动型面精度要求，提高系统安全性。

Description

连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板控制方法
技术领域
本发明涉及连续式跨声速风洞喷管段的协调控制技术领域，具体涉及喉块空间位姿控制与柔板弹性变形协调方法。该方法主要用于连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制。
背景技术
超声速喷管是超声速风洞的核心部段，随着对其运行能力要求的提高，风洞超声速喷管历经了固块喷管、全柔壁喷管、半柔壁喷管三个过程。其中，固块喷管是早期超声速风洞喷管使用的型式，其流场品质好，重复精度高，但存在不能调节马赫数，存在运行效率低的缺点；故出现全柔壁喷管，其采用钢板作为型面材料，在足够数量的执行机构作用下改变壁面形状，但由于其控制系统复杂，成本较为昂贵，所以现采取了半柔壁喷管，可以较大地节省制造经费、提高运行可靠性。
传统半柔壁形式应用于小型风洞(见图5)，其中喉块为平面机构，喉块拥有x、y两个方向以及绕z轴转动，共3个自由度。但是喉块只有两个驱动，不是刚性控制，而是欠驱动，喉块位姿不能由其驱动独立控制，是由柔板和喉块上的驱动共同决定，即柔板同时也是喉块的一个驱动，柔板对喉块必然有拉压力存在。但由于应用于小型风洞，喉块质量本身较小，气动力也较小，此拉压力不足以对柔板产生塑性变形从而影响气动型面或者损坏柔板。因此，传统半柔壁喷管驱动形式对喉块、柔板可以进行较好的协调控制。
针对连续式跨声速大型风洞设计的喷管段，具体机构简图见图1，其中喉块质量大，惯性大。喉块上有3个驱动单元，可完全控制喉块的3个自由度。即喉块空间位姿完全由喉块自身驱动决定，一方面不需柔板拉压力，另一方面，也不允许有过大拉压力。因为柔板板型曲线由柔板执行机构控制，喉块空间位姿由喉块执行机构控制。两者之间存在拉压力即是过约束，若此拉压力超过一定强度势必对柔板产生塑性变形从而损坏柔板甚至破坏整个系统，安全隐患极大。
如果现有半柔壁喷管形式中喉块部分仍采用传统半柔壁喷管喉块的同步控制方法，一旦喉块空间位姿与柔板变形控制不协调，特别是正偏差(喉块和柔板接触力为拉力)，一方面将会损坏柔板，导致塑形变形，另一方面也可能损坏喉块和柔板执行机构。因此不能采用传统半柔壁喷管控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法。
本发明的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法，其特点是：所述的协调控制方法使用的设备包括上位计算机、下位计算机、驱动器、执行器、位置传感器和力传感器；所述的执行器包括控制可调收缩块、喉块、柔板每个驱动单元的执行器，所述的驱动器包括与执行器对应的驱动器。
其连接关系是，所述的上位计算机、下位计算机和驱动器通过网线连接，驱动器和执行器通过信号线和动力线连接，位置传感器、力传感器和下位计算机通过信号线连接，如图6；喉块及柔板机构内安装有位置传感器；喉块与柔板用螺栓连接，连接处安装有力传感器；所述的驱动器驱动执行器控制喉块与柔板协调运动。
所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取和写入数据、执行试验、显示当前速度和位置、显示力信号；
所述的下位计算机安装有PLC程序，PLC程序用于控制喉块、柔板模型运动、连接力、位置监测；
所述的位置传感器检测喉块、柔板模型的运行位置信号，并将其传送到下位计算机；
所述的力传感器检测喉块和柔板连接处的力信号，并将其传送到下位计算机；
所述的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法包括以下几个步骤：
1)建立柔板弹性变形曲线。采用大变形理论分析计算柔板弹性变形曲线。弹性曲面微分变形协调方程为式
Figure GDA0003049629570000021
式中：D——抗弯刚度；
Figure GDA0003049629570000022
δ——厚度(mm)；
μ——泊松比；
q——单位面积载荷(N/mm2)；
w——挠度(mm)；
x——坐标系x轴向；
2)通过标定确定目标马赫数对应的姿态，即初始状态和最终状态都可通过标定确定，但是中间过程无法确定。设有限个柔板马赫数M1、M2～Mi姿态都已通过标定确定，即目标姿态已知。根据柔板与喉块连接处相应马赫数对应的位置拟合出连接处的轨迹线，作为喉块与柔板连接处理论轨迹线S。
3)上位计算机读取喉块理论轨迹线S、目标马赫数、达到目标马赫数时柔板驱动量并将其写入下位计算机；
4)控制流程如下：
S01下位计算机按照控制周期将柔板执行机构位移量离散为n个微分位移Δs1；
S02根据步骤1)弹性变形曲线计算出柔板每个驱动单元驱动量
Figure GDA0003049629570000031
以及柔板与喉块搭接处点的空间位姿
Figure GDA0003049629570000032
，并把单元驱动量
Figure GDA0003049629570000033
输入驱动器；
本步骤中：q10：柔板第一组执行器驱动量；
q20：柔板第二组执行器驱动量；
q30：柔板第三组执行器驱动量；
x：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点处的x坐标；
y：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点处的y坐标；
θ：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点绕z轴的转角；
S03下位计算机监测柔板是否达到微分驱动量Δs1，如果达到Δs1则进入流程S04，否则返回流程S02，继续输入柔板执行机构位移量；
S04下位计算机根据柔板与喉块搭接处点的空间位姿
Figure GDA0003049629570000034
根据公式(1)逆解出喉块执行机构微分位移Δs2，并输入驱动器；
Figure GDA0003049629570000035
本步骤中：J3×3为雅可比矩阵；
q11：喉块第一组执行器驱动量；
q21：喉块第二组执行器驱动量；
q31：喉块第三组执行器驱动量；
S05下位计算机通过力传感器监测喉块与柔板连接处切向力信号；
若切向力在预设阈值Fmax之内，则认为喉块与柔板运动是相协调的，无需补偿，进入流程S07；
S06若切向力超过阈值范围，判断切向力是拉力还是压力：若是拉力，则按照正偏差带控制，控制结束后返回S05，再次监测切向力，直至切向力在阈值范围内；
若是压力，按照负偏差带控制，控制结束后返回S05，再次监测切向力，直至切向力在阈值范围内。
S07下位计算机通过位置传感器监测喉块位移信号；
若喉块执行器没有达到微分位移量Δs2，程序返回流程S04，再次输入喉块执行机构理论微分位移量，直至达到Δs2为止；
若喉块执行器达到微分位移量Δs2，进入下一流程S08；
S08判断柔板是否达到目标马赫数对应的气动型面，如果没达到，程序返回流程S02，输入下一微分运动柔板执行机构驱动量，再次循环上述流程；柔板达到目标马赫数对应的气动型面则结束所有流程。
所述的连续式跨声速风洞喷管段的正/负偏差带控制方法包括以下几个步骤：
将柔板与喉块连接处的切向力输入PID控制器(图4)，计算出补偿量δ，如果是拉力，则是正偏差带控制，δ为正，其绝对值必须小于最大补偿量δ2，反之为负偏差带控制，δ为负，其绝对值必须小于最大补偿量δ1；
其中PID控制器模型为：
Figure GDA0003049629570000041
式中，e(t)＝Fx(切向力)；u(t)＝δ(补偿量)；
kp——比例系数
ki——积分系数
kp——微分系数
将补偿量输入下位计算机，下位计算机根据式(2)、式(3)计算全局坐标系中的补偿量
Figure GDA0003049629570000042
并补偿量写入从而完成对理论轨迹线的修正；
Figure GDA0003049629570000051
Figure GDA0003049629570000052
式中：R3×3为喉块与柔板搭接处的局部坐标系与全局坐标系之间的坐标变换矩阵；Δx为全局坐标系下x向补偿量；Δy为全局坐标系下y向补偿量；Δθ为全局坐标系下绕z轴转角θ补偿量；
q′11：喉块第一组执行器补偿后驱动量；
q′21：喉块第二组执行器补偿后驱动量；
q′31：喉块第三组执行器补偿后驱动量；
附图说明
为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：
图1是本发明中半柔壁喷管段机构简图
图2是本发明中喉块与柔板连接处受力分析图，Fx为局部坐标系下x向切向力，Fy为局部坐标系下y向法向力
图3是本发明中连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制流程图
图4是本发明中正/负偏差带控制流程图
图5是传统半柔壁喷管段机构简图
图6是本发明中系统原理图
图中：1.滑板，2.上圆柱副，3.撑杆，4.下圆柱副，5.柔板固定连接支座， 6.可调收缩段固定连接支座，7.可调收缩块，8.喉块，9.柔板，10.驱动单元11. 传统装置中的可调收缩段固定连接支座，12.传统装置中的可调收缩块，13.传统装置中的喉块，14.传统装置中的撑杆，15.传统装置中的柔板，16.传统装置中的柔板固定连接支座；
每套驱动单元均包含1.滑板，2.上圆柱副，3.撑杆，4.下圆柱副
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法。
本发明的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法，其特点是：所述的协调控制方法使用的设备包括上位计算机、下位计算机、驱动器、执行器、位置传感器和力传感器，如图6；所述的执行器包括控制可调收缩块、喉块、柔板每个驱动单元的执行器，所述的驱动器包括与执行器对应的驱动器。
其连接关系是，所述的上位计算机、下位计算机和驱动器通过网线连接，驱动器和执行器通过信号线和动力线连接，位置传感器、力传感器和下位计算机通过信号线连接，如图6；喉块及柔板机构内安装有位置传感器；喉块与柔板用螺栓连接，连接处安装有力传感器；所述的驱动器驱动执行器控制喉块与柔板协调运动。
所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取和写入数据、执行试验、显示当前速度和位置、显示力信号；
所述的下位计算机安装有PLC程序，PLC程序用于控制喉块、柔板模型运动、连接力、位置监测；
所述的位置传感器检测喉块、柔板模型的运行位置信号，并将其传送到下位计算机；
所述的力传感器检测喉块和柔板连接处的力信号，并将其传送到下位计算机；如图2，通过力传感器监测喉块与柔板连接处在局部坐标系下的切向力Fx；
所述的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法包括以下几个步骤：
1)建立柔板弹性变形曲线。采用大变形理论分析计算柔板弹性变形曲线。弹性曲面微分变形协调方程为式
Figure GDA0003049629570000061
式中：D——抗弯刚度；
Figure GDA0003049629570000062
δ——厚度(mm)；
μ——泊松比；
q——单位面积载荷(N/mm2)；
w——挠度(mm)；
x——坐标系x轴向；
2)通过标定确定目标马赫数对应的姿态，即初始状态和最终状态都可通过标定确定，但是中间过程无法确定。设有限个柔板马赫数M1、M2～Mi姿态都已通过标定确定，即目标姿态已知。根据柔板与喉块连接处相应马赫数对应的位置拟合出连接处的轨迹线，作为喉块与柔板连接处理论轨迹线S。
3)上位计算机读取喉块理论轨迹线S、目标马赫数、达到目标马赫数时柔板驱动量并将其写入下位计算机；
4)控制流程如下：
S01下位计算机按照控制周期(如10ms)将柔板执行机构位移量离散为n(如10000)个微分位移Δs1；
S02根据步骤1)弹性变形曲线计算出柔板每个驱动单元驱动量
Figure GDA0003049629570000071
以及柔板与喉块搭接处点的空间位姿
Figure GDA0003049629570000072
，并把单元驱动量
Figure GDA0003049629570000073
输入驱动器；
本步骤中：q10：柔板第一组执行器驱动量；
q20：柔板第二组执行器驱动量；
q30：柔板第三组执行器驱动量；
x：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点处的x坐标；
y：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点处的y坐标；
θ：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点绕z轴的转角；
S03下位计算机监测柔板是否达到微分驱动量Δs1，如果达到Δs1则进入流程S04，否则返回流程S02；
S04下位计算机根据柔板与喉块搭接处点的空间位姿
Figure GDA0003049629570000074
，根据公式(1)逆解出喉块执行机构微分位移Δs2，并输入驱动器；
Figure GDA0003049629570000075
本步骤中：J3×3为雅可比矩阵；
q11：喉块第一组执行器驱动量；
q21：喉块第二组执行器驱动量；
q31：喉块第三组执行器驱动量；
S05下位计算机通过力传感器监测喉块与柔板连接处切向力信号，如图2；
S06若切向力在预设阈值Fmax之内，则认为喉块与柔板运动是相协调的，无需补偿，进入流程S07；
若切向力超过阈值范围，判断切向力是拉力还是压力：若是拉力，则按照正偏差带控制，控制结束后返回S05，再次监测切向力，直至切向力在阈值范围内；
若是压力，按照负偏差带控制，控制结束后返回S05，再次监测切向力，直至切向力在阈值范围内。
S07下位计算机通过位置传感器监测喉块位移信号；
若喉块执行器没有达到微分位移量Δs2，程序返回流程S04，直至达到Δs2为止；
若喉块执行器达到微分位移量Δs2，进入下一流程S08；
S08判断柔板是否达到目标马赫数对应的气动型面，如果没达到，程序返回流程S02，再次循环上述流程；柔板达到目标马赫数对应的气动型面则结束所有流程。
所述的连续式跨声速风洞喷管段的正/负偏差带控制方法包括以下几个步骤：
将柔板与喉块连接处的切向力输入PID控制器(图4)，计算出补偿量δ，如果是拉力，则是正偏差带控制，δ为正，其绝对值必须小于最大补偿量δ2，反之为负偏差带控制，δ为负，其绝对值必须小于最大补偿量δ1；
其中PID控制器模型为：
Figure GDA0003049629570000081
式中，e(t)＝Fx(切向力)；u(t)＝δ(补偿量)；
kp——比例系数
ki——积分系数
kp——微分系数
将补偿量输入下位计算机，下位计算机根据式(2)、式(3)计算全局坐标系中的补偿量
Figure GDA0003049629570000082
并补偿量写入从而完成对理论轨迹线的修正；
Figure GDA0003049629570000091
Figure GDA0003049629570000092
式中：R3×3为喉块与柔板搭接处的局部坐标系与全局坐标系之间的坐标变换矩阵；Δx为全局坐标系下x向补偿量；Δy为全局坐标系下y向补偿量；Δθ为全局坐标系下绕z轴转角θ补偿量；
q′11：喉块第一组执行器补偿后驱动量；
q′21：喉块第二组执行器补偿后驱动量；
q′31：喉块第三组执行器补偿后驱动量。

Claims (2)

1.连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板控制方法，其特征在于：所述的协调控制方法使用的设备包括上位计算机、下位计算机、驱动器、执行器、位置传感器和力传感器；所述的执行器包括控制可调收缩块、喉块、柔板每个驱动单元的执行器，所述的驱动器包括与执行器对应的驱动器；
其连接关系是，所述的上位计算机、下位计算机和驱动器通过网线连接，驱动器和执行器通过信号线和动力线连接，位置传感器、力传感器和下位计算机通过信号线连接；喉块及柔板机构内安装有位置传感器；喉块与柔板用螺栓连接，连接处安装有力传感器；所述的驱动器驱动执行器控制喉块与柔板协调运动；
所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取和写入数据、执行试验、显示当前速度和位置、显示力信号；
所述的下位计算机安装有PLC程序，PLC程序用于控制喉块、柔板模型运动、连接力、位置监测；
所述的位置传感器检测喉块、柔板模型的运行位置信号，并将其传送到下位计算机；
所述的力传感器检测喉块和柔板连接处的力信号，并将其传送到下位计算机；
所述的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板协调控制方法包括以下几个步骤：
1)根据大变形理论分析建立柔板的弹性变形曲线；
弹性曲面微分变形协调方程为式
Figure FDA0003065103540000011
式中：D——抗弯刚度；
Figure FDA0003065103540000012
δ——厚度(mm)；
μ——泊松比；
q——单位面积载荷(N/mm2)；
w——挠度(mm)；
x——坐标系x轴向；
2)根据柔板的弹性变形曲线拟合出喉块与柔板连接处的轨迹线，作为喉块与柔板连接处理论轨迹线S；
3)上位计算机读取喉块理论轨迹线S、目标马赫数、达到目标马赫数时柔板的驱动量，并将其写入下位计算机；
4)控制流程如下：
S01下位计算机按照控制周期将柔板执行机构位移量离散为n个微分位移Δs1；
S02根据步骤1)弹性变形曲线计算出柔板每个驱动单元驱动量
Figure FDA0003065103540000021
以及柔板与喉块搭接处点的空间位姿
Figure FDA0003065103540000022
并把单元驱动量
Figure FDA0003065103540000023
输入驱动器；
本步骤中：q10：柔板第一组执行器驱动量；
q20：柔板第二组执行器驱动量；
q30：柔板第三组执行器驱动量；
x：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点处的x坐标；
y：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点处的y坐标；
θ：全局坐标系下，喉块与柔板搭接点绕z轴的转角；
S03下位计算机监测柔板是否达到微分驱动量Δs1，如果达到Δs1则进入流程S04，否则返回流程S02，继续输入柔板执行机构位移量；
S04下位计算机根据柔板与喉块搭接处点的空间位姿
Figure FDA0003065103540000024
根据公式(1)逆解出喉块执行机构微分位移Δs2，并输入驱动器；
Figure FDA0003065103540000025
本步骤中：J3×3为雅可比矩阵；
q11：喉块第一组执行器驱动量；
q21：喉块第二组执行器驱动量；
q31：喉块第三组执行器驱动量；
S05下位计算机通过力传感器监测喉块与柔板连接处切向力信号；
若切向力在预设阈值Fmax之内，则认为喉块与柔板运动是相协调的，无需补偿，进入流程S07；
S06若切向力超过阈值范围，判断切向力是拉力还是压力：若是拉力，则按照正偏差带控制，控制结束后返回S05，再次监测切向力，直至切向力在阈值范围内；
若是压力，按照负偏差带控制，控制结束后返回S05，再次监测切向力，直至切向力在阈值范围内；
S07下位计算机通过位置传感器监测喉块位移信号；
若喉块执行器没有达到微分位移量Δs2，程序返回流程S04，再次输入喉块执行机构理论微分位移量，直至达到Δs2为止；
若喉块执行器达到微分位移量Δs2，进入下一流程S08；
S08判断柔板是否达到目标马赫数对应的气动型面,如果没达到，程序返回流程S02，输入下一微分运动柔板执行机构驱动量，再次循环上述流程；柔板达到目标马赫数对应的气动型面则结束所有流程。
2.根据权利要求1所述的连续式跨声速风洞喷管段的半柔壁喉块与柔板控制方法，其特征在于：
S06中若切向力超过阈值Fmax，程序将柔板与喉块连接处的切向力输入PID控制器，计算出补偿量δ，如果是拉力，则是正偏差带控制，δ为正，其绝对值必须小于最大补偿量δ2，如果是压力，则为负偏差带控制，δ为负，其绝对值必须小于最大补偿量δ1；
其中PID控制器模型为：
Figure FDA0003065103540000031
式中，e(t)＝Fx(切向力)；μ(t)＝δ(补偿量)；
kp——比例系数
ki——积分系数
kd——微分系数
将补偿量输入下位计算机，下位计算机根据式(2)、式(3)计算全局坐标系中的补偿量
Figure FDA0003065103540000041
并补偿量写入从而完成对理论轨迹线的修正；
Figure FDA0003065103540000042
Figure FDA0003065103540000043
本步骤中：R3×3为喉块与柔板搭接处的局部坐标系与全局坐标系之间的坐标变换矩阵；Δx为全局坐标系下x向补偿量；Δy为全局坐标系下y向补偿量；Δθ为全局坐标系下绕z轴转角θ补偿量；
q′11：喉块第一组执行器补偿后驱动量；
q′21：喉块第二组执行器补偿后驱动量；
q′31：喉块第三组执行器补偿后驱动量。
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