CN112697389B - 闭环操纵面自动变角装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种闭环操纵面自动变角装置及其控制方法，包括基座、设置在基座侧面的轴角编码器固定座、设置在轴角编码器固定座上的轴角编码器、设置在基座端部的转轴、设置在转轴上的操纵面、设置在操纵面与基座之间的双向液压缸，轴角编码器通过联轴器与转轴的一端连接，在基座上还设置有单片机，操纵面角度的变化可由主轴传入轴角编码器，轴角编码器实时测量操纵面的角度并将脉冲信号传至单片机，经单片机的计算将信号传至液压泵，液压泵运转使双作用液压缸伸缩运动，实现操纵面的角度调整。本发明克服传统的风洞试验中手动调节角度片，可在显著提高实验效率的同时降低人为因素所带来的实验误差，更为准确、安全地完成风洞模型试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种闭环操纵面自动变角装置及其控制方法，属于风洞试验模型设计领域，用于在风洞试验中实时改变模型操纵面的角度，以代替传统手动更换角度片的风洞试验方式。
背景技术
随着各种新型机种在国内的研制，对于风洞试验的需求越来越多，要求也越来越高，而且各种风洞试验模型的襟翼、副翼等操纵面试验也非常多，如果仍然采用传统方式的手动更换角度片来改变操纵面的角度，势必会严重影响试验效率。对于型号单位而言，将延缓飞机的研制进程，对于风洞试验单位而言，其时间和经济上的浪费也是可观的，特别是对于某些特种风洞，如增压风洞等。
目前，在国内各风洞试验的科研院所，用于风洞试验的型号飞机模型，其操纵面角度的改变主要还是采用人工变角度片的方式，采用自动技术来控制操纵面角度的风洞试验还未见过相关的报道。但是，某些国外大型风洞，如DNW风洞，模型操纵面角度改变很多采用自动控制，但其控制系统基本为开环控制方式。
在国内，通过大量的调研和论证，提出了多种可实现模型操纵面自动变角系统的传动机构方案，开发了微型直流伺服多轴和操纵面地面校准系统，并进行了验证性试验，但是整套系统也为开环方式。
发明内容
本发明的目的是为了代替传统手动更换角度片的风洞试验方式而提供一种闭环操纵面自动变角装置及其控制方法，克服传统的风洞试验中手动调节角度片，可以在显著提高实验效率的同时降低人为因素所带来的实验误差，更为准确、安全地完成风洞模型试验，也方便了将来从模型到实物的推广。
本发明的目的是这样实现的：包括基座、设置在基座侧面的轴角编码器固定座、设置在轴角编码器固定座上的轴角编码器、设置在基座端部的转轴、设置在转轴上的操纵面、设置在操纵面与基座之间的双向液压缸，轴角编码器通过联轴器与转轴的一端连接，在基座上还设置有单片机，操纵面角度的变化可由主轴传入轴角编码器，轴角编码器实时测量操纵面的角度并将脉冲信号传至单片机，经单片机的计算将信号传至液压泵，液压泵运转使双作用液压缸伸缩运动，实现操纵面的角度调整，从而实现操纵面旋转角的闭环回路控制。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述双向液压缸有两个，分别通过液压缸座设置在基座上。
2.在操纵面旋转过程中，通过闭环操作系统将带有D/A转换、通用I/O接口和编码器计数等功能的轴角编码器输出返回脉冲，通过单片机计算返回的脉冲数，并将其与输入的轴角参数进行比较，以判断操纵面实时的位置及角度，然后把比较所得到的操纵面具体位置提供给液压泵，液压泵改变液压泵的伸缩长度使装置调整旋转角，利用负反馈调节机制，可随时按要求将操纵面停止在某一角度，并且角速度可在一定范围内进行控制，避免变角系统偏离预定目标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明一种闭环操纵面自动变角系统，用于在风洞试验中实时改变模型操纵面的角度，以代替传统手动更换角度片的风洞试验方式。
随着航空航天技术的飞速发展，飞机和航天器的外形不断改进，性能不断提高，对风洞试验技术的要求也越来越高。风洞试验不仅要不断提高试验数据的准确性，还要尽可能的提高试验效率。目前用于风洞试验的飞机模型,其操纵面角度主要还是采用人工变角度片的方式，而对于一次风洞试验,改变舵偏角至少要十几次到数十次，这很大程度上降低了风洞实验的效率。特别是对于某些特殊风洞，例如FL-9低速增压风洞试验，每一次改变模型操纵面角度都要对试验段驻室减压再增压，其时间和经济上的浪费是可观的。本发明克服传统的风洞试验中手动调节角度片而提供一种闭环操纵面自动变角系统，可以在显著提高实验效率的同时降低人为因素所带来的实验误差，更为准确、安全地完成风洞模型试验，也方便了将来从模型到实物的推广，其应用前景十分广阔。
附图说明
图1为闭环操纵面自动变角装置的结构示意图。
图2为自动变角装置极限位置一的示意图。
图3为自动变角装置极限位置二的示意图。
图4为操纵面自动变角装置的闭环控制系统方框图。
图中标注的标号说明如下：1是基座，2是液压缸座，3是轴角编码器固定座，4是轴角编码器，5是联轴器，6是转轴，7是单片机，8是双作用液压缸，9是操纵面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，闭环操纵面自动变角系统，它是一个由基座1、液压缸座2、轴角编码器固定座3、轴角编码器4、联轴器5、转轴6、单片机7、双作用液压缸8、操纵面9和液压泵等组成的装置。
基座1是整套装置的安装基础，固定于风洞飞机试验模型的机翼上，其上布置有轴角编码器固定座3，用来固定监测操纵面旋转角的轴角编码器4，轴角编码器4通过联轴器5与转轴6联接，转轴6与操纵面9固连。具体是：基座两端凸出两个连接操纵面转轴的耳片，操纵面转轴与操纵面固连在一起，操纵面转轴一端凸出耳片之外，通过联轴器与轴角编码器相连。外界人工输入一个角度给单片机7，经单片机7处理后将信号传递给液压泵。在基座1两侧布置两个双向液压缸8，液压缸用于自动改变模型操纵面的角度，液压泵运转使得两个双作用液压缸8开始伸缩调整，液压缸的伸缩带动操纵面9运动，从而改变操纵面9与基座1夹角，完成角度调整动作。
图2为极限位置操纵面与基座平行时示意图，此时液压缸达到最大伸长状态。
图3为极限位置操纵面与基座平行时示意图，此时液压缸达到最大收缩状态。
轴角编码器实时测量操纵面的实际旋转角度，并将测量的实际数值反馈给自动变角机构，继而通过控制系统实现操纵面旋转角的闭环控制。
在操纵面旋转过程中，操纵面能够随时按要求停止在某一角度，并且角速度可在一定范围内进行控制。发明的闭环操纵面自动变角系统运转灵活，无卡滞迟滞现象，平稳无噪声，相对于开环系统而言，操纵面角度控制精准度有了很大提高，而且可以很好地承受操纵面所受的气动载荷，在风洞试验中能够代替手动更换角度片的方式。
本装置采用液压缸驱动，驱动力大，适合风洞实验这种重载环境，易于提高实验的安全性；调节范围宽，反应灵敏；液压缸的工作温度范围广，可达-60～200度，寿命长，在运行6000小时后不发生任何故障。
本发明对于大多数需变换操纵面角度的飞机模型风洞试验具有现实意义。实际上，在传统一般的风洞实验条件下，很难保证一下流体力学准则数相同(如雷诺数，马赫数，普朗特数)该发明以自动调节代替手动调节，这就改进了人为因素引起的实验误差，较传统手动因素更为准确且安全，也方便了将来从模型到实物的推广。随着航空航天技术的飞速发展，各种军机、民机等新型飞机的不断出现，风洞试验任务会越来越多，其应用前景十分广阔。
由于操纵面9与转轴6固连，操纵面9角度的变化可由转轴6传入轴角编码器4，轴角编码器4实时测量操纵面9的角度并将脉冲信号传至单片机7，经单片机7的计算将信号传至液压泵，液压泵运转使两个双作用液压缸8伸缩运动，实现操纵面的角度调整，从而实现操纵面旋转角的闭环回路控制。控制方框图如图4。
在操纵面旋转过程中，通过闭环操作系统将带有D/A转换、通用I/O接口和编码器计数等功能的轴角编码器输出返回脉冲，通过单片机计算返回的脉冲数，并将其与输入的轴角参数进行比较，以判断操纵面实时的位置及角度，然后把比较所得到的操纵面具体位置提供给液压泵，液压泵改变液压泵的伸缩长度使装置调整旋转角，利用负反馈调节机制，可随时按要求将操纵面停止在某一角度，并且角速度可在一定范围内进行控制，避免变角系统偏离预定目标。本专利所发明的闭环操纵面自动变角系统运转灵活，无卡滞迟滞现象，平稳无噪声，相对于开环系统而言，操纵面角度控制精准度有了很大提高，而且可以很好地承受操纵面所受的气动载荷，在风洞试验中能够代替手动对操纵面进行角度调整的方式。
Claims (1)
1.闭环操纵面自动变角装置，用于需要变换操纵面角度的飞机模型风洞试验中，能够承受操纵面所受的气动载荷，其特征在于，包括基座、设置在基座侧面的轴角编码器固定座、设置在轴角编码器固定座上的轴角编码器、设置在基座端部的转轴、设置在转轴上的操纵面、设置在操纵面与基座之间的双作用液压缸，轴角编码器通过联轴器与转轴的一端连接，在基座上还设置有单片机，操纵面角度的变化由转轴传入轴角编码器，轴角编码器实时测量操纵面的角度并将脉冲信号传至单片机，经单片机的计算将信号传至液压泵，液压泵运转使双作用液压缸伸缩运动，实现操纵面的角度调整，从而实现操纵面旋转角的闭环回路控制；
基座是整套装置的安装基础，固定于风洞试验飞机模型的机翼上；
基座两端凸出两个连接操纵面转轴的耳片，操纵面转轴与操纵面固连在一起，操纵面转轴一端凸出耳片之外，通过联轴器与轴角编码器相连；外界人工输入一个角度给单片机，经单片机处理后将信号传递给液压泵；在基座两侧布置两个双作用液压缸，双作用液压缸用于自动改变飞机模型操纵面的角度，液压泵运转使得两个双作用液压缸开始伸缩调整，双作用液压缸的伸缩带动操纵面运动，从而改变操纵面与基座夹角，完成角度调整动作；
在操纵面旋转过程中，通过闭环操作系统将带有D/A转换、通用I/O接口和编码器计数功能的轴角编码器输出返回脉冲，通过单片机计算返回的脉冲数，并将其与输入的轴角参数进行比较，以判断操纵面实时的位置及角度，然后把比较所得到的操纵面具体位置提供给液压泵，液压泵改变双作用液压缸的伸缩长度使所述变角装置调整旋转角，利用负反馈调节机制，能够随时按要求将操纵面停止在某一角度，并且角速度能在一定范围内进行控制，避免所述变角装置偏离预定目标。
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