CN112577710B

CN112577710B - 一种迎角运动机构及迎角调整方法

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Publication number: CN112577710B
Application number: CN202110210762.4A
Authority: CN
Inventors: 熊建军; 易贤; 赵照; 冉林; 明丽洪; 张鸿健; 孙才国
Original assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: CN112577710A

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种迎角运动机构及迎角调整方法，其中，迎角运动机构的调整方法包括如下步骤：当试验模型的迎角为0时，计算第一连线与尾连杆之间的夹角，记为β，所述第一连线为所述龙门架的第二位置与所述龙门架的第一位置之间的连线；获取试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα；根据试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα，计算电机的给定转速n；调整试验模型的迎角测量值α ₁，使试验模型的迎角测量值α ₁与试验模型的迎角给定值α满足|α ₁‑α|≤η，其中，η为迎角允许误差，通过迎角编码器测得试验模型的迎角测量值α ₁。本发明中的迎角运动机构及迎角运动机构的调整方法，可以使迎角调整的精度较高。

Description

一种迎角运动机构及迎角调整方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种迎角运动机构及迎角调整方法。

背景技术

在风洞试验中，必须把试验模型支撑在气流流场中，模拟试验模型的迎角，要求支撑系统实现试验模型的迎角的连续变化和高精度定位控制。

对于固定翼飞机来说，迎角是机翼相对于气流的方向和翼弦相对于机身轴线的夹角，迎角是确定固定翼飞机飞行姿态的重要参数。常用的模型支撑方式包括腹撑、尾撑、背撑以及适用于开口试验段的张线支撑等，无论采用何种支撑方式，都要求模型姿态角大范围连续变化，角度精准控制，支撑稳定，对气流场影响小。

现有技术中，对于迎角的调整往往基于电机的编码器，然而，电机的编码器往往不能真实地反应迎角，中间还存在换算误差，因而，现有技术中对于迎角的调整精度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种迎角运动机构及迎角调整方法，旨在解决现有技术中存在的迎角调整精度差的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种迎角运动机构，其包括龙门架、主撑杆、尾撑杆、尾连杆、螺旋升降机、迎角编码器，所述主撑杆和所述尾撑杆均朝竖直方向分布，其中：

所述螺旋升降机包括驱动机构和驱动轴，所述驱动机构包括依次连接的电机编码器、电机、减速器，所述减速器的输出轴与所述驱动轴连接；

所述主撑杆的第一端与试验模型的第一位置铰接，所述主撑杆的第二端与龙门架固定连接；

所述尾撑杆的第一端与试验模型的第二位置铰接，所述尾撑杆的第二端与尾连杆的第一端铰接；

所述尾连杆的第二端与所述驱动轴的第一端铰接，所述驱动轴的第二端与所述龙门架的第一位置铰接，所述尾连杆与所述龙门架的第二位置铰接；

所述龙门架的第二位置与所述主撑杆在同一竖直线上，且所述迎角编码器设置于所述龙门架的第二位置处，所述试验模型的第一位置、试验模型的第二位置之间的连线，与所述尾连杆平行。

第二方面，本发明提供了一种迎角运动机构的调整方法，其包括如下步骤：

步骤S10：当试验模型的迎角为0时，计算第一连线与尾连杆之间的夹角，记为β，所述第一连线为所述龙门架的第二位置与所述龙门架的第一位置之间的连线；

步骤S20：获取试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα；

步骤S30：根据试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα，计算电机的给定转速n；

步骤S40：调整试验模型的迎角测量值α ₁，使试验模型的迎角测量值α ₁与试验模型的迎角给定值α满足|α ₁-α|≤η，其中，η为迎角允许误差，通过迎角编码器测得试验模型的迎角测量值α ₁；

进一步地，所述步骤S30包括如下步骤：

步骤S31：当sign(α)=1时，电机的给定转速n的计算如下：

其中，m为减速器的减速比，s为螺旋升降机导程，l ₁为所述第一连线的长度，l ₂为所述龙门架的第二位置与所述尾连杆的第二端之间的长度。

进一步地，所述步骤S30包括如下步骤：

步骤S32：当sign(α)=-1时，电机的给定转速n的计算如下：

。

进一步地，所述步骤S40包括如下步骤：

步骤S41：在电机速度闭环控制模式下，使试验模型的迎角测量值α ₁与试验模型的迎角给定值α满足α ₁/α=σ，其中，σ为给定百分比；

步骤S42：在迎角位置闭环控制模式下，使试验模型的迎角测量值α ₁与试验模型的迎角给定值α满足|α ₁-α|≤η。

进一步地，所述步骤S40中，通过|α ₁-α|的值来控制电机的实际转速n ₁，所述电机的实际转速n ₁通过电机编码器测得。

进一步地，当|α ₁-α|≥5º时，所述电机以给定转速n运行；当5º>|α ₁-α|≥2º时，所述电机以给定转速n的50%运行；当2º>|α ₁-α|≥1º时，所述电机以给定转速n的20%运行；当|α ₁-α|≤0.1º时，所述电机以给定转速n的5%运行。

本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：

1.本发明中，龙门架的第二位置与主撑杆在同一竖直线上，试验模型的第一位置、试验模型的第二位置之间的连线，与尾连杆平行，因此，尾连杆的角度即代表了试验模型的迎角，而且，将迎角编码器设置于龙门架的第二位置处，因此，可以通过迎角编码器直接测量得到试验模型迎角的真实值（也就是测量值），因而，试验模型迎角的测量精度更高，据此进行的试验模型迎角的调整的精度同样较高，而现有技术中，仅仅通过电机编码器进行迎角的位置反馈，现有技术存在较大的误差；

2.本发明中，电机的给定转速可以根据迎角给定值和迎角变化速度计算得到，而判断实际迎角是否达到迎角给定值，是可以通过迎角编码器直接测量得到的，据此进行的试验模型迎角的调整的精度同样较高；

3.本发明中，在不同的调整阶段采用了不同的调整策略，既能保障调整效率，又能提高调整精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种迎角运动机构的示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种迎角运动机构的调整方法的示意图；

图3是试验模型的迎角为0时的简化图；

图4是迎角给定值α为正的状态；

图5是迎角给定值α为负的状态。

具体实施方式

在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或模型的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或模型。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例一

如图1所示为本发明实施例一提供的一种迎角运动机构的示意图，本发明实施例一中的迎角运动机构包括龙门架10、主撑杆20、尾撑杆30、尾连杆40、螺旋升降机50、迎角编码器70，所述主撑杆20和所述尾撑杆30均朝竖直方向分布，其中，

所述螺旋升降机50包括驱动机构60和驱动轴，所述驱动机构60包括依次连接的电机编码器61、电机62、减速器63，所述减速器63的输出轴与所述驱动轴连接；

在电机62和减速器63的驱动和传动下，驱动轴可向外伸出或者向内缩回，在此过程中，驱动轴可推动所述尾连杆40的第二端绕着所述龙门架10的第二位置A4转动，且驱动轴可绕所述龙门架10的第一位置A3转动；

所述主撑杆20的第一端21与试验模型W的第一位置A1铰接，所述主撑杆20的第二端22与龙门架10固定连接；

所述尾撑杆30的第一端31与试验模型W的第二位置A2铰接，所述尾撑杆30的第二端32与尾连杆40的第一端41铰接；

所述尾连杆40的第二端42与所述驱动轴的第一端64铰接，所述驱动轴的第二端65与所述龙门架10的第一位置A3铰接，所述尾连杆40与所述龙门架10的第二位置A4铰接；

所述龙门架10的第二位置A4与所述主撑杆20在同一竖直线上，且所述迎角编码器70设置于所述龙门架10的第二位置A4处，所述试验模型W的第一位置A1、试验模型W的第二位置A2之间的连线A1A2，与所述尾连杆40平行。

由试验模型W的第一位置A1、试验模型W的第二位置A2、所述尾撑杆30与尾连杆40的交点、龙门架10的第二位置A4构成了一个平行四边形的角点，也就是说，由主撑杆20、试验模型W、尾撑杆30、尾连杆40的第一端与龙门架10的第二位置A4之间部分，共同构成了平行四边形机构；

由尾连杆40的第二端与龙门架10的第二位置A4之间部分、螺旋升降机50共同构成了摆动机构；

本发明实施例一中龙门架10的第二位置A4与所述主撑杆20在同一竖直线上，试验模型W的第一位置A1、试验模型W的第二位置A2之间的连线A1A2，与所述尾连杆40平行，因此，尾连杆40的角度即代表了试验模型的迎角，而且，本发明实施例一中，将迎角编码器70设置于龙门架10的第二位置A4处，因此，可以通过迎角编码器70直接测量得到试验模型迎角的真实值（也就是测量值），因而，试验模型迎角的测量精度更高，据此进行的试验模型迎角的调整的精度同样较高，而现有技术中，仅仅通过电机编码器进行迎角的位置反馈，现有技术存在较大的误差。

实施例二

如图2所示为本发明实施例二提供的一种迎角运动机构的调整方法的示意图，本发明实施例二提供的一种迎角运动机构的调整方法包括如下步骤：

步骤S10：当试验模型的迎角为0时，计算第一连线与尾连杆40之间的夹角，记为β，所述第一连线为所述龙门架10的第二位置A4与所述龙门架10的第一位置A3之间的连线；

如图3所示为试验模型的迎角为0时的简化图，此时，尾连杆40处于水平位置；

步骤S20：获取试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα；

试验模型的迎角给定值α存在如图4和5两种形态，其中，图4为迎角给定值α为正的状态，图5为迎角给定值α为负的状态，关于图3-5中的l ₁和l ₂的含义，在下文中进行解释。

步骤S30：根据试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα，计算电机62的给定转速n；

步骤S40：调整试验模型的迎角测量值α ₁，使试验模型的迎角测量值α ₁与试验模型的迎角给定值α满足|α ₁-α|≤η，其中，η为迎角允许误差，通过迎角编码器70测得试验模型的迎角测量值α ₁；

本发明实施例二提供的一种迎角运动机构的调整方法用于调整本发明实施例一中的迎角运动机构，关于迎角运动机构的构造不再赘述。

本发明实施例二中，可以通过迎角编码器70直接测量得到试验模型迎角的真实值（也就是测量值），因而，试验模型迎角的测量精度更高，据此进行的试验模型迎角的调整的精度同样较高。

进一步地，所述步骤S30包括如下步骤：

步骤S31：当sign(α)=1时，电机62的给定转速n的计算如下：

其中，m为减速器的减速比，s为螺旋升降机导程，l ₁为所述第一连线的长度，l ₂为所述龙门架10的第二位置A4与所述尾连杆40的第二端42之间的长度。

其推导过程如下：

如图4所示，当sign(α)=1时，表明迎角给定值α为正，因此，此时的驱动轴的长度k2（也就是图4中的驱动轴的第一端64和第二端65之间的长度）为：

设图3中的驱动轴的长度为k ₁（也就是图3中的驱动轴的第一端64和第二端65之间的长度），因此，当试验模型的迎角由0变化到图4中的迎角给定值α时，驱动轴伸长了Δk= k ₂ -k ₁，因此，电机旋转的圈数y为：

由于k ₁为常数，因此，电机的给定转速的计算为：

即为迎角变化速度Δα。

进一步地，所述步骤S30包括如下步骤：

步骤S32：当sign(α)=-1时，电机62的给定转速n的计算如下：

。

其推导过程如下：

如图5所示，当sign(α)=-1时，表明迎角给定值α为负，因此，此时的驱动轴的长度k ₃（也就是图5中的驱动轴的第一端64和第二端65之间的长度）为：

因此，当试验模型的迎角由0变化到图5中的迎角给定值α时，驱动轴缩短了Δk= k ₁ -k ₃，因此，电机旋转的圈数y为：

由于k ₁为常数，因此，电机的给定转速的计算为：

。

从步骤S31和步骤S32可以看出，电机62的给定转速n可以根据迎角给定值α和迎角变化速度Δα计算得到，而判断实际迎角是否达到迎角给定值，是可以通过迎角编码器70直接测量得到的，据此进行的试验模型迎角的调整的精度同样较高。

进一步，所述步骤S40包括如下步骤：

在电机速度闭环控制模式下，可以快速地使试验模型的迎角测量值α ₁接近试验模型的迎角给定值α，以提高调整效率，优选地，σ=90%。

在迎角位置闭环控制模式下，可以精确地使试验模型的迎角测量值α ₁接近试验模型的迎角给定值α，以提高调整精度，优选地，η=0.05º。

进一步地，所述步骤S40中，通过|α ₁-α|的值来控制电机62的实际转速n ₁，所述电机62的实际转速n ₁通过电机编码器61测得。

具体地，当|α ₁-α|≥5º时，所述电机62以给定转速n运行；当5º>|α ₁-α|≥2º时，所述电机62以给定转速n的50%运行；当2º>|α ₁-α|≥1º时，所述电机62以给定转速n的20%运行；当|α ₁-α|≤0.1º时，所述电机62以给定转速n的5%运行。

在此设置下，既能提高调整精度，又能提高调整效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种迎角运动机构，其特征在于，包括龙门架（10）、主撑杆（20）、尾撑杆（30）、尾连杆（40）、螺旋升降机（50）、迎角编码器（70），所述主撑杆（20）和所述尾撑杆（30）均朝竖直方向分布，其中，

所述螺旋升降机（50）包括驱动机构（60）和驱动轴，所述驱动机构（60）包括依次连接的电机编码器（61）、电机（62）、减速器（63），所述减速器（63）的输出轴与所述驱动轴连接；

所述主撑杆（20）的第一端（21）与试验模型（W）的第一位置（A1）铰接，所述主撑杆（20）的第二端（22）与龙门架（10）固定连接；

所述尾撑杆（30）的第一端（31）与试验模型（W）的第二位置（A2）铰接，所述尾撑杆（30）的第二端（32）与尾连杆（40）的第一端（41）铰接；

所述尾连杆（40）的第二端（42）与所述驱动轴的第一端（64）铰接，所述驱动轴的第二端（65）与所述龙门架（10）的第一位置（A3）铰接，所述尾连杆（40）与所述龙门架（10）的第二位置（A4）铰接；

所述龙门架（10）的第二位置（A4）与所述主撑杆（20）在同一竖直线上，且所述迎角编码器（70）设置于所述龙门架（10）的第二位置（A4）处，所述试验模型（W）的第一位置（A1）、试验模型（W）的第二位置（A2）之间的连线（A1A2），与所述尾连杆（40）平行。

2.一种如权利要求1所述的迎角运动机构的调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10：当试验模型的迎角为0时，计算第一连线与尾连杆（40）之间的夹角，记为β，所述第一连线为所述龙门架（10）的第二位置（A4）与所述龙门架（10）的第一位置（A3）之间的连线；

步骤S20：获取试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα；

步骤S30：根据试验模型的迎角给定值α和迎角变化速度Δα，计算电机（62）的给定转速n；

步骤S40：调整试验模型的迎角测量值α ₁，使试验模型的迎角测量值α ₁与试验模型的迎角给定值α满足|α ₁-α|≤η，其中，η为迎角允许误差，通过迎角编码器（70）测得试验模型的迎角测量值α ₁。

3.如权利要求2所述的一种迎角运动机构的调整方法，其特征在于，所述步骤S30包括如下步骤：

步骤S31：当sign(α)=1时，电机（62）的给定转速n的计算如下：

其中，m为减速器的减速比，s为螺旋升降机导程，l ₁为所述第一连线的长度，l ₂为所述龙门架（10）的第二位置（A4）与所述尾连杆（40）的第二端（42）之间的长度。

4.如权利要求3所述的一种迎角运动机构的调整方法，其特征在于，所述步骤S30包括如下步骤：

步骤S32：当sign(α)=-1时，电机（62）的给定转速n的计算如下：

。

5.如权利要求3所述的一种迎角运动机构的调整方法，其特征在于，所述步骤S40包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的一种迎角运动机构的调整方法，其特征在于，所述步骤S40中，通过|α ₁-α|的值来控制电机（62）的实际转速n ₁，所述电机（62）的实际转速n ₁通过电机编码器（61）测得。

7.如权利要求6所述的一种迎角运动机构的调整方法，其特征在于，当|α ₁-α|≥5º时，所述电机（62）以给定转速n运行；当5º>|α ₁-α|≥2º时，所述电机（62）以给定转速n的50%运行；当2º>|α ₁-α|≥1º时，所述电机（62）以给定转速n的20%运行；当|α ₁-α|≤0.1º时，所述电机（62）以给定转速n的5%运行。