CN110568869A - 一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于数据处理领域，特别涉及一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法。通过采集测控系统实现探针自动跟踪测试，所述采集测控系统包括：探针自动跟踪系统、数据采集系统以及数据处理系统，所述探针自动跟踪系统包括差压变送器，包括：步骤一：设定探针的采集阈值；步骤二：通过探针自动跟踪系统对所述探针的测量位置进行调整；步骤三：设定所述探针自动跟踪系统的控制阈值；步骤四：进行试验，通过数据采集系统进行数据采集，并通过数据处理系统进行数据处理。本申请的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，可以实现采集数据的自诊断、自控制、和试验测量数据的优化和数据处理，提升流场测量参数的准确度。

Description

一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法

技术领域

本申请属于数据处理领域，特别涉及一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法。

背景技术

风洞是进行空气动力学研究与飞行器研制最基本的试验设备，探针测控系统是平面叶栅试验器重要的测量装置之一，其可以实现控制、测量和数据处理同步进行。在平面叶栅试验中，由于探针测量设备简单、对环境要求低、价格低廉，因此探针在叶栅流场测量中发挥着重要作用，试验中探针的控制通常通过探针自动跟踪测量装置来实现，对叶栅进、出口流场参数采用非对向和自动对向的数据处理技术。

探针自动跟踪测量装置是典型的负反馈控制模式，然而探针自动跟踪测量装置缺少智能诊断环节，在测量流动气体的参数和数据处理过程中，由于传统探针录取的数据不具备测试性和能控性，因此传统意义上的探针自动跟踪测量装置难以实现流场测量数据的诊断和机构的同步控制。

在数据处理方法上，探针在流场测量过程中具有一定幅度的波动，由于受探针波动的影响，直行程电机拖动探针沿栅距(或沿叶高)位移速度受限，只能采用时间积分求平均的数据处理方法，数据处理过程时间长，加大了试验周期和成本；同时在测量流场气体的参数和数据处理过程中，因系统灵敏度不能自动调节，在高马赫数工况下，例如在高马赫数时探针角度波动幅度达到±1.5°，在复杂流场中由于信号强探针波动的幅度会更大，探针甚至达到±2°的波动，对于非对向采用的质量流量平均和掺混均匀数据处理方法是不适合的，原因在于非对向的角度误差在±0.5°范围内，而完全靠硬件控制的探针自动跟踪测量装置角度控制误差大于±0.5°范围，必然导致在有些数据处理方法上受到限制，具有局限性，对试验过程中因控制系统灵敏度不能自动调节而产生的粗大数据也一同进入气动参数计算，影响叶栅流动气体参数测量的精度；由于其控制模式没有使用步进控制方法，或步进控制模式下在某个位置点采集一组数据进入气动参数计算，不便开展新型数据处理方法的应用，有很大的局限性。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，通过采集测控系统实现探针自动跟踪测试，所述采集测控系统包括：探针自动跟踪系统、数据采集系统以及数据处理系统，所述探针自动跟踪系统包括差压变送器，包括：

步骤一：设定探针的采集阈值；

步骤二：通过探针自动跟踪系统对所述探针的测量位置进行调整；

步骤三：设定所述探针自动跟踪系统的控制阈值；

步骤四：进行试验，通过数据采集系统进行数据采集，并通过数据处理系统进行数据处理。

可选地，步骤一中，所述探针的采集阈值为探针与气流方向的夹角不大于±0.5°或探针的方向测孔的压力差值不大于220Pa。

可选地，所述探针自动跟踪系统的控制阈值小于所述探针的采集阈值。

可选地，步骤三中，所述探针自动跟踪系统的控制阈值为探针与气流方向的夹角不大于±0.3°或所述探针自动跟踪系统的差压变送器的压力差值不大于±150Pa。

可选地，步骤四中，所述通过数据处理系统进行数据处理的过程包括：

S41：获取数据采集系统的单点测试数据，判定所述单点测试数据是否合格，若合格，则开始自动进行数据计算；

S42：判定所述单点测试数据采集是否完成，若完成，发送下一步移位指令和步长，重新返回S41，直至完成整个栅距数据采集和计算后，输出计算结果。

可选地，步骤S41中，所述单点测试数据合格的判定条件为：所述采集测控系统检测到所述探针到达位置在所述探针自动跟踪系统的控制阈值范围内，且流场马赫数和所述探针的方向测孔的压力差值均满足检测要求。

可选地，所述探针自动跟踪系统还包括位移控制计算机、可编程控制器以及伺服驱动器，所述可编程控制器接收所述位移控制计算机的指令后对所述伺服驱动器进行控制，所述伺服驱动器拖动所述探针完成自动跟踪气流并输出角位移量。

可选地，所述数据采集系统包括参数采集计算机、PSI9010和DSA3217压力扫描阀、VXI参数采集系统。

可选地，所述探针的头部为楔型，包括两个楔面，两个所述楔面上各有一个垂直于楔面的方向测孔，用于感受气流压力差值的变化。

可选地，所述探针为超跨音速五孔尖劈探针。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，可以实现采集数据的自诊断、自控制、以及试验测量数据的优化和数据处理，提升流场测量参数的准确度。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的流程图；

图2是本申请一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的采集测控系统示意图；

图3是本申请一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的位移控制系统示意图；

图4是本申请一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的探针示意图；

图5是本申请另一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的探针示意图；

图6是本申请一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的插值后的探针标定曲线；

图7是本申请另一个实施方式的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法的采集流程图。

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。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图7对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，通过采集测控系统实现探针自动跟踪测试，该采集测控系统包括：探针自动跟踪系统、数据采集系统以及数据处理系统，探针自动跟踪系统包括差压变送器，包括：

步骤一：设定探针的采集阈值；

步骤二：通过探针自动跟踪系统对所述探针的测量位置进行调整；

步骤三：设定所述探针自动跟踪系统的控制阈值；

步骤四：进行试验，通过数据采集系统进行数据采集，并通过数据处理系统进行数据处理。

具体的，本申请中采用控制、测量和数据处理同步进行的采集测控系统，该系统包括探针自动跟踪系统、数据采集系统以及数据处理系统。在本申请的一个实施方式中，探针自动跟踪系统包括受感部(压力测量探针)、位移控制计算机、差压变送器、压力变送器、位移机构、伺服控制器、可编程控制器及PLC采集模块。数据采集系统包括参数采集计算机、PSI9010和DSA3217压力扫描阀、VXI参数采集系统。数据处理系统包括性能计算机。本实施例中，探针自动跟踪系统的可编程控制器通过RS-485与位移控制计算机和伺服驱动器连接，进行指令通讯和数据传输，伺服驱动器控制伺服电机拖动探针产生旋转和位移量的变化，探针的角度测量是通过伺服电机角位移编码器来实现的。可编程控制器通过RS-422通信接口读取伺服电机角位移编码器数值，然后角度测量结果分为两个通道，一个通道是通过可编程控制器的D/A模块输出模拟量至VXI参数采集系统，然后传输给性能计算机，这个通道响应速度较快，主要用于探针控制的角度反馈；另一个通道是通过可编程控制器的通讯口直接进入位移控制计算机，再通过局域网传给参数采集计算机，用于角度记录和性能参数计算。

在本申请的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法中，数据处理系统的性能计算机的主要作用是用于进行数据处理，并完成与可编程控制器和参数采集计算机之间的指令和数据交换。可编程控制器接受位移控制计算机指令后对栅前位移机构进行控制，通过伺服驱动器拖动栅前探针(或栅后探针)完成自动跟踪气流并输出角位移量，协同完成平面叶栅测量采集工作。可编程控制器是探针自动跟踪系统的核心控件，伺服驱动器是探针的驱动装置。

在本申请的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法中，探针与气流角度变化感受方向测孔的压力差值主要用于判断并控制探针与气流方向对正程度，差压信号分别进入两个通道，一个通道是通过PSI9010或DSA3217压力扫描阀然后通过以太网传输给性能计算机，另一个通道是差压变送器，差压变送器将信号传输给可编程控制器的A/D模块，然后通过通讯接口进入位移控制计算机，这个通道主要用于探针自动跟踪系统跟踪气流角度。

在本申请的一个实施方式中，探针自动对准气流含义如图4所示，探针的头部为楔型，包括两个楔面，两个楔面上各有一个垂直于楔面的方向测孔，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(或二者差值在阈值范围内)，探针自动跟踪系统的工作就是在探针测量过程中，控制探针并保证P1＝P3(或二者差值在阈值范围内)，探针在各个测量点位置上，探针的轴线始终对准气流(忽略加工误差)。

在本申请的另一个实施方式中，通过超跨音速五孔尖劈探针进行测量，如图5所示。探针的测俯仰角必须保证方向测孔在铅垂面上，其中，P1、P3为探针铅垂面方向测孔的压力值，P2为探针总压测孔的压力值，P4、P5为探针管测静压。可以理解的是，自动对向所使用的探针总压测孔在探针旋转的轴线上，这样探针无论如何旋转，总压孔都不会偏离测量截面。

图6给出了超跨音速五孔尖劈探针在±0.9°范围内(7个马赫数下)标定的数据曲线，横轴为该尖劈探针与气流方向的夹角，纵轴是五孔尖劈探针的方向测孔的压力差值。从图中可以看出探针与气流夹角在0.3～0.9马赫数之间同尖劈探针的方向测孔的压力差值有对应的相互关系。根据非对向测试方法对探针测量精度要求为探针与气流方向的夹角不大于±0.5°或探针方向测孔的压力差值不大于220Pa，且探针稳定就可以采用非对向的数据处理方法。如果能在探针自动跟踪气流过程中能检测到尖劈探针的方向测孔的压力差值，且能对检测到尖劈探针的方向测孔的压力差值进行控制，在探针不偏离气流±0.5°，且在检测允许阈值范围内探针不波动，那么在探针自动跟踪测量过程中，可以采用非对向数据处理技术(与气流输入夹角默认为0°)。通过采集测控系统，探针方向测孔的压力差值是可以测量的，根据插值后的探针标定曲线，探针的方向测孔的压力差值的大小与气流偏角和马赫数有相互对应的关系，因此具有能检测性。由性能计算机完成超跨音速五孔尖劈探针的方向测孔的压力差值数据诊断、数据检索和处理及流程控制管理的相关工作设计特性，能起到调节测量精度的目标。根据标定的探针曲线(探针与气流夹角和探针的方向测孔的压力差值)，设定探针采集精度的阈值，从而实现探针自动跟踪测试精度的控制方法。通过采集测控系统实现同步采集和控制，达到系统的智能化水平，并优化各个控制环节，提高系统的稳定性、控制精度和响应速度。

本申请中，探针自动跟踪系统是采用负反馈系统，探针在流场测量工作过程中，差压信号绝对值增大，说明探针角度与实际气流偏离角度增大，差压信号绝对值减小，说明偏离角度减小。探针自动跟踪系统根据差压变送器输出来判断探针与实际气流方向偏离的角度，控制伺服驱动器旋转探针，以减小差压变送器输出的绝对值。为提高系统响应速度和稳定性，避免出现过大的超调量，在被控信号小于设定的阈值范围内，控制探针停止旋转，并采集伺服电机角位移编码器的输出值和探针的压力值。

本申请的探针自动跟踪系统是开发的智能化控制系统，控制精度是衡量自动控制系统技术水平的重要尺度，探针自动跟踪系统的稳定性与所选的差压变送器的特性、试验环境、控制系统的抗干扰特性及流场品质等均有关，且系统的灵敏度与差压变送器的量程也有关，本系统所选的差压变送器量程是±10KPa，输出标准4～20MA电流信号，对选择不同量程的差压变送器，控制模拟信号的阈值应作相应的调整。

本申请的一个实施方式中，提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法具体步骤包括：

步骤一：首先要使采集测控系统具有测试性的功能。通过设定探针的自动跟踪测试精度(采集阈值)，使探针所测量的角度和总压的数据能够检测出可用数据，让进入性能计算机的数据具有能检测性。本实施例中，探针的采集阈值为探针与气流方向的夹角不大于±0.5°或探针的方向测孔的压力差值不大于220Pa。

步骤二：对于不符合探针测量位置的数据，通过探针自动跟踪系统的控制，对探针的测量位置能自动调整，使能检测到的探针测量信号符合数据采集的要求，即采集测控系统具备能控性，可避免对向控制过程中出现过大的超调量进入计算链，影响到测量精度。

步骤三：为了提高响应速度的特性和跟随特性，根据平面叶栅测量角度要求，模型区内各测点的局部气流偏角达到合格指标，因此要求探针在自动跟踪气流过程中不能有过大的波动，即探针自动跟踪系统控制精度设定为探针与气流方向的夹角不大于±0.3°。依据图6探针标定曲线，±0.3°气流偏角对应的探针自动跟踪系统的差压变送器的压力差值为±150Pa，考虑超调量和电磁干扰信号的影响，探针自动跟踪系统的控制阈值的设定上要考虑绝对值小于探针的采集阈值，其主要作用是保证探针角度控制精度，在不出现过大的超调量控制中，便于及时进行探针能控性的调整。本实施例中，探针自动跟踪系统的不灵敏区设定为差压变送器的电流不大于±40μA或压力差值不大于±50Pa。

步骤四：在满足步骤三中探针自动跟踪系统的控制阈值的情况下，由性能计算机进行诊断并录取测量数据及数据处理，以解决探针波动对流场干扰和对测量数据的影响，提高系统测量的稳定性。在本步骤中，性能计算机数据处理的过程包括：S41：获取数据采集系统的单点测试数据，判定单点测试数据是否合格，若合格，则开始自动进行数据计算；S42：判定单点测试数据采集是否完成，若完成，发送下一步移位指令和步长，重新返回S41，直至完成整个栅距数据采集和计算后，输出计算结果。单点测试数据合格的判定条件为：采集测控系统检测到探针到达位置在探针自动跟踪系统的控制阈值范围内，且流场马赫数和所述探针的方向测孔的压力差值均满足检测要求。

根据上述步骤一至步骤三对采集测控系统进行设置之后，通过采集测控系统进行平面叶栅试验。本申请的一个实施方式的采集流程如图7所示，流程图中P1*为进口总压，PS为壁面静压，P1、P3为方向测孔的压力值，P1*和PS用于计算马赫数M。

本申请的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，是在考虑了动态响应、稳态特性、测量精度和试验成本前提下，并通过软件设定灵敏阈值和进入性能计算的采集阈值，并在灵敏阈值范围内锁定电机，并通过软件对采集阈值进行诊断，合格后进行采集，采集数据处理后发送下一步指令，实现采集测控系统对探针测量数据自诊断、自控制和智能化数据处理的过程，以提高探针自动跟踪系统的控制精度和提高测量气动参数的精度，让探针在位置随动控制和测量过程中，通过这种提高探针自动跟踪测试精度的控制方法，解决探针自动跟踪系统网络化测试精度的调节作用。

本申请的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，是对探针在跟踪气流测量过程中进行控制、采集、检索和数据处理的一种管理模式。制定这种数据智能化处理管理模式有助于提高和控制测试流场气动参数的精度，可以实现采集数据的自诊断、自控制、和试验测量数据的优化和数据处理，提升流场测量参数的准确度。该方法包括对测量数据合格的定义、判定的准则，控制参数的界定、测试数据的优化和处理，不但提高了自动对向测量叶栅气动参数的准确度，还提高了试验测量的效率，同时对测量位移机构进行管理和控制，解决了探针跟踪过程中个别超调导致的粗大数据进入性能计算，影响到测量流场气动参数的精确度。

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 (10)

1.一种提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，通过采集测控系统实现探针自动跟踪测试，所述采集测控系统包括：探针自动跟踪系统、数据采集系统以及数据处理系统，所述探针自动跟踪系统包括差压变送器，其特征在于，包括：

步骤一：设定探针的采集阈值；

步骤二：通过探针自动跟踪系统对所述探针的测量位置进行调整；

步骤三：设定所述探针自动跟踪系统的控制阈值；

步骤四：进行试验，通过数据采集系统进行数据采集，并通过数据处理系统进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，步骤一中，所述探针的采集阈值为探针与气流方向的夹角不大于±0.5°或探针的方向测孔的压力差值不大于220Pa。

3.根据权利要求2所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，所述探针自动跟踪系统的控制阈值小于所述探针的采集阈值。

4.根据权利要求3所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，步骤三中，所述探针自动跟踪系统的控制阈值为探针与气流方向的夹角不大于±0.3°或所述探针自动跟踪系统的差压变送器的压力差值不大于±150Pa。

5.根据权利要求4所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，步骤四中，所述通过数据处理系统进行数据处理的过程包括：

S41：获取数据采集系统的单点测试数据，判定所述单点测试数据是否合格，若合格，则开始自动进行数据计算；

S42：判定所述单点测试数据采集是否完成，若完成，发送下一步移位指令和步长，重新返回S41，直至完成整个栅距数据采集和计算后，输出计算结果。

6.根据权利要求5所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，步骤S41中，所述单点测试数据合格的判定条件为：所述采集测控系统检测到所述探针到达位置在所述探针自动跟踪系统的控制阈值范围内，且流场马赫数和所述探针的方向测孔的压力差值均满足检测要求。

7.根据权利要求1所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，所述探针自动跟踪系统还包括位移控制计算机、可编程控制器以及伺服驱动器，所述可编程控制器接收所述位移控制计算机的指令后对所述伺服驱动器进行控制，所述伺服驱动器拖动所述探针完成自动跟踪气流并输出角位移量。

8.根据权利要求7所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，所述数据采集系统包括参数采集计算机、PSI9010和DSA3217压力扫描阀、VXI参数采集系统。

9.根据权利要求1所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，所述探针的头部为楔型，包括两个楔面，两个所述楔面上各有一个垂直于楔面的方向测孔，用于感受气流压力差值的变化。

10.根据权利要求1所述的提高控制探针自动跟踪测试精度的控制方法，其特征在于，所述探针为超跨音速五孔尖劈探针。