CN111707442B - 超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声速风洞螺旋桨动力测量试验验证技术领域，尤其涉及一种超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统及其控制方法，结合扭矩转速一体传感器、盒式六分量天平测量伺服电机、螺旋桨性能参数，实时获取螺旋桨拉力、升力、扭矩、转速(伺服电机、螺旋桨)、振动等参数，送入到实时分析系统中，形成扭矩与天平弯矩、螺旋桨转速与电机转速的闭环设计验证模型，避免单一测量系统产生的误差对超声速风洞螺旋桨试验的干扰影响；并利用振动传感器来实时监测测量系统状态，避免试验过程中的危险状态点，整个系统放置于高空环境模拟舱室中，整体结构要垂直安装于风洞试验段中心位置迎风面，应用于高空环境下的超声速风洞不同规格螺旋桨试验。

Description

超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声速风洞螺旋桨动力测量试验验证技术领域，尤其涉及一种超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统及其控制方法。

背景技术

目前高空环境中动力采集未有配套设备，无法针对高空环境下不同规格的螺旋桨实时评判获取螺旋桨拉力、升力、扭矩、转速(伺服电机、螺旋桨)、振动等性能参数，因此，急需提供一种模拟装置可以放置于地面模拟高空环境，模拟飞行器螺旋桨动力。

但是目前仅出现的少量模拟动力测量系统结构复杂、制造成本高，无法模拟多种不同规格的螺旋桨，综合性差。

发明内容

本发明针对现有的模拟动力测量系统存在的上述不足，提供了一种超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统，该系统解决了现有的模拟动力测量系统存在结构复杂、制造成本高，无法模拟多种不同规格的螺旋桨，综合性差等问题的技术难题，同时提供了一种控制方法，该控制方法解决了单一测量系统产生的误差会对超声速风洞螺旋桨试验造成干扰影响的技术难题。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统，所述测量验证系统包括：

不同规格螺旋桨多功能测量装置，所述不同规格螺旋桨多功能测量装置包括盒式六分量天平、驱动轴，所述盒式六分量天平上方设有伺服电机，所述伺服电机输出轴通过花键连接驱动轴，所述驱动轴环套有扭矩转速一体传感器，所述驱动轴前端通过法兰连接不同规格螺旋桨；

PLC控制单元、数据采集模块和PC机，所述PC机用于控制PLC控制单元驱动所述不同规格螺旋桨多功能测量装置中的伺服电机提供试验测试验证所需动力，所述数据采集模块用于采集所述扭矩转速一体传感器的扭矩转速参数、所述盒式六分量天平各方向力学参数，并输出到PC机上。

进一步地，所述不同规格螺旋桨多功能测量装置还包括天平下安装板和天平上安装板，所述盒式六分量天平下方通过紧固螺栓固定在天平下安装板上，所述盒式六分量天平上方通过紧固螺栓固定在天平上安装板上，所述天平上安装板上面固定伺服电机。

进一步地，所述不同规格螺旋桨多功能测量装置还包括支撑立柱，所述支撑立柱固定在风洞试验舱室内，通过紧固螺栓固定连接在所述天平下安装板上。

进一步地，所述不同规格螺旋桨多功能测量装置还设有密封帽罩，所述密封帽罩固定在天平下安装板上，所述密封帽罩靠近驱动轴的一端安装有轴端顶罩，所述轴端顶罩环套在所述驱动轴上。

进一步地，所述扭矩转速一体传感器与所述驱动轴之间存在一定间隙，所述轴端顶罩与所述驱动轴之间存在一定间隙。

进一步地，所述伺服电机侧面设有支撑所述扭矩转速一体传感器的安装板。

进一步地，所述天平上安装板上还固定连接有加强板，所述加强板顶端安装有振动监测传感器。

进一步地，所述数据采集模块还用于采集所述振动监测传感器的振动量参数，并输出到PC机上。

上述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，包括转速闭环控制算法和扭矩闭环控制算法；

所述转速闭环控制算法第一路是由PLC控制单元控制电路驱动伺服电机给定螺旋桨旋转初始转速，第二路是由扭矩转速一体传感器检测螺旋桨转动速度，通过转速误差分析算法进行转速闭环控制，实现高精度的试验测试动力条件；

所述扭矩闭环控制算法第一路是由盒式六分量天平测量获得螺旋桨实际产生的某方向弯矩，第二路是由扭矩转速一体传感器检测螺旋桨输出轴扭矩值，通过扭矩误差分析算法，结合PLC控制单元进行运动输出控制，从而达到多参量的模型设计参数比对，验证不同规格螺旋桨性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统可用于多种不同规格螺旋桨试验验证需求，且螺旋桨更换方式简单，可模拟高空环境下的超声速、高马赫数、不同转速下的螺旋桨性能验证，可以提供螺旋桨多维度性能参数验证；本发明提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统可以放置于地面模拟高空环境设备内，模拟飞行器螺旋桨动力，利用动力驱动装置产生可控动力，再依据螺旋桨运动产生的转速、拉力、升力、扭矩及振动通过实时采集系统采集数据，评判得出高空状态下螺旋桨的性能。

2、本发明提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统结构简单、可实时采集、制造成本低，能够模拟多种螺旋桨，保证试验过程有效性，是综合性系统；该系统提供螺旋桨性能再造功能，可以根据试验工况随时调整试验状态点，从而获得更优的性能条件，满足螺旋桨超声速风洞性能试验，并可以验证螺旋桨性能参数的合理性，满足螺旋桨力矩瞬变试验，满足螺旋桨转速试验。

3、本发明提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法可以避免单一控制元素导致的误差积累，从而实现高精度测量和控制，经过本发明提供的模拟动力测量装置，结合扭矩转速一体传感器、盒式六分量天平测量伺服电机、螺旋桨性能参数，实时获取螺旋桨拉力、升力、扭矩、转速(伺服电机、螺旋桨)、振动等参数，送入到实时分析系统中，形成扭矩与天平弯矩、螺旋桨转速与电机转速的闭环设计验证模型，避免单一测量系统产生的误差对超声速风洞螺旋桨试验的干扰影响，并利用振动传感器来实时监测测量系统状态，避免试验过程中的危险状态点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的不同规格螺旋桨多功能测量验证装置1的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法流程图；

1-不同规格螺旋桨多功能测量装置、11-密封帽罩、12-支撑立柱、13-伺服电机、14-盒式六分量天平、15-不同规格螺旋桨、16-驱动轴、17-扭矩转速一体传感器、18-轴端顶罩、19-振动监测传感器、2-PLC控制单元、3-数据采集模块、4-PC机。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统及其控制方法，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

如图1-2所示，一种超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统，所述测量验证系统包括：

不同规格螺旋桨多功能测量装置1，所述不同规格螺旋桨多功能测量装置1包括盒式六分量天平14、驱动轴16，所述盒式六分量天平14上方设有伺服电机13，所述伺服电机13输出轴通过花键连接驱动轴16，所述驱动轴16环套有扭矩转速一体传感器17，所述驱动轴16前端通过法兰连接不同规格螺旋桨15；

PLC控制单元2、数据采集模块3和PC机4，所述PC机4用于控制PLC控制单元2驱动所述不同规格螺旋桨多功能测量装置1中的伺服电机13提供试验测试验证所需动力，所述数据采集模块3用于采集所述扭矩转速一体传感器17的扭矩转速参数、所述盒式六分量天平14各方向力学参数，并输出到PC机4上。本实施例中的PC机为自主设计分析软件的PC机，本实施例通过更换驱动轴前端法兰可以适应不同规格螺旋桨尺寸要求。

所述不同规格螺旋桨多功能测量装置1还包括天平下安装板和天平上安装板，所述盒式六分量天平14下方通过紧固螺栓固定在天平下安装板上，所述盒式六分量天平14上方通过紧固螺栓固定在天平上安装板上，所述天平上安装板上面固定伺服电机13。

所述不同规格螺旋桨多功能测量装置1还包括支撑立柱12，所述支撑立柱12固定在风洞试验舱室内，通过紧固螺栓固定连接在所述天平下安装板上。

所述不同规格螺旋桨多功能测量装置1还设有密封帽罩11，所述密封帽罩11固定在天平下安装板上，可以减小空气阻力，所述密封帽罩11靠近驱动轴16的一端安装有轴端顶罩18，所述轴端顶罩18环套在所述驱动轴16上。

所述扭矩转速一体传感器17与所述驱动轴16之间存在一定间隙，所述轴端顶罩18与所述驱动轴16之间存在一定间隙。

所述伺服电机13侧面设有支撑所述扭矩转速一体传感器17的安装板。

所述天平上安装板上还固定连接有加强板，所述加强板顶端安装有振动监测传感器19。

所述数据采集模块3还用于采集所述振动监测传感器19的振动量参数，并输出到PC机4上。

如图3所示，本实施例所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，包括转速闭环控制算法和扭矩闭环控制算法；

所述转速闭环控制算法第一路是由PLC控制单元2控制电路驱动伺服电机13给定螺旋桨旋转初始转速，第二路是由扭矩转速一体传感器17检测螺旋桨转动速度，通过转速误差分析算法进行转速闭环控制，实现高精度的试验测试动力条件；所述转速误差分析算法为自主开发。

所述扭矩闭环控制算法第一路是由盒式六分量天平14测量获得螺旋桨实际产生的某方向弯矩，第二路是由扭矩转速一体传感器17检测螺旋桨输出轴扭矩值，通过扭矩误差分析算法，所述扭矩误差分析算法为自主开发，结合PLC控制单元2进行运动输出控制，从而达到多参量的模型设计参数比对，验证不同规格螺旋桨性能。

本实施例提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统根据螺旋桨拉力设计初始值，若在给定的转速下不满足拉力性能要求时，可以控制伺服电机加速/减速来达到设计要求，同时实时存储试验数据。

本实施例提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统能够模拟在高空20Km以内、温度±40℃、来流速度45m/S以下的状态下，可以提供0～6000rpm转动力带动螺旋桨进行旋转，经过不同规格螺旋桨多功能测量装置，结合扭矩转速一体传感器、盒式六分量天平测量伺服电机、螺旋桨性能参数，实时获取螺旋桨拉力、升力、扭矩、转速(伺服电机、螺旋桨)、振动等参数，送入到实时分析系统中，形成扭矩与天平弯矩、螺旋桨转速与电机转速的闭环设计验证模型，避免单一测量系统产生的误差对超声速风洞螺旋桨试验的干扰影响；并利用振动传感器来实时监测测量系统状态，避免试验过程中的危险状态点，所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统需要放置于高空环境模拟舱室中，整体结构要垂直安装于风洞试验段中心位置迎风面，主要应用于高空环境下的超声速风洞不同规格螺旋桨试验。

本实施例提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统包括转速测量闭环回路装置和扭矩测量闭环回路装置，两种装置的其中一路扭矩和转速由扭矩转速一体传感器来支撑，其余的扭矩测量装置和转速测量装置分别由盒式六分量天平提供和伺服电机提供。

本实施例提供的超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法试验开始时，通过配备配备自主设计分析软件的PC机控制PLC控制单元驱动伺服电机提供试验测试验证所需的动力，试验中将伺服电机转速参数、扭矩转速一体传感器的扭矩转速参数、盒式六分量天平各方向力学参数、振动传感器振动量参数通过数据采集模块进行采集，并输出到配备自主设计分析软件的PC机上，经实时验证分析处理后，可以再次控制伺服电机进行动作，从而进一步满足螺旋桨性能设计要求。

Claims (8)

1.一种超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于:包括转速闭环控制算法和扭矩闭环控制算法；

所述转速闭环控制算法第一路是由PLC控制单元(2)控制电路驱动伺服电机(13)给定螺旋桨旋转初始转速，第二路是由扭矩转速一体传感器(17)检测螺旋桨转动速度，通过转速误差分析算法进行转速闭环控制，实现高精度的试验测试动力条件；

所述扭矩闭环控制算法第一路是由盒式六分量天平(14)测量获得螺旋桨实际产生的某方向弯矩，第二路是由扭矩转速一体传感器(17)检测螺旋桨输出轴扭矩值，通过扭矩误差分析算法，结合PLC控制单元(2)进行运动输出控制，从而达到多参量的模型设计参数比对，验证不同规格螺旋桨性能；

其中，所述测量验证系统包括：

不同规格螺旋桨多功能测量装置(1)，所述不同规格螺旋桨多功能测量装置(1)包括盒式六分量天平(14)、驱动轴(16)，所述盒式六分量天平(14)上方设有伺服电机(13)，所述伺服电机(13)输出轴通过花键连接驱动轴(16)，所述驱动轴(16)环套有扭矩转速一体传感器(17)，所述驱动轴(16)前端通过法兰连接不同规格螺旋桨(15)；

PLC控制单元(2)、数据采集模块(3)和PC机(4)，所述PC机(4)用于控制PLC控制单元(2)驱动所述不同规格螺旋桨多功能测量装置(1)中的伺服电机(13)提供试验测试验证所需动力，所述数据采集模块(3)用于采集所述扭矩转速一体传感器(17)的扭矩转速参数、所述盒式六分量天平(14)各方向力学参数，并输出到PC机(4)上。

2.根据权利要求1所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述不同规格螺旋桨多功能测量装置(1)还包括天平下安装板和天平上安装板，所述盒式六分量天平(14)下方通过紧固螺栓固定在天平下安装板上，所述盒式六分量天平(14)上方通过紧固螺栓固定在天平上安装板上，所述天平上安装板上面固定伺服电机(13)。

3.根据权利要求2所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述不同规格螺旋桨多功能测量装置(1)还包括支撑立柱(12)，所述支撑立柱(12)固定在风洞试验舱室内，通过紧固螺栓固定连接在所述天平下安装板上。

4.根据权利要求2所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述不同规格螺旋桨多功能测量装置(1)还设有密封帽罩(11)，所述密封帽罩(11)固定在天平下安装板上，所述密封帽罩(11)靠近驱动轴(16)的一端安装有轴端顶罩(18)，所述轴端顶罩(18)环套在所述驱动轴(16)上。

5.根据权利要求4所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述扭矩转速一体传感器(17)与所述驱动轴(16)之间存在一定间隙，所述轴端顶罩(18)与所述驱动轴(16)之间存在一定间隙。

6.根据权利要求1所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述伺服电机(13)侧面设有支撑所述扭矩转速一体传感器(17)的安装板。

7.根据权利要求2所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述天平上安装板上还固定连接有加强板，所述加强板顶端安装有振动监测传感器(19)。

8.根据权利要求7所述超声速风洞螺旋桨数值模型测量验证系统的控制方法，其特征在于：所述数据采集模块(3)还用于采集所述振动监测传感器(19)的振动量参数，并输出到PC机(4)上。

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