CN110441027B - 一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法，所述修正方法包括：把具有第一探针和第二探针的复合探针放置在未知流场中，获取第二探针中的P1、P3和P2的压力参数；根据压力参数P₁‑P₃在某个时段的平均值是否大于设定的阈值，判定是否计算偏移量K_β；若平均值大于设定的阈值，则计算偏移量K_β；根据偏移量K_β与气流角的关系判断修正量的趋势，所述趋势包括递增或递减，求解未知零点基准值修正量直到监测到压力参数P₁‑P₃在某个时段的平均值回到设定的阈值范围内使得‑γ≤K_β≤γ，完成探针平衡点得到修复，若偏移量K_β大于|γ|，则继续递增或递减，直至‑γ≤K_β≤γ，其中，γ为平衡点偏移的最小设定范围。本申请可以实现平衡点自动跟踪和补偿。

Description

一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法

技术领域

本申请属于探针测量技术领域，特别涉及一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法。

背景技术

零点漂移是指在直接耦合放大电路中，当输入端无信号时，输出端的电压偏离初始值而上下漂动的现象。对于探针自动跟踪系统，在有控制信号输入时，控制电机就转动；没有控制信号，控制电机就停止，假如在没有控制信号输入时，电机发生了转动，那么控制系统就产生零点漂移。零点漂移产生的原因是受温度变化和环境电压不稳定等原因造成的。

压力变送器由于温度变化或其它原因会导致压力变送器检测的基准零点发生变化，偏离零点的位置，进而产生压力变送器的零点漂移。

探针自动跟踪系统，它是由受感部(压力探针)、压力变送器、信号处理系统、伺服系统和位移机构组成，其性质是负反馈控制系统；探针自动跟踪系统的执行元件是交流伺服电机，由它驱动位移机构拖动探针测量；测量装置包含压力探针、压力变送器和模拟量采集模块；压力探针是用于感受流场信息和引压的作用，对自动对向用的压力探针是有严格要求的，在结构上要求压力探针头部在探针的旋转轴线上(见图1)，这样就能保证探针在对向测量过程中，无论探针如何旋转，压力探针测点都不会偏离测量截面；探针自动跟踪系统的被控量是探针方向测孔的压差信号与基准零点值的差值，当探针方向测孔的压差信号大于基准零点值时，探针自动跟踪系统让伺服电机旋转拖动探针向探针方向测孔的压差信号小基准零点值的方向发展，反之亦然，构成负反馈控制逻辑关系。

由于探针自动跟踪系统是由压力变送器和仪表等部件组成，传统的仪表中元件受温度及电源波动等因素的影响，都会产生零点的漂移和满量程的改变，而在探针自动跟踪控制系统中，差压变送器是感受探针方向测孔压力变化的电子元件，其本身就存在着温漂和时漂，这种温漂和时漂，会导致差压变送器在静态工作时采集测量值与差压变送器基准零点值有个偏差，当偏差超出不灵敏区范围后，系统打破了原有的平衡，造成拖动探针的电机转动，在有气流的作用下产生了新的平衡，这种产生了新的平衡物理现象是在有气流作用下产生探针偏头对向，如图2所示。图2是探针感受气流压力下的系统零点不漂移的工作状态，系统的被控量是差压变送器模拟信号与零点基准信号的比较差值，当差压变送器没漂移时，探针控制的平衡点就是零点基准信号值，其物理现象就是探针气动轴线和气流一致，被控量并在零点基准信号值左右有个小幅波动；图3是探针感受气流压力下的系统零点漂移的工作状态，当差压变送器产生漂移时，探针在气流作用下系统控制的平衡点发生了改变，既偏离了零点基准信号值，平衡点的改变量就是就是差压变送器产生的漂移量与零点基准信号的和。假如在没有气流作用下，因漂移产生的物理现象就是控制电机发生转动，转动的方向取决与漂移向大还是向小，因此无法建立平衡点；在有气流作用下，控制系统在漂移的基础上建立了新的平衡点，其物理现象如图3所示，探针的轴线与气流方向会有个夹角，导至探针在测量过程中偏头对向，这个物理现象会影响到探针测量流体的精度。

传统的探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法是靠硬件电路实现的，其工作原理如图4所示，Et为探针方向测孔引入差压变送器输出的模拟电压信号，差压传感器模拟信号输出与电位差计串接，通过电子电位差计检测差压变送器的零点值，再换成测量档，将抵消差压传感器零点的电信号送入伺服放大器，此时送入放大器的电压信号为零，因为没有控制信号(输入信号为零)，可逆电机是停止转动的；当差压传感器产生零点漂移时，送入放大器的电压信号不为零，会有个漂移电压信号，一但漂移电压超出放大器的不敏感区间，可逆电机就会产生转动，会产生探针不平衡现象，转动的方向与放大器输入信号的极性有关，在有气流作用下，建立了一个新的平衡点，但这个平衡点会导致探针偏离气流的角度，为了修正这个角度，就需要用电位差计测量差压传感器漂移后的零点值，通过电位差计重新抵消掉漂移量，并将新调整抵消差压传感器零点的电信号送入伺服放大器中，以恢复正确的平衡点，达到探针对准气流的目地。

干扰现象经常会在使用现场中发生，由于电磁场、漏电流、接地的处理和其它因素的影响，在放大器的输入输出端会出现一个附加的信号，而这个信号并不是我们所需要的工作信号，它的出现对放大器的正常工作起到干扰作用。图5是传统自动对向装置控制框图，从图5自动对向装置控制框图原理分析，通过电位差计虽能检测到零点的漂移，并能抵消掉零点的漂移量，但在流场测量过程中何时产生漂移系统不能自动检测，缺少智能控制，而在流场测量控制过程中是不能够调节的，测量精度不受控，会直接影响系统测量和品质指标。

上述的探针自动对向测量技术方案中，存在一定技术缺陷：

a)系统不能随时自动检测零点的漂移量，不具备实时检测性的功能，因此不能及时发现探针平衡偏移，造成测量探针偏头对向，增大了测量的误差；

b)控制系统零点漂移量的修正，是靠人的经验直觉，通过人工反复调整电位差计旋钮，来达到探针自动对向系统平衡点的修正，缺少智能控制的手段，而且操作非常不方便；

c)传统的探针自动对向测量技术方案零点的修正和补偿是靠硬件电路实现的，且系统中传感器和放大器在测量过程中受温度或其它因素的影响，仍然会出现零点的漂移，测量运行控制过程中零点漂移量补偿无法在硬件电路测量过程中实现，对系统零点漂移缺少能控性；

d)随着发动机向高负荷低展弦比的发展，流场越来越复杂，流场精细化测量需要对所有影响测量进行监控，人工修正系统零点的漂移的方法无法满足现代测量技术的要求。

发明内容

本申请的目的是提供了一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法，所述修正方法包括

把具有第一探针和第二探针的复合探针放置在未知流场中，获取第二探针中的P1、P3和P2的压力参数；

根据压力参数P₁-P₃在某个时段的平均值是否大于设定的阈值，判定是否计算偏移量K_β；

若平均值大于设定的阈值，则计算偏移量K_β，若平均值不大于设定的阈值，则不计算偏移量K_β；

根据偏移量K_β与气流角的关系判断修正量的趋势，所述趋势包括递增或递减，求解未知零点基准值修正量直到监测到压力参数P₁-P₃在某个时段的平均值回到设定的阈值范围内使得-γ≤K_β≤γ，完成探针平衡点得到修复，若偏移量K_β大于|γ|，则继续递增或递减，直至-γ≤K_β≤γ，其中，γ为平衡点偏移的最小设定范围。

在本申请中，未知零点基准值修正量采用微量递进逼近的方法求解。

在本申请中，所述平衡点偏移的最小设定范围γ不大于0.001。

另外，申请中提供了一种探针自动跟踪控制系统，所述探针自动跟踪控制系统包括：

具有第一探针和第二探针的复合探针；

差压变送器；

信号处理系统；

伺服系统；

位移机构；以及

可编程控制模块，所述可编程控制模块用于执行如上任一所述的控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法的步骤。

与原有的系统相比，本申请具有自动调节功能，在测量过程中能够识别零点漂移产生系统平衡点的偏移并能够自动修正，因此具有测试性、能检测性和能控性，具有智能控制设备和软件相融合的特点，探针自动对向系统稳定性、跟踪特性和较高的控制精度，提高了气动参数测量的准确度，其位移步进控制方式可适应更宽广范围内的数据处理方法的应用，缩短了试验时间，节约了试验成本和探针校准标定的费用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为五孔尖劈探针结构形式图。

图2为探针感受气流压力下的零点不漂移的平衡点工作状态图。

图3为探针感受气流压力下的零点漂移的平衡点工作状态图。

图4为自动跟踪系统零点漂移的硬件原理图。

图5为传统自动对向装置控制框图。

图6为本申请中的探针自动跟踪系统工作原理图。

图7为本申请中的探针自动跟踪系统工作框图。

图8为本申请中的探针方向测孔示意图。

图9为本申请中的复合探针头部结构形式图。

图10a为探针插值计算方向特性曲线。

图10b为探针插值计算总压特性曲线。

图10c为探针插值计算方向特性曲线局部放大图。

图10d为探针插值计算速度特性曲线。

图11为探针零点自动补偿原理图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了提高测试系统测量数据的稳定性和准确度，解决自动对向过程中因系统零点漂移产生平衡点偏移和自动补偿，消除零点漂移带来的测量影响，解决探针自动跟踪系统零点漂移的修正技术问题，本申请中首先对原系统在硬件电路进行了更新，更新后的原理图见6。

该系统由探针、压力变送器、伺服电机、角位移编码器、伺服驱动器、通讯模块、电流采集和输出模块、外围电器元件、PLC(可编程控制器)和一台工控机组成。为减少控制系统中的漂移环节，采用了PLC(可编成控制器)替换放大器和调零装置，利用交流伺服驱动器的脉宽调制(PWM)技术和交流伺服驱动器位控模式，通过脉冲序列位置指令来控制机械的位置，通过PLC输出的脉冲数来控制位置，以输入脉冲的频率来控制速度。

为消除零点漂移带来的影响，使系统具有能实时检测到零点漂移量的功能，且能在探针位置随动中对零点漂移导致的平衡点偏移进行修正，根据可编程控制技术和探针校准技术，通过软件方法来检测系统零点的漂移量来实现基准值的自动修正，并保持探针自动平衡点不发生偏离的方法，这种对系统的零点能够进行修正基准值的方法，不是靠传统的硬件电路实现的，而是依靠网络技术和软件编程实现的，因此具有能检测性、能控性和实时性的设计特性。

探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法要解决是系统对零点漂移具备能自动检测性和实时监测的功能；同时系统对零点漂移导致的偏头对向能够自动纠偏的功能，使系统对平衡点的偏移具备能控性；其次探针自动跟踪系统要解决零点基准值的自动补偿。

零点漂移的修正方法关键在于在跟踪气流过程中如何识别系统零点的漂移，跟踪气流时能够检测到系统零点的漂移，并能进行实时处理，以及对漂移产生的新平衡点能够进行修复的过程，从而降低系统零点漂移对测量精度的影响。

参见图7所示，改进后的探针自动跟踪控制系统，从硬件构成上考虑了尽量减少易受温度和环境电压影响的仪表和部件，增加PLC(可编程控制器)做为位移控制系统的核心控件，建立了PLC自动调零装置的硬件模式，从而实现软硬件相融和的控制手段。改进后的控制系统，它由压力测量探针、差压变送器、信号处理系统、伺服系统和位移机构组成，由于伺服系统选择位控模式，减少了零点漂移的环节，使系统零点漂移主要集中在差压变送器上，对零点漂移产生的偏头对向易于修复。自动对向测量的过程，是通过PLC与上位机进行指令和数据交换，并接受上位机指令后对栅前、栅后伺服驱动器进行控制，完成对栅前或栅后探针的自动对向控制，并输出角位移量，完成平面叶栅测量采集工作，从而实现网络智能化和自动化程度。

探针对准气流含义如图8示，探针1的头部为楔型，两个楔面上各有一个垂直于楔面的方向测孔12，用于感受气流压差的变化。如果探针对准气流，则两个方向测孔所感受的压力相等，即P1＝P3。此时差压变送器的平衡点既是差压变送器基准零点值，在探针测量过程中，自动跟踪控制系统如果能保证P1＝P3，探针在各个测量点位置上，探针的气动轴线11始终对准气流。由于系统是电子元器件构成的，仪表本身存在温漂和时漂，一但系统产生了漂移量，传感器的零点和满量程均有所改变，其中满量程的改变会影响到系统不敏感区(灵敏度)，由于漂移量的量级小，对系统的不敏感区影响甚微，其影响可忽略不计；但传感器的零点漂移对系统影响很大，这种漂移导致传感器的零点与零点的基准值有个偏差信号，这个偏差信号输入到探针自动跟踪系统，在流场气流作用下，建立一个新的自动平衡点，其现象就是探针轴线与气流有个偏角，既偏头对向，如图3所示，偏头大小与漂移量有关。根据要解决的技术问题是探针自动跟踪系统零点漂移的检测和零点基准值的自动补偿。需要建立一种新型的控制模式，通过软件方法和探针动态平衡点的测量，利用探针标定曲线做为判别准则，实现对系统零点漂移检测和零点基准值的自动修正；通过对零点基准值进行自动修正，从而有效修复平衡点偏移，提高探针自动对向测量数据的稳定性，提高了流场测量参数的准确度。

探针自动跟踪系统零点漂移的控制就是如何将系统零点的漂移量检测出来，系统零点的漂移量包含差压变送器零点的漂移、伺服驱动器的漂移和电磁干扰带来的信号偏移量。根据探针自动跟踪气流过程中零点漂移产生的偏头对向的物理特征，探针的偏头对向可以通过尖劈探针方向测孔压差信号检测出来。探针偏离气流方向的大小，依据探针的校准技术也能进行识别。探针偏离气流方向的实质是差压变送器零点发生了漂移，这个漂移量输入到控制系统，导致探针偏离了气流方向。由于差压变送器做为一个仪表，它的特性是固定的，其产生的漂移过程本身不能自动补偿(特殊传感器除外)，更不能私自改变其结构从而影响测量精度，本申请中通过零点基准值的修正，抵消差压变送器零点的漂移量，使输入控制系统的控制量为零，实现探针偏头修正。探针偏头大小依据探针标定曲线能够识别，图9是复合探针的结构形式，它将两个探头A和B组合在一起，其中A由

材料为1Cr18Ni9Ti的三个管组成尖劈楔形体，尖劈楔型体左、右管头部在相反方向切成45°角的斜面，A1和A3用于测量方向，中间管截面与管壁垂直，A2用于测量总压。复合探针设计四个静压孔距探针头13倍的位置，B4、B5、B6和B7通过一根引压管引出，以避免激波引起压力测量误差。静压探头与总压探头相距16mm，可同时测量气流总压和静压。它与五孔楔形探针相比，有一个显著不同特点，就是有一根独立的静压探头，可以提高跨音速区流场静压的测量精度，与五孔尖劈探针一样均用在测量气流角在±15°范围内的二维流场，均可采用自动对向和非对向技术进行测量。

探针在标定过程中，包括标定风洞的总温、总压、静压，及复合探针测量到的P₁、P₂、P₃和Ps(B4、B5、B6、B7)四个压力。通过校准试验，每根探针都可得到方向特性、总压特性和速度特性三条校准曲线，常见的探针的校准曲线的基本原理都相同。根据探针校准数据，下面就介绍一组校准系数，其中P^*和P_S是校准风洞中的总压和静压，P₁、P₂、P₃分别是被校准探针A1、A2、A3孔测得压力，其中P₂为探针中间孔压力，P₁、P₃为探针两侧方向孔压力。

方向特性：

总压特性：

速度特性：

相应的校准曲线如图10a至图10d所示，方向特性曲线见图10a，总压特性曲线见10b，速度特性曲线见图10d，从特性曲线中可以看到，总压特性曲线在±10°范围内变化比较平缓，探针与气流偏角在±0.3°范围内对测量总压影响不大；方向特性曲线在整个角度范围标定基本程线性变化，且有一定的斜率，通过K_β的计算值是可以判断探针偏离方向和大小的，其局部放大图见图10c。系统要求探针跟踪气流偏角控制在±0.3°范围内，从图10c中可查出，K_β运行区间＜±0.1。从理论上分析K_β一旦大于设定的判定值，且能相对稳定一段时间就可认为平衡点产生了偏移。从图10d中速度特性曲线可见，速度特性受气流马赫数影响较大，在马赫数小于0.3时，可不考虑它的影响。当马赫数大于0.3，可采用

或

校准曲线见图10d。

根据尖劈探针校准压力系数

式中K_β为俯仰角校准压力系数，反映β角的无因次量，当K_β＝0，尖劈探针轴线与气流一致时；当K_β≠0，从标定的方向特性曲线可知，尖劈探针气动轴线与气流方向会有一定的偏角，偏离方向取决于K_β的极性，偏角的大小取决与K_β值。由于在探针跟踪气流过程中，当K_β在某个时段大于设定的阈值某个点运行，就可认为在探针自动跟踪气流过程中零点漂移会导至系统平衡点的偏移，即平衡点K_β≠0，即P₁-P₃≠0，平衡点的漂移的角度变化通过K_β可以计算出来的，这样就可以制定探针自动跟踪系统零点智能补偿控制方案，即通过系统平衡点的检测(P₁-P₃≤δ、模式判别(设定K_β控制范围)、基准值修正后再将修正的零点基准值放入特定的寄存器中，来抵消系统零点漂移量，使系统平衡点回到零点的某个锁定的区间，来解决系统零点漂移难题。

根据上面所述技术方案，本系统采用软件修正基准值的方法，通过探针校准技术的理论来鉴别探针跟踪系统零点是否发生了漂移，并通过PLC信号调零处理系统来实现平衡点自动跟踪和补偿。以消除系统零点漂移产生的平衡点的偏移，以保证探针校准状态下轴线与气流在允许的误差范围内。通过平衡点测量、模式判别、基准值修正，来解决系统零点漂移难题，从而有效提高自动对向过程中平衡点偏离的调整，提高测量数据的稳定性；为减少控制环节中的漂移环节，伺服系统采用位置控制方式，在探针随动控制过程中，对系统平衡点实时采集测量、检索与基准值的修正，这种创建的探针自动跟踪系统平衡点修正模式，可以实现探针轴向偏离气流的自诊断、自修正、和提高测量数据自动优化的过程，不但将测试性应用在测控系统中，还提高了叶栅测量数据的准确度。从系统组成可知，本系统主要漂移量来自差压变送器和电磁干扰，通过检测出平衡点的偏移量(K_β平衡点偏离0值的大小)，并经过模式化判别法测算基准值修正的大小。首先把探针放置在未知流场中，测量上述P1、P3和P2三个压力参数，并计算上述的P₁-P₃在某个时段的平均值是否大于设定的阈值，在大于设定的阈值后计算K_β，利用K_β与气流角的关系判断修正量是递增还是递减，在求解未知零点基准值修正量上采用微量递进逼近的方法，直到监测P₁-P₃在某个时段的平均值回到设定的阈值范围内，此时-0.01≤K_β≤0.01，如果K_β大于0.01，则继续递增或递减，否则就是探针平衡点得到修复，并与原基准信号叠加后写入指定存储单元，这样就能自动纠正探针自动跟踪系统零点漂移带来的影响。探针对准气流，由性能计算机检测到P₁-P₃小于阈值后发送采集并计算出性能参数，接下来就可以采集性能数据，通过这种平衡点的偏移量测量、模式判别、基准值修正，解决了系统零点漂移的技术问题，提高了系统平衡的稳定性。探针自动跟踪系统零点自动补偿流程图见图11。图中γ为平衡点偏移的最小设定范围。

与原有的系统相比，本申请测控系统的调零装置具有自动调节功能，在测量过程中能够识别零点漂移产生系统平衡点的偏移并能够自动修正，因此具有测试性、能检测性和能控性，具有智能控制设备和软件相融合的特点，探针自动对向系统稳定性、跟踪特性和较高的控制精度，提高了气动参数测量的准确度，其位移步进控制方式可适应更宽广范围内的数据处理方法的应用，缩短了试验时间，节约了试验成本和探针校准标定的费用。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种控制探针自动跟踪系统零点漂移的修正方法，其特征在于，所述修正方法包括：

把具有第一探针和第二探针的复合探针放置在未知流场中，获取探针中测孔P1,P3和P2的压力参数及P1和P3孔接入差压变送器静态零点输出值，做为自动跟踪系统零点的基准值；

根据探针校准曲线

确定允许范围内校准区间的阈值γ的范围，判定是否对系统零点漂移量进行修正；

根据探针气流偏角与管测方向控压差关系，确定自动跟踪系统设定的控制阈值，其控制阈值确定的范围小于设定零点漂移修正阈值对应的角度；

若计算平均值大于设定的阈值γ，则对零点漂移量进行修正；若计算平均值不大于设定的阈值γ，则不进行修正。

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