CN111307399A - 一种列车风洞试验姿态微调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车风洞试验姿态微调方法，微调装置包括：与支座固定连接的下支撑板，与天平固定连接的上支撑板，连接在上支撑板与下支撑板之间的并联机构，所述并联机构包括六个线性驱动器；通过电控系统控制并联机构运动,同时调整天平的滚转量和俯仰量，再进行调整天平的位移量，完成对列车姿态的微调；利用本发明设计的微调装置进行列车姿态的调节，能够实现列车模型姿态位置参数实时监控，本发明的微调装置结构紧凑简单，易于使用维护，操纵精度高、安全可靠，装置体积小，承载力大，自锁，从而能安装与列车风洞试验模型内，对风洞流场没有干扰，试验数据更为可靠。

Description

一种列车风洞试验姿态微调方法

技术领域

本发明涉及风洞试验，具体涉及到一种列车风洞试验姿态微调方法。

背景技术

高速列车面临的空气动力学相关的主要问题有：节能与提速问题，与空气阻力相关；抗风安全运行问题，与空气横向力和力矩相关；车体表面强度问题，与空气压力相关；乘客舒适性问题，与空气压力和噪声相关；对周围环境的(噪声)影响问题，与空气噪声相关。风洞试验是高速列车空气动力学研究最常用和可靠的方法，一是风洞试验比实车测量更容易控制条件且成本相对较低、重复性好，二是风洞试验为数值仿真提供重要和可靠的参考依据，

高速列车的结构、外形要比汽车复杂得多，一般它至少是3车编组，有头车、尾车和中间车厢，还有车辆连接部、车底转向架、设备舱和列车顶部(包括进排气装置、整流罩及受电弓)等装置。高速列车在进行风洞试验时，列车试验模型的安装和姿态调整，对试验数据的精准度和试验效率影响十分大。

列车风洞试验是8米×6米风洞的一项重要试验，现在的列车模型支撑装置在调整列车模型的姿态和效率还存在下列问题：

(1)、支撑平台安装定位还不够精准；

(2)、调整列车模型姿态时，现支撑调整六分量参数精度不高，同时平台机构关联因素较多，调整一个方向参数影响到另一个方向参数量；

(3)、试验时天平的姿态偏差较大，试验数据准度不高；

(4)、人工调整，费时费力，安装调整模型时间与试验吹风时间占比很高。

发明内容

本发明的目的是提供种列车风洞试验姿态微调方法，解决在风洞试验模型安装时快速调整列车模型姿态，得到模型安装精度，在试验过程中监控列车模型姿态变化大小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种列车风洞试验姿态微调方法：

S1:首先将天平安装在车身空腔内，天平纵向中心线与车身纵向中心线平行；

S2:将安装有天平的车厢与支座连接；

在所述支座与天平之间设置微调装置，所述微调装置采用六自由度纯并联型并联机构，并联机构的输出端与天平和车身连接，

S3:根据参数需求由电控系统控制并联机构运动,同时调整天平的滚转量和俯仰量；

S4：通过电控系统控制并联机构运动，调整天平的位移量，完成对列车姿态的微调。

在上述技术方案中，所述微调装置包括：与支座固定连接的下支撑板，与天平固定连接的上支撑板，连接在上支撑板与下支撑板之间的并联机构，所述并联机构包括六个线性驱动器。

在上述技术方案中，所述线性驱动器的两端各自通过铰链结构连接到上支撑板和下支撑板上。

在上述技术方案中，线性驱动器在上支撑板与下支撑板之间以并列对称的方式均匀分布。

在上述技术方案中，改变所述天平的位置，当所述天平设置在支座与下支撑板之间，天平姿态不变，上支撑板与车身连接，微调装置调整车身的运动姿态。

在本发明中，对于微调装置的控制设计，采用电动缸驱动的方式来设计，整个装置采用全数字化控制，可以达到很高的位置控制精度和速度。因为本发明要求的负载大、工作空间小，同时要求具有较强的刚度和承载力，因此采用6-SPS型电机驱动纯并联机构。6-SPS型电机驱动纯并联机构主要由两个平台组成，一个是上平台也称动平台，另一个是下平台也称基座。两个平台由六条可伸缩或曲张的驱动器通过球铰链连接起来，驱动器即伸缩连杆采用电动缸闭环驱动。

该机构有18个运动副，其中自由度为1的运动副数目为6个，与上下平台联接的自由度为3的运动副数目各为6个，独立闭环数为5，局部自由度数目为6，因而此机构的自由度为F＝6×(1+3+3)－6×5－6＝6。

本方案所设计的六自由度运动机构所采用的机构原理如下图1所示，对于运动过程中的控制设计包括以下步骤：

A1:根据微调测试需求设计固连于上支撑板的运动坐标系OXYZ和固定于下支撑板的固定坐标系O′X′Y′Z′，将动坐标系相对于静坐标系的位置定义为广义坐标q，q的分量分别为qi(i＝1，2，……6)；

A2:定义q₁，q₂，q₃为动坐标原点O在静坐标系O′X′、O′Y′、O′Z′三个轴上的坐标，q₄，q₅，q₆为动坐标相对于静坐标系的三个姿态角，其中：

q₄是偏航角，动坐标系OX轴在X′O′Y′平面上的投影与O′X′夹角，

q₅是纵摇角，动坐标系OX轴与X′O′Y′平面的夹角，

q₆是横摇角，动坐标系XOZ平面与通过OX轴的铅垂面X′O′Y′之间的夹角；

A3:定义六个线性驱动器与上支撑板的连接点在动坐标系中的坐标为A_i(i＝1，2，……6)，计算出其在静坐标系中的坐标G_i(i＝1，2，……6)；必须进行一次欧拉角的转换，转换的顺序为：q₄、q₅、q₆，即先绕O′Z′转q₄，再绕新形成的O′Y₁′转q₅，最后绕新形成的O′X₁′转q₆。

A4：对六个坐标进行欧拉角转换，其转换矩阵为：

A5:由G＝T·A计算出新的坐标点G，新坐标与旧坐标之间的距离及为该点与下支撑板的铰链点的距离，即可计算出相应的线性驱动器的伸缩长度。

在上述技术方案中在所述A4中，欧拉角转换的顺序为：q₄、q₅、q₆，即先绕O′Z′转q₄，再绕新形成的O′Y₁′转q₅，最后绕新形成的O′X₁′转q₆。

本发明的组成由机械结构、电控系统和测控软件三部分组成，机械结构部分主要包括列车风洞试验姿态微调装置。列车风洞试验姿态微调装置由电动缸驱动，可进行横向(代表X向)、纵向(代表Y向)、垂向(代表Z向)三个方向的位移运动及滚转、俯仰、偏航三个角度的姿态运动，从而带动负载进行相应的模拟试验。

电控系统主要的作用是接收控制系统输出的指令数据，并将其传输给伺服驱动器，驱动器将信号放大后控制电机运动，进而带动电动缸运动，并最终使上台面实现各种姿态变化。电控部分包括控制模块、接口电路板、伺服驱动器、伺服电机、隔离变压器、输入输出滤波器、限位开关及相关电器元件等。

测控软件主要包括用户界面程序和伺服算法程序。用户界面程序可以接收用户的鼠标和键盘输入、设置工作的模式、运动的曲线类型等(正弦、定位)，使平台工作在所需的状态下。

本发明中的线性驱动器采用了位置环、速度环和电流环相结合的三环反馈的控制方法，在控制算法中采用了前馈的算法，使控制效果更平稳、更精确。采用复合控制PID调节实现各项性能指标要求，由电流反馈、编码器反馈构成的闭环；引入位置、速度、加速度构成的复合控制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

利用本发明设计的微调装置进行列车姿态的调节，能够实现列车模型姿态位置参数实时监控，本发明的微调装置结构紧凑简单，易于使用维护，操纵精度高、安全可靠，装置体积小，承载力大，自锁，从而能安装与列车风洞试验模型内，对风洞流场没有干扰，试验数据更为可靠。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是Stewart平台结构原理图；

图2是运动平台的坐标系；

图3是微调装置的结构示意图；

其中：1是过渡支座，2是下支撑板，3是线性驱动器，4是上支撑板，5是天平。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例中微调装置采用线性驱动器的方式进行控制方法的设计，本实施例所设计的六自由度运动机构所采用的Stewart平台机构机构原理如下图1所示，六自由度运动平台由电动缸驱动，可进行横向(代表X向)、纵向(代表Y向)、垂向(代表Z向)三个方向的位移运动及滚转、俯仰、偏航三个角度的姿态运动，从而带动负载进行相应的模拟试验，如图2所示。

如图3所示，是本实施例的机械结构包括：过渡支座1、下支撑板2、线性驱动器3、上支撑板4、天平5，其中直线驱动器3的两端分别通过铰链结构与上支撑板4和下支撑板2进行铰链。在上支撑板2与下支撑板3之间设置有六个线性驱动器3，六个线性驱动器3均匀对称的分布在上支撑板2的运动中心四周。六个线性驱动器既可同速位移也可以依照一定规律异速差动，从而实现列车模型六自由度姿态的调整。

通过电控系统控制控制六个线性驱动器分别进行伸缩，从而可以实现对于上支撑板的运动，使得上支撑板进行滚转和俯仰的运动。通过定义上支撑板和下支撑板的姿态，也即是具有的六个分量(X、Y、Z、Mx、My、Mz)，可以通过对单个线性驱动器的控制，或者多个线性驱动器的控制实现组合式调整。基本的调整方法为：先调整Mx或Mz量，其次调整My量，第三步调整X、Y、Z量，也就是，先调整滚转量，再调整位移量，这样能快速达到所需列车模型姿态状态。

为了实现上支撑板的姿态与线性驱动器的长度的控制，必须设计上支撑板的位置和姿态的运动关系；设计三个坐标系：

运动坐标系：运动坐标系OXYZ固联于上平台，随上平台一起运动，简称动系或体坐标系。原点O在上平台铰点所在的平面内，位于上平台中心的垂线上，OZ轴垂直于上平台且向下为正；OX轴位于上平台6个铰点所在的平面内，指向平台的首部为正方向；OY轴位于OX轴所在的水平面内，按右手法则将OX轴顺时针旋转90°。

固定坐标系：固定坐标系O′X′Y′Z′与大地固定，简称静系或定系。在初始位置时与动坐标系重合，当平台运动时，相对于大地，静系是不动的。

广义坐标系：为便于计算，将动坐标系相对于静坐标系的位置用广义坐标q来描述，q的分量分别为qi(i＝1，2，……6)。其中：

q1，q2，q3为动坐标原点O在静坐标系O′X′、O′Y′、O′Z′3个轴上的坐标；q4，q5，q6为动坐标相对于静坐标系的3个姿态角，其中：

q4：偏航角，动坐标系OX轴在X′O′Y′平面上的投影与O′X′夹角。

q5：纵摇角，动坐标系OX轴与X′O′Y′平面的夹角。

q6：横摇角，动坐标系XOZ平面与通过OX轴的铅垂面X′O′Y′之间的夹角。

坐标转换矩阵：设6个上铰点在动坐标系中的坐标为Ai(i＝1，2，……6)，为求得其在静坐标系中的坐标Gi(i＝1，2，……6)，必须进行一次欧拉角的转换。设转换的顺序为：q4、q5、q6，即先绕O′Z′转q4，再绕新形成的O′Y1′转q5，最后绕新形成的O′X1′转q6，其转换矩阵为：

为研究方便，将sin(q_i)(i＝4，5，6)简写为sq_i(i＝4，5，6)，将cos(q_i)(i＝4，5，6)简写为cq_i(i＝4，5，6)(在以后分析中均作如此简化)，有：

t₁₁＝cq₄·cq₅；

t₁₂＝cq₄·sq₅·sq₆-sq₄·cq₆；

t₁₃＝cq₄·sq₅·cq₆+sq₄·sq₆；

t₂₁＝sq₄·cq₅；

t₂₂＝sq₄·sq₅·sq₆+cq₄·cq₆；

t₂₃＝sq₄·sq₅·cq₆-cq₄·sq₆；

t₃₁＝-sq₅；

t₃₂＝cq₅·sq₆；

t₃₃＝cq₅·cq₆。

从而：由G＝T·A求出新的坐标点G后，再分别求出该点与下平台铰链点的距离Li，即为每个缸在新坐标系中的长度。这样就完成了从姿态坐标矩阵到缸长指令的变换过程；从而通过电控系统控制线性驱动器进行驱动。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种列车风洞试验姿态微调方法：

S1:首先将天平安装在车身空腔内，天平纵向中心线与车身纵向中心线平行；

S2:将安装有天平的车厢与支座连接；

其特征在于：在所述支座与天平之间设置微调装置，所述微调装置采用六自由度纯并联型并联机构，并联机构的输出端与天平和车身连接，

S3:根据参数需求由电控系统控制并联机构运动,同时调整天平的滚转量和俯仰量；

S4：通过电控系统控制并联机构运动，调整天平的位移量，完成对列车姿态的微调。

2.根据权利要求1所述的一种列车风洞试验姿态微调方法，其特征在于所述微调装置包括：与支座固定连接的下支撑板，与天平固定连接的上支撑板，连接在上支撑板与下支撑板之间的并联机构，所述并联机构包括六个线性驱动器。

3.根据权利要求2所述的一种列车风洞试验姿态微调方法，其特征在于所述线性驱动器的两端各自通过铰链结构连接到上支撑板和下支撑板上。

4.根据权利要求3所述的一种列车风洞试验姿态微调方法，其特征在于线性驱动器在上支撑板与下支撑板之间以并列对称的方式均匀分布。

5.根据权利要求2所述的一种列车风洞试验姿态微调方法，其特征在于改变所述天平的位置，当所述天平设置在支座与下支撑板之间，天平姿态不变，上支撑板与车身连接，微调装置调整车身的运动姿态。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种列车风洞试验姿态微调方法，其特征在于微调装置的控制设计过程包括以下步骤：

A1:根据微调测试需求设计固连于上支撑板的运动坐标系OXYZ和固定于下支撑板的固定坐标系O′X′Y′Z′，将动坐标系相对于静坐标系的位置定义为广义坐标q，q的分量分别为qi(i＝1，2，……6)；

A2:定义q₁，q₂，q₃为动坐标原点O在静坐标系O′X′、O′Y′、O′Z′三个轴上的坐标，q₄，q₅，q₆为动坐标相对于静坐标系的三个姿态角，其中：

q₄是偏航角，动坐标系OX轴在X′O′Y′平面上的投影与O′X′夹角，

q₅是纵摇角，动坐标系OX轴与X′O′Y′平面的夹角，

q₆是横摇角，动坐标系XOZ平面与通过OX轴的铅垂面X′O′Y′之间的夹角；

A3:定义六个线性驱动器与上支撑板的连接点在动坐标系中的坐标为A_i(i＝1，2，……6)，计算出其在静坐标系中的坐标G_i(i＝1，2，……6)；

A4：对六个坐标进行欧拉角转换，其转换矩阵为：

A5:由G＝T·A计算出新的坐标点G，新坐标与旧坐标之间的距离及为该点与下支撑板的铰链点的距离，即可计算出相应的线性驱动器的伸缩长度。

7.根据权利要求6所述的一种列车风洞试验姿态微调方法，其特征在于在所述A4中，欧拉角转换的顺序为：q₄、q₅、q₆，即先绕O′Z′转q₄，再绕新形成的O′Y₁′转q₅，最后绕新形成的O′X₁′转q₆。

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