CN112577698B - 一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置及方法 - Google Patents

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    • G05D15/01—Control of mechanical force or stress; Control of mechanical pressure characterised by the use of electric means

Abstract

本发明提供一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置及方法，通过力测量系统测量气动力及重力施加给攻角机构的水平力，再由动态力控制系统对补偿系统输出控制信号，采用PI闭环控制，预先设置预偏值，对气动力及重力施加给攻角机构的水平力实时调节，避免了气动力即重力对攻角机构产生的水平力对测试结果的影响，减缓了攻角机构零件磨损速度，减小了水平力产生的扰动，提高了测试结果的准确性；同时，补偿系统除了输出反向力用以平衡攻角机构所受由重力和气动力产生的水平力外，还通过控制卷扬机的输出位移，保证在卷扬机带动下，音圈电机模组与攻角机构同步变化。

Description

一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置及方法
技术领域
本发明属于一种空气动力学测试与控制技术领域，特别涉及一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置及方法。
背景技术
随着我国航空航天技术的发展，飞行器研究已经达到新的高度，飞行器性能有着大幅度提升。风洞试验是研究飞行器攻角流动机理以及探索气动特性的重要手段。
风洞试验过程中飞行器模型通常以尾支撑方法安装在风洞的攻角机构上，借助由电机驱动的连杆机构实现姿态控制。风洞试验过程中模型重力以及模型气动力会对攻角机构产生一个较大的力，它给飞行器模型风洞试验带来了多方面的影响。该力增大了攻角驱动装置中的涡轮和蜗杆的摩擦，加速了零部件的磨损；给整个攻角机构施加了水平方向力，加大了机构倾倒的风险；传统设计时，会使用砝码给机构施加一个反向力抵消模型及模型气动力对机构产生的影响，但这种方法只能施加一个固定力，无法抵消不同试验模型以及模型处在不同风速下的力，特别是如果砝码产生的平衡力处在风洞试验过程中模型对机构产生的力变化范围之间时，机构会因为涡轮、蜗杆之间的间隙产生换向，这个换向会给控制系统带来振动风险，同时也会给飞行器模型带来扰动，影响实验结果。另外，以往尝试使用电控设备施加平衡力时难以实现的原因有两个方面：一是要解决电控设备取代砝码提供平衡力时，保证自身与攻角机构同步运动的问题；二是由于无法得知攻角机构受力准确数值，无法有针对性的进行力平衡。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置及方法，风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置包括力测量装置、位置补偿装置、动态力施加装置以及动态力闭环控制系统，通过动态力测量及反馈，可以动态调整负载平衡力，避免攻角机构间隙换向，将机构的侧向力减小至零附近，并且保证在此过程中保证音圈电机模组与攻角机构同步运动，提高实验结果的准确性及可靠性。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，包括：力测量系统，补偿系统和动态力控制系统；
力测量系统：实时测量由于试验模型所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力，并将水平力测量结果信号输出至动态力控制系统；
动态力控制系统：接收由力测量系统输入的水平力测量结果信号，设定预偏值，根据水平力测量结果信号与所设预偏值的差值，向补偿系统输出控制信号；
补偿系统：接收由动态力控制系统输入的控制信号，对攻角机构实时施加反向力，平衡由于试验模型(1)所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
进一步的，补偿系统对攻角机构实时施加反向力大于由于试验模型所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
进一步的，力测量系统包括：模型支杆、主支杆、尾支杆、涡轮悬臂、涡轮、蜗杆和蜗杆底座天平；
涡轮悬臂的一端与蜗轮连接，另一端与尾支杆连接；主支杆固定于升降框架下表面；模型支杆依次连接尾支杆、主支杆和试验模型；模型支杆、主支杆、尾支杆和涡轮悬臂形成杠杆结构，主支杆与模型支杆相连处为杠杆结构支点，试验模型所受气动力及重力通过杠杆结构依次传递至蜗轮，使涡轮产生切向力矩A，进而引起涡轮转动；
涡轮安装在升降框架内部；
蜗杆固定于蜗杆底座天平上表面，蜗杆与涡轮配合，涡轮转动使蜗杆受到水平方向的力，进而传递给蜗杆底座天平，蜗杆底座天平固定于升降框架底座上，用于测量蜗杆受到的水平方向力。
进一步的，动态力控制系统包括PI控制器和频率信号发生器，PI控制器将水平力测量结果信号与所设预偏值的差值进行运算后构成控制量输出至频率信号发生器，频率信号发生器将控制量转化为频率信号输出至补偿系统。
进一步的，补偿系统包括配重连杆、第一钢丝绳、前滑轮、后滑轮和音圈电机模组；
前滑轮和后滑轮固定于支撑系统框架顶部两侧；
配重连杆一端固定在涡轮上，另一端通过钢丝绳依次经过前滑轮，后滑轮与音圈电机模组顶部连接；
音圈电机模组包括音圈电机和音圈电机驱动器；
音圈电机驱动器接收由动态力控制系统输入的频率信号后，驱动音圈电机输出相应的力，通过第一钢丝绳、后滑轮、前滑轮依次传递给配重连杆，使涡轮产生与切向力矩A相反的力矩B，进而使蜗杆底座天平受到与气动力及重力引起的水平力相反的力。
进一步的，补偿系统还包括第二钢丝绳和卷扬机；
卷扬机固定在支撑系统框架底部，音圈电机模组底部通过第二钢丝绳与卷扬机连接，卷扬机卷起或放松钢丝绳，带动音圈电机模组产生竖直方向的位移，使音圈电机模组与攻角机构同步运动。
进一步的，音圈电机模组产生竖直方向的位移遵循运动补偿曲线：
Figure BDA0002872826330000041
Y5为卷扬机带动音圈电机模组产生的位移；Y2为试验模型(1)高度变化位置函数，Y2＝(sin(β+αT)-sinβ)*L；
α为试验模型攻角角度每秒变化值，β为起始运动角度，T为时间，单位为秒，L为试验模型形心至主支杆和模型支杆连接处的距离；
L1为涡轮中心至前滑轮与第一钢丝绳接触点直线距离，L2为涡轮中心至配重连杆末端的距离，L3为涡轮中心至前滑轮与第一钢丝绳接触点水平方向距离，h为涡轮中心至前滑轮与第一钢丝绳接触点竖直方向距离，γ为L1与L2夹角。
一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节方法，采用权利要求1-7任一项所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置实现，所述动态力控制系统包括PI控制器和频率信号发生器，具体步骤为：
S1力测量系统实时测量由于试验模型所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力，并将水平力测量结果信号输出至动态力控制系统；
S2在动态力控制系统中设定预偏值，根据预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值与系统调节阈值e的比较结果，控制PI控制器工作状态，PI控制器将信号进行运算后构成控制量并输出至频率信号发生器，频率信号发生器将控制量转化为频率信号输出至补偿系统；
S3补偿系统接收由动态力控制系统输入的控制信号，实时调整对攻角机构施加的反向力，抵消由于试验模型所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
进一步的，预偏值≤10kg。
进一步的，步骤S2中，根据预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值与系统调节阈值e的比较结果，控制PI控制器工作状态，其方法为：当预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值大于e时，将该差值输入PI控制器；当预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值小于等于e时，PI控制器不工作，动态力控制系统保持输出力大小不变。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明提供一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，通过力测量系统测量气动力及重力施加给攻角机构的水平力，再由动态力控制系统对补偿系统输出控制信号，对气动力及重力施加给攻角机构的水平力实时调节，避免了上述水平力对攻角机构及测试结果的影响，减缓了攻角机构零件磨损速度，减小了水平力产生的扰动，提高了测试结果的准确性；
(2)本发明动态力控制系统中采用PI闭环控制，预先设置预偏值，保证攻角机构不会因涡轮、蜗杆之间的间隙产生换向，避免了间隙换向引起的振动，提高测试结果的准确性；
(3)本发明补偿系统除了输出反向力用以平衡攻角机构所受由重力和气动力产生的水平力外，还通过控制卷扬机的输出位移，保证在卷扬机带动下，音圈电机模组与攻角机构同步变化。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明力测量系统结构示意图；
图3为本发明控制系统示意图；
图4为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
攻角机构其主要结构形式、运动关系已在公开发表专利中进行详细描述，本发明主要设计了一套平衡力动态跟踪调节装置安装于原有机构上，实现机构平衡力动态跟踪调整功能。
本发明一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，如图1所示，包括：力测量系统，补偿系统和动态力控制系统；
力测量系统：实时测量由于试验模型1所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力，并将水平力测量结果信号输出至动态力控制系统；
动态力控制系统：接收由力测量系统输入的水平力测量结果信号，设定预偏值，按照水平力测量结果信号与所设预偏值的差值，向补偿系统输出控制信号；
补偿系统：接收由动态力控制系统输入的控制信号，对攻角机构实时施加反向力，平衡由于试验模型1所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
进一步的，补偿系统对攻角机构实时施加反向力大于由于试验模型1所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
进一步的，如图2所示，力测量系统包括：模型支杆512、主支杆511、尾支杆510、涡轮悬臂513、涡轮53、蜗杆52和蜗杆底座天平51；
涡轮悬臂513的一端与蜗轮53连接，另一端与尾支杆510连接；主支杆511固定于升降框架4下表面；模型支杆512依次连接尾支杆510、主支杆511和试验模型1；模型支杆512、主支杆511、尾支杆510和涡轮悬臂513形成杠杆结构，主支杆511与模型支杆512相连处为杠杆结构支点，试验模型1所受气动力及重力通过杠杆结构依次传递至蜗轮53，该力在涡轮53作用点处可以分解为涡轮53切向方向和径向方向两个力，其中切向力矩A引起涡轮53转动；涡轮53安装在升降框架4内部；
蜗杆52通过螺栓固定于蜗杆底座天平51上表面，蜗杆52表面设有螺纹，与涡轮53的齿轮配合，涡轮53转动使蜗杆52受到水平方向的力，进而传递给蜗杆底座天平51，蜗杆底座天平51通过螺栓固定于升降框架4底座上，用于测量蜗杆52受到的水平方向力。蜗杆底座天平51是一种盒式天平，可以测量固定于天平上的装置水平方向受力的大小，因此蜗杆52与涡轮53作用点处水平方向力值可以由蜗杆底座天平51实时测出，该力值可以用于评估攻角机构支撑系统框架3水平方向受力大小，并用于后续控制。
进一步的，动态力控制系统包括PI控制器和频率信号发生器，PI控制器将水平力测量结果信号与所设预偏值的差值进行运算后构成控制量输出至频率信号发生器，频率信号发生器将控制量转化为频率信号输出至补偿系统。音圈电机输出力与其电流成线性比例关系，因此控制系统采用电流环控制模式。
进一步的，补偿系统包括配重连杆54、第一钢丝绳551、前滑轮56、后滑轮57和音圈电机模组58；
前滑轮56和后滑轮57固定于支撑系统框架3顶部两侧；
配重连杆54一端通过螺栓固定在涡轮53上，另一端通过钢丝绳依次经过前滑轮56，后滑轮57与音圈电机模组58顶部连接；
音圈电机模组58包括音圈电机和音圈电机驱动器；音圈电机模组58是实现动态力控制的核心设备，音圈电机具有高动态响应的特点，满足动态力控制的应用场合，其运动行程一般为2cm-5cm，控制行程可以覆盖满足第一钢丝绳551的变形及涡轮53与蜗杆52之间的间隙距离。音圈电机模组58下端与卷扬机59固定，上端通过吊耳连接第一钢丝绳551，第一钢丝绳551经过后滑轮57、前滑轮56连接配重连杆54，音圈电机模组58动件产生的补偿力通过以上连接装置传递给涡轮53，该力与试验模型1及气动力对涡轮53产生的力平衡。其控制过程通过闭环控制系统5实现。
音圈电机驱动器接收由动态力控制系统输入的频率信号后，驱动音圈电机输出相应的力，通过第一钢丝绳551、后滑轮57、前滑轮56依次传递给配重连杆54，使涡轮53产生与切向力矩A相反的力矩B，进而使蜗杆底座天平51受到与气动力及重力引起的水平力相反的力。音圈电机的作用是在较小的行程内实现输出力的高动态控制，输出力经过攻角机构配重连杆54以及涡轮53施加给蜗杆52一个反方向的水平力，该力进而作用于蜗杆底座天平51，而由于蜗杆底座天平51固定在支撑系统框架3上，所以该力最终会作用于支撑系统框架3。上述反方向的水平力始终保持稍大于试验模型1重力及气动力带来的水平力，保证涡轮、蜗杆间隙不会换向。
进一步的，补偿系统还包括第二钢丝绳552和卷扬机59；卷扬机59固定在支撑系统框架3底部，音圈电机模组58底部通过第二钢丝绳552与卷扬机59连接，卷扬机59根据运动补偿曲线卷起或放松钢丝绳，带动音圈电机模组58按照运动补偿曲线产生竖直方向位移，使音圈电机模组58与攻角机构同步运动。
由目前公开专利描述可知试验模型1通过主支杆511固定在机构升降框架4下表面，试验模型1在攻角运动过程中，升降框架4沿支撑系统框架3上下运动产生试验模型1竖直方向位移，配重连杆54及涡轮53安装在升降框架4内部，当试验模型1竖直方向产生位移时，配重连杆54产生相同大小和方向位移，配重连杆54末端连接第一钢丝绳551，并经过前滑轮56，后滑轮57换向连接至音圈电机模组58，因此音圈电机模组58产生方向相反大小成一定比例的位移。另一方面试验模型1的攻角运动由涡轮53转动产生，涡轮53转动带动配重连杆54及钢丝绳551运动，由前文描述的各部件连接方式可知钢丝绳551受涡轮53转动产生的位移为音圈电机模组58在竖直方向的位移。由上述分析可知攻角运动过程中试验模型1的高度变化和涡轮53的转动均会引起音圈电机模组58在竖直方向产生位移，由于音圈电机模组58底部通过第二钢丝绳552固定至卷扬机59，因此卷扬机59需通过卷起或放松第二钢丝绳552使音圈电机模组58产生由于以上原因引起的位移。
音圈电机模组58竖直方向位移规律可以通过攻角角度变化曲线以及高度变化曲线耦合求出。为了补偿攻角机构运行中带来的音圈电机模组58垂直方向的运动，设计了卷扬机升降系统，并由电机驱动使音圈电机模组58能够在垂直方向上运动，整个系统运行过程中，通过运动控制器建立虚拟主轴，攻角轴、高度轴、以及位置补偿轴为从轴，通过解算相应运动规律，画出基于虚拟主轴的运动CAM曲线，保证音圈电机模组58与攻角机构同步运动。
Figure BDA0002872826330000111
Y5为卷扬机59带动音圈电机模组58产生的位移，Y2为试验模型1高度变化位置函数，Y2＝(sin(β+αT)-sinβ)*L；
α为试验模型(1)攻角角度每秒变化值，β为起始运动角度，T为时间，单位为秒，L为试验模型1形心至主支杆511和模型支杆512连接处的距离；
L1为涡轮53中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点直线距离，L2为涡轮53中心至配重连杆54末端的距离，L3为涡轮53中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点水平方向距离，h为涡轮53中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点竖直方向距离，γ为L1与L2夹角。
运动补偿曲线的计算方法为：
目前主流运动控制器具备虚拟主轴控制技术及多轴同步控制技术，基于以上技术建立虚拟轴V，攻角轴X、高度轴Y、位置补偿轴Z，计算攻角轴X、高度轴Y、位置补偿轴Z运动模型，保证各轴同步运动。以下为各轴建模过程。
首先为攻角轴X，假设试验模型1攻角变化速度为α°/s，起始运动角度为3，T为时间，单位为秒，Y1为试验模型1攻角角度位置函数，攻角轴X角度位置函数为：
Y1＝β+αT
高度轴Y位置函数为：
Y2＝(sin(Y1)-sinβ)*L
其中，Y2为试验模型1高度变化位置函数；L为试验模型1形心至主支杆511和模型支杆512连接处的距离，可以看出当试验模型1以指定攻角速度运动时，升降框架4将按照Y2所表示的曲线规律在竖直方向运动。这个过程中卷扬机59带动音圈电机模组58将产生一个与攻角机构升降框架4方向相反、速度大小成一定规律的运动，其运动曲线为：
Figure BDA0002872826330000121
其中，Y3为试验模型1做攻角运动时的高度变化引起的音圈电机模组58的位移；L1为涡轮53旋转中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点距离，L2为涡轮53中心至配重连杆54末端的距离，L3为涡轮53中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点水平方向距离，h为涡轮53旋转中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点竖直方向距离，L1与L2夹角为γ。
涡轮53驱动试验模型1攻角变化时，安装在涡轮53上的配重连杆54将带动音圈电机模组58产生竖直方向的位移，卷扬机59输出该段位移并满足下列公式：
Figure BDA0002872826330000122
其中，Y4为攻角运动中涡轮53转动引起的音圈电机模组58的位移；L1为涡轮53中心至前滑轮56与第一钢丝绳551接触点直线距离，L2为涡轮53中心至配重连杆54末端的距离，L1与L2初始夹角为γ，运动速度为α°/s。
因此风洞试验过程中，试验模型1在攻角和高度方向运动时，位置补偿轴Z运动曲线是一个合成运动，其运动规律为：
Y5＝Y4+Y3
计算出攻角轴A、高度轴B、位置补偿轴Z的运动曲线分别为Y1，Y2，Y5，可以建立这三个轴基于虚拟主轴的同步凸轮控制曲线，并保证整个控制系统严格按照控制规律运行，在攻角机构控制系统中预先输入上述同步凸轮控制曲线，使卷扬机59按照控制曲线卷起或放松，实现音圈电机模组58按照Y5运动补偿曲线的竖直位移，同时，试验模型1按照攻角轴角度位置函数Y1进行攻角角度变化，按照高度轴位置函数Y2进行竖直方向位移，从而保证音圈电机模组58与攻角机构同步。
一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节方法，采用上述一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置实现，具体步骤为：
S1力测量系统实时测量由于试验模型1所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力，并将水平力测量结果信号输出至动态力控制系统；
S2在动态力控制系统中设定预偏值，将水平力测量结果信号与所设预偏值的差值输入PI控制器，PI控制器将差值进行运算后构成控制量并输出至频率信号发生器，频率信号发生器将控制量转化为频率信号输出至补偿系统；动态力控制系统的闭环控制结构图如图3所示。控制系统的给定量U是蜗杆底座天平51轴向力的预偏值，通过该预偏值保证不会因为存在攻角间隙(即涡轮53与蜗杆52之间的间隙距离)导致涡轮53转动方向变向，同时该力也是一个较小的值，保证攻角机构水平方向的受力控制在一个较小的范围内。蜗杆底座天平51的反馈信号换算成力值F作为控制系统的反馈量，给定量U与反馈量F的差值输入给PI控制器，PI控制器的输出值P换算成频率信号通过相应硬件输入给音圈电机驱动器，该频率信号作为音圈电机驱动器的控制信号，控制电机输出力值大小。动态力控制系统控制流程图如图4所示，对攻角机构控制系统、音圈电机模组、蜗杆底座天平加电后，检查各部分工作状态是否正常，后设置动态力控制系统的预偏值，开始平衡力自动跟踪调节过程。动态力控制系统计算预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值，并与系统调节阈值e进行比较，当差值大于e时，将该差值输入PI控制器，PI控制器输出控制音圈电机输出力值的大小，使蜗杆底座天平测量结果不断接近预偏值，最终保证二者差值小于等于e，此时维持音圈电机输出力值不变。随着外界工况不断变化，以上过程始终动态运行调整实现动态力跟踪补偿功能。e为0.2kg-0.5kg范围内的值，为了避免系统受原始信号噪声影响而按需调节。
通过力测量系统、动态力控制系统和补偿系统可以动态跟踪并补偿试验模型1的重力和气动力对攻角机构产生的水平力，确保风洞试验运行安全及数据准确。
S3补偿系统接收由动态力控制系统输入的控制信号，对攻角机构实时施加反向力，抵消由于试验模型1所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
进一步的，上述预偏值≤10kg。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，包括：力测量系统，补偿系统和动态力控制系统；
力测量系统：实时测量由于试验模型(1)所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力，并将水平力测量结果信号输出至动态力控制系统；
动态力控制系统：接收由力测量系统输入的水平力测量结果信号，设定预偏值，根据水平力测量结果信号与所设预偏值的差值，向补偿系统输出控制信号；
补偿系统：接收由动态力控制系统输入的控制信号，对攻角机构实时施加反向力，平衡由于试验模型(1)所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力；
所述力测量系统包括：模型支杆(512)、主支杆(511)、尾支杆(510)、涡轮悬臂(513)、涡轮(53)、蜗杆(52)和蜗杆底座天平(51)；
涡轮悬臂(513)的一端与涡轮(53)连接，另一端与尾支杆(510)连接；主支杆(511)固定于升降框架(4)下表面；模型支杆(512)依次连接尾支杆(510)、主支杆(511)和试验模型(1)；模型支杆(512)、主支杆(511)、尾支杆(510)和涡轮悬臂(513)形成杠杆结构，主支杆(511)与模型支杆(512)相连处为杠杆结构支点，试验模型(1)所受气动力及重力通过杠杆结构依次传递至涡轮(53)，使涡轮(53)产生切向力矩A，进而引起涡轮(53)转动；
涡轮(53)安装在升降框架(4)内部；
蜗杆(52)固定于蜗杆底座天平(51)上表面，蜗杆(52)与涡轮(53)配合，涡轮(53)转动使蜗杆(52)受到水平方向的力，进而传递给蜗杆底座天平(51)，蜗杆底座天平(51)固定于升降框架(4)底座上，用于测量蜗杆(52)受到的水平方向力。
2.根据权利要求1所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，补偿系统对攻角机构实时施加反向力大于由于试验模型(1)所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
3.根据权利要求1所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，所述动态力控制系统包括PI控制器和频率信号发生器，PI控制器将水平力测量结果信号与所设预偏值的差值进行运算后构成控制量输出至频率信号发生器，频率信号发生器将控制量转化为频率信号输出至补偿系统。
4.根据权利要求1所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，所述补偿系统包括配重连杆(54)、第一钢丝绳(551)、前滑轮(56)、后滑轮(57)和音圈电机模组(58)；
前滑轮(56)和后滑轮(57)固定于支撑系统框架(3)顶部两侧；
配重连杆(54)一端固定在涡轮(53)上，另一端通过钢丝绳依次经过前滑轮(56)、后滑轮(57)与音圈电机模组(58)顶部连接；
音圈电机模组(58)包括音圈电机和音圈电机驱动器；
音圈电机驱动器接收由动态力控制系统输入的频率信号后，驱动音圈电机输出相应的力，通过第一钢丝绳(551)、后滑轮(57)、前滑轮(56)依次传递给配重连杆(54)，使涡轮(53)产生与切向力矩A相反的力矩B，进而使蜗杆底座天平(51)受到与气动力及重力引起的水平力相反的力。
5.根据权利要求4所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，所述补偿系统还包括第二钢丝绳(552)和卷扬机(59)；
卷扬机(59)固定在支撑系统框架(3)底部，音圈电机模组(58)底部通过第二钢丝绳(552)与卷扬机(59)连接，卷扬机(59)卷起或放松钢丝绳，带动音圈电机模组(58)产生竖直方向的位移，使音圈电机模组(58)与攻角机构同步运动。
6.根据权利要求5所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置，其特征在于，所述音圈电机模组(58)产生竖直方向的位移遵循运动补偿曲线：
Figure FDA0003915393750000031
Y5为卷扬机(59)带动音圈电机模组(58)产生的位移；Y2为试验模型(1)高度变化位置函数，Y2＝(sin(β+αT)-sinβ)*L；
α为试验模型(1)攻角角度每秒变化值，β为起始运动角度，T为时间，单位为秒，L为试验模型(1)形心至主支杆(511)和模型支杆(512)连接处的距离；
L1 为涡轮(53)中心至前滑轮(56)与第一钢丝绳(551)接触点直线距离，L2为涡轮(53)中心至配重连杆(54)末端的距离，L3为涡轮(53)中心至前滑轮(56)与第一钢丝绳(551)接触点水平方向距离，h为涡轮(53)中心至前滑轮(56)与第一钢丝绳(551)接触点竖直方向距离，γ为L1与L2夹角。
7.一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节装置实现，所述动态力控制系统包括PI控制器和频率信号发生器，具体步骤为：
S1力测量系统实时测量由于试验模型(1)所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力，并将水平力测量结果信号输出至动态力控制系统；
S2在动态力控制系统中设定预偏值，根据预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值与系统调节阈值e的比较结果，控制PI控制器的工作状态，PI控制器将信号进行运算后构成控制量并输出至频率信号发生器，频率信号发生器将控制量转化为频率信号输出至补偿系统；
S3补偿系统接收由动态力控制系统输入的控制信号，实时调整对攻角机构施加的反向力，抵消由于试验模型(1)所受气动力及重力施加给攻角机构的水平力。
8.根据权利要求7所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节方法，其特征在于，所述预偏值≤10kg。
9.根据权利要求7所述的一种风洞攻角机构负载平衡力动态跟踪调节方法，其特征在于，步骤S2中，根据预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值与系统调节阈值e的比较结果，控制PI控制器工作状态，其方法为：当预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值大于e时，将该差值输入PI控制器；当预偏值与蜗杆底座天平测量结果的差值小于等于e时，PI控制器停止工作，动态力控制系统保持输出力大小不变。
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