CN114859701A - 一种风洞大攻角装置和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞大攻角装置和控制系统，控制系统用于控制风洞大攻角装置，控制系统包括：α驱动油缸控制子系统、Y向油缸位移控制子系统、前β驱动油缸控制子系统和后β驱动油缸控制子系统，α驱动油缸控制子系统用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度调节攻角角度，Y向油缸位移控制子系统用于根据给定的竖直方向位移和Y向油缸的速度调节模型的高度，前β驱动油缸控制子系统用于根据给定的角度β₁和前β驱动油缸的速度调节角度β₁，后β驱动油缸控制子系统用于根据给定的角度β₂和后β驱动油缸的速度调节角度β₂。

Description

一种风洞大攻角装置和控制系统

技术领域

本发明涉及一种风洞大攻角装置和控制系统。

背景技术

针对8m×6m风洞大攻角装置，通常由多根伺服油缸驱动，其中包括可朝向不同方向伸缩的驱动油缸，不同驱动油缸通过组合运动实现偏航角和攻角的变化，并保证模型在左右方向不偏离风洞试验段中心轴线。为了进一步确保模型在风洞试验中的可靠性，需要对风洞大攻角装置的控制方式进一步优化，确保试验数据的真实有效。

发明内容

为实现上述目的，本申请提供一种控制系统，用于控制风洞大攻角装置，风洞大攻角装置包括：Y向油缸、α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸，Y向油缸竖直设置，且能够沿竖直方向伸缩，α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸处在垂直于Y向油缸的平面内，前β驱动油缸、后β驱动油缸和α驱动油缸依次沿背离Y向油缸的方向延伸设置，α驱动油缸用于放置模型，通过α驱动油缸的伸缩，调整模型的攻角，通过Y向油缸的伸缩，调整模型的高度，通过前β驱动油缸和后β驱动油缸的伸缩，调整模型的侧滑角，前β驱动油缸的伸缩可改变角度β₁，后β驱动油缸的伸缩可改变角度β₂，侧滑角为角度β₁和角度β₂的合成角度，控制系统包括：

α驱动油缸控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，依次生成攻角角度的角度轨迹和α驱动油缸的位置轨迹，根据α驱动油缸的位置轨迹并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动α驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际攻角角度，实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的α驱动油缸的位置轨迹；

Y向油缸位移控制子系统，用于根据给定的竖直方向位移和Y向油缸的速度，生成Y向油缸的位置轨迹，根据Y向油缸的位置轨迹并通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，在Y向油缸伸缩时，将Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动；

前β驱动油缸控制子系统，用于根据给定的角度β₁和前β驱动油缸的速度，依次生成角度β₁的角度轨迹和前β驱动油缸的位置轨迹，根据前β驱动油缸的位置轨迹并通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动前β驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₁，实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的前β驱动油缸的位置轨迹；

后β驱动油缸控制子系统，用于根据给定的角度β₂和后β驱动油缸的速度，依次生成角度β₂的角度轨迹和后β驱动油缸的位置轨迹，根据后β驱动油缸的位置轨迹并通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动后β驱动油缸的伸缩，在后β驱动油缸伸缩时，将后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₂，实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的后β驱动油缸的位置轨迹。

可选地，还包括：

攻角和Y向位置协调联动控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成α驱动油缸和Y向油缸的位置轨迹；根据α驱动油缸的位置轨迹并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动α驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际攻角角度，实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的α驱动油缸的位置轨迹；根据Y向油缸的位置轨迹并通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，在Y向油缸伸缩时，将Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动。

可选地，还包括：

侧滑角控制子系统，用于根据给定的侧滑角的角度和运行速度，生成侧滑角的轨迹，然后依次生成角度β₁的角度轨迹和前β驱动油缸的位置轨迹，根据前β驱动油缸的位置轨迹并通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动前β驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₁，实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的前β驱动油缸的位置轨迹；根据实际角度β₁和侧滑角的轨迹，依次生成角度β₂的角度轨迹和后β驱动油缸的位置轨迹，根据后β驱动油缸的位置轨迹并通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动后β驱动油缸的伸缩，在后β驱动油缸伸缩时，将后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₂，实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的后β驱动油缸的位置轨迹。

可选地，还包括：

吹风试验控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成α驱动油缸和Y向油缸的位置轨迹；根据α驱动油缸的位置轨迹并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动α驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际攻角角度，实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的α驱动油缸的位置轨迹；根据Y向油缸的位置轨迹并通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，在Y向油缸伸缩时，将Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动；

并用于根据给定的侧滑角的角度和实际的攻角角度，生成侧滑角的轨迹，然后依次生成角度β₁的角度轨迹和前β驱动油缸的位置轨迹，根据前β驱动油缸的位置轨迹并通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动前β驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₁，实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的前β驱动油缸的位置轨迹；根据实际角度β₁和侧滑角的轨迹，依次生成角度β₂的角度轨迹和后β驱动油缸的位置轨迹，根据后β驱动油缸的位置轨迹并通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动后β驱动油缸的伸缩，在后β驱动油缸伸缩时，将后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₂，实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的后β驱动油缸的位置轨迹。

可选地，还包括：

油源控制子系统，用于控制风洞大攻角装置的油源系统运行，油源控制子系统用于在油源系统加电后，控制油源系统进入待机状态；

当位于油源现场的控制柜处于“自动”方式时，通过触发位于测控间的操作台或上位机控制界面能够控制油源系统起动或停车；

位于油源现场的控制柜处于“手动”方式时，通过触发位于测控间的操作台或上位机控制界面无法控制油源系统起动或停车。

可选地，油源控制子系统还用于：当位于油源现场的两个泵组控制柜都处于“自动”方式时，则在依次启动两个泵组的电机后，控制调压阀运行。

本申请还提供一种风洞大攻角装置，包括上述的控制系统，还包括：Y向油缸、α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸，Y向油缸竖直设置，且能够沿竖直方向伸缩，α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸处在垂直于Y向油缸的平面内，前β驱动油缸、后β驱动油缸和α驱动油缸依次沿背离Y向油缸的方向延伸设置，α驱动油缸用于放置模型，通过α驱动油缸的伸缩，调整模型的攻角，通过Y向油缸的伸缩，调整模型的高度，通过前β驱动油缸和后β驱动油缸的伸缩，调整模型的侧滑角。

相对于上述背景技术，本申请提供的控制系统，其有益效果如下：

攻角运动范围：大攻角0～120°，常规攻角-10～30°；

攻角运动速度：大攻角3°/S，常规攻角1°/S；

侧滑角运动范围：-30～30°；

侧滑角运动速度：大攻角2°/S，常规攻角1°/S；

与此同时，本申请提供的控制系统，可实现模型姿态角速度的控制，解决了负载对控制品质的影响等难题，最终达到的控制指标优于设计要求，控制系统姿态角控制精度0.005°，高于设计要求的0.05°一个数量级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的风洞大攻角装置的正视图；

图2为本发明实施例所提供的风洞大攻角装置的俯视图；

图3为本发明实施例所提供的控制系统的α驱动油缸控制子系统的控制框图；

图4为本发明实施例所提供的控制系统的Y向油缸位移控制子系统的控制框图；

图5为本发明实施例所提供的控制系统的攻角和Y向位置协调联动控制子系统的控制框图；

图6为本发明实施例所提供的控制系统的侧滑角控制子系统的控制框图；

图7为本发明实施例所提供的控制系统的吹风试验控制子系统的控制框图；

图8为本发明实施例所提供的控制系统的油源控制子系统的控制框图；

图9为本发明实施例所提供的控制系统的智能控制器的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本申请公开了一种控制系统，用于控制风洞大攻角装置，风洞大攻角装置的结构如说明书附图1和附图2所示。

风洞大攻角装置包括：Y向油缸1、α驱动油缸2、前β驱动油缸3和后β驱动油缸4，Y向油缸1竖直设置，且能够沿竖直方向伸缩，α驱动油缸2、前β驱动油缸3和后β驱动油缸4处在垂直于Y向油缸1的平面内，前β驱动油缸3、后β驱动油缸4和α驱动油缸2依次沿背离Y向油缸1的方向延伸设置，α驱动油缸2用于放置模型100，通过α驱动油缸2的伸缩，调整模型100的攻角，通过Y向油缸1的伸缩，调整模型100的高度，通过前β驱动油缸3和后β驱动油缸4的伸缩，调整模型100的侧滑角β，前β驱动油缸3的伸缩可改变角度β₁，后β驱动油缸4的伸缩可改变角度β₂，侧滑角β为角度β₁和角度β₂的合成角度。

参考说明书附图1，当攻角α需要调节时，α驱动油缸2进行伸缩，此时位于α驱动油缸2前端的模型100则会改变攻角α的角度，Y向油缸1在竖直方向的位移则会改变模型100的高度，即调整模型100的高矮，配合攻角α的调整。也即，针对攻角α的调整，是通过控制α驱动油缸2的升缩实现的，为了使模型100中心维持在相对位置，则需要通过调整Y向油缸1实现来实现。

参考说明书附图2，模型100在侧滑时，要求模型100按照中心旋转，为了保证侧滑时模型100中心在风洞中心上通过调整角度β₂和角度β₁的组合角度实现侧滑角β的调整，其中，角度β₂通过调整后β驱动油缸4的伸缩来实现，角度β₁通过调整前β驱动油缸3的伸缩来实现，即通过调整前β驱动油缸3和后β驱动油缸4的伸缩来实现侧滑角β的调整。

针对控制系统的硬件架构，在PLC主机架上配置有电源模块、CPU模块、总线传输模块、以太网模块、7961 SSI接口模块、模拟量输入/输出模块、光隔输入及继电器输出模块。

电源模块可选用4NIC24V10A。CPU模块选取CP6202-0021，该模块开关量I/O点12K；模拟量I/O点8K，用户内存1M，布尔运算速度0.4ms/K，支持浮点运算。该模块有两个处理器：一个是通用微处理器，一个是用于快速执行开关运算的布尔处理器。

总线传输模块：EK1100提供总线扩展接口和高性能并行编程器接口。

以太网络控制器模块支持MMS/SRTP数据传输协议，支持TCP/IP，传输速率10Mbps。

SSI接口模块为倍福公司产品，用于接收来至于液压缸位移传感器的位置数据。支持单字SSI格式信号输出的传感器，可以对SSI时钟频率、SSI传输位数、SSI传输数据位数、数据类型（二进制或格雷码数据）、数据逻辑等进行编程设置。还可以对转换比例系数、零点、数据记数方向、数据更新时间等进行设置。该模块接受MTS位移传感器检测的油缸位移。

模拟量输入模块选为EL3124，每个模块提供4路16位模拟量输入通道，输入信号范围-10V~+10V，4~20mA（0~20 mA），该模块用于油压信号的采集。模拟量输出模块为EL4124，每个模块提供4路16位模拟量输出通道。输出范围-10V~+10V，0~22.5mA（4~20 mA），该模块用于闭环控制输出。开关量输入模块选为EL1004，每模块提供4点输入，用于系统状态的检测。继电器输出模块为EL2624，每模块提供4点继电器输出点，负载2A 120/240VAC或5A 24/125VDC。该模块主要用于油源系统的控制。

工控机（IPC）为研华PⅣ IPC ，内存256M，17液晶显示器，配10~100Mb自适应网卡和研华PCI-1612B通信卡。

控制系统包括α驱动油缸控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，依次生成攻角角度的角度轨迹和α驱动油缸的位置轨迹，根据α驱动油缸的位置轨迹并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动α驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际攻角角度，实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的α驱动油缸的位置轨迹。

参考说明书附图3，首先根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成攻角角度的轨迹曲线，然后可通过第一算法计算得到α驱动油缸的位置轨迹，其中，α驱动油缸可具体为对称设置的两根，用来实现攻角角度的控制。攻角角度的轨迹曲线得到后，可根据第二算法并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，同步控制1号油缸和2号油缸伸缩，1号油缸和2号油缸伸缩为两个不同的α驱动油缸，两个α驱动油缸控制俯仰臂调节，并驱动负载（模型100）改变攻角角度。在α驱动油缸伸缩的过程中，可以利用位移传感器实时检测α驱动油缸的位置，将该位置发送至第二算法，实现一次闭环控制，同时该位置转换为实际攻角角度之后发送至第一算法和第三算法，实现第二次闭环控制。

上文中，第一算法是在第二算法的基础上，加入角度闭环控制位置速度分解和位置、速度控制前瞻，第二算法仅仅作为位置控制使用，可以采用PID等调节方式，第三算法在第二算法的基础上引入了载荷反馈，使油缸在不同的载荷状态下平稳运行。其中，无论是第一算法、第二算法还是第三算法，其具体实现方式可参考现有技术。当然，为了实现α驱动油缸控制子系统的运行过程，还可以采用其他不同算法实现，本文不再展开。

控制系统还包括Y向油缸位移控制子系统，用于根据给定的竖直方向位移和Y向油缸的速度，生成Y向油缸的位置轨迹，根据Y向油缸的位置轨迹并通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，在Y向油缸伸缩时，将Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动。

如说明书附图4所示，首先根据给定的竖直方向位移和Y向油缸的速度，生成Y向油缸的位置轨迹，然后可以通过第二算法控制Y向油缸的伺服阀驱动放大器运行，并控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，Y向油缸同样可设置为两根，Y向油缸1和Y向油缸2同步运行，进而驱动Y向小车和负载沿竖直方向运动，在Y向油缸伸缩的同时，利用位移传感器实时反馈位置，发送至第二算法，实现位置的闭环控制。同样的，第二算法作为位置控制使用，可以采用PID等调节方式。

控制系统还包括前β驱动油缸控制子系统，用于根据给定的角度β₁和前β驱动油缸的速度，依次生成角度β₁的角度轨迹和前β驱动油缸的位置轨迹，根据前β驱动油缸的位置轨迹并通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动前β驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₁，实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的前β驱动油缸的位置轨迹；

控制系统还包括后β驱动油缸控制子系统，用于根据给定的角度β₂和后β驱动油缸的速度，依次生成角度β₂的角度轨迹和后β驱动油缸的位置轨迹，根据后β驱动油缸的位置轨迹并通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动后β驱动油缸的伸缩，在后β驱动油缸伸缩时，将后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₂，实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的后β驱动油缸的位置轨迹。在液压驱动上，α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸均采用了一个伺服阀驱动两个缸的驱动方式。

前β驱动油缸控制子系统和后β驱动油缸控制子系统的具体控制方式类似于α驱动油缸控制子系统的控制方式，区别仅在于初始条件的给定不同，且最终调节的油缸不同，其原理和过程类似，本文不再展开。

本文中，针对α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸，针对角度进行控制的同时，还对位移进行闭环控制，即角度闭环由两个闭环组成，第一算法和第三算法负责实现最终角度位置的高精度控制，是实现控制精度指标的控制算法模块。第二算法负责实现油缸位移闭环控制，这样一来，采用两级闭环的方式，可以提高控制器的鲁棒性。

也就是说，针对角度闭环系统，实际上是双环系统，内环为油缸位置环，外环为角度环，由于油缸位移与角度之间是多项三角函数关系，所以要实现角度匀速运动，则油缸为非匀速运动，反之，油缸匀速运动时，则角度为非匀速运动。

除此之外，根据机构的安装及试验要求，控制系统还可具有角度“盘零”功能。PLC在收到盘零命令（脉冲）的上升沿时，就将该时刻的角度或油缸位置作为零点，并存储在PLC的存储器里，在PLC断电停止工作时，该数据也不会丢失。

控制系统还包括攻角和Y向位置协调联动控制子系统，如说明书附图5所示，攻角和Y向位置协调联动控制子系统用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成α驱动油缸和Y向油缸的位置轨迹；根据α驱动油缸的位置轨迹并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动α驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际攻角角度，实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的α驱动油缸的位置轨迹；根据Y向油缸的位置轨迹并通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，在Y向油缸伸缩时，将Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动。

其中，攻角和Y向位置协调联动控制子系统的具体运行过程可看做是将上文中α驱动油缸控制子系统和Y向油缸位移控制子系统的控制过程相结合，采用基于跟随协调控制的控制模式，由Y向油缸跟随α驱动油缸的方式，与上文一致地，第二算法实现α驱动油缸的位置闭环控制，第一算法主要是实现攻角角度的闭环控制，第三算法实现高精度角度补偿控制算法，用于解决系统负载对控制精度的影响，速度位置轨迹的生成过程是实现角度运动速度控制及两自由度之间协调控制的基础，基本上是在速度的基础上进行协调补偿控制，来实现两者间的协调联动，第四算法主要实现Y向油缸高精度跟随控制。第四算法与第二算法的算法原理相同，不同的是控制过程中增加了载荷反馈和跟随算法，可以通过主轴与从轴之间的轨迹关系规划从轴的轨迹，并通过PID算法实现精确控制，不同算法的具体实现方式可参考现有技术中，本文不再展开。

控制系统还包括侧滑角控制子系统，参考说明书附图6，侧滑角控制子系统用于根据给定的侧滑角β的角度和运行速度，生成侧滑角β的轨迹，然后依次生成角度β₁的角度轨迹和前β驱动油缸的位置轨迹，根据前β驱动油缸的位置轨迹并通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动前β驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₁，实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的前β驱动油缸的位置轨迹；根据实际角度β₁和侧滑角β的轨迹，依次生成角度β₂的角度轨迹和后β驱动油缸的位置轨迹，根据后β驱动油缸的位置轨迹并通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动后β驱动油缸的伸缩，在后β驱动油缸伸缩时，将后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₂，实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的后β驱动油缸的位置轨迹。

其中，侧滑角控制子系统的具体运行过程可看做是将上文中前β驱动油缸控制子系统和后β驱动油缸控制子系统的控制过程相结合，其具体运行过程可参考前β驱动油缸控制子系统和后β驱动油缸控制子系统的运行过程。

侧滑角实现是通过前β驱动油缸和后β驱动油缸的协调联动来实现的。侧滑角控制子系统的控制思路基本上基于跟随控制模式，即角度β₂跟随角度β₁，第四算法是实现角度β₂轨迹生成及角度β₂闭环控制。第五算法实现油缸位移闭环控制。第六算法实现角度β₂高精度补偿控制，是获得高精度角度的重要控制算法模块。

第五算法与第四算法的原理相同，不同的是第五算法的主从关系由凸轮表给定。第六算法与第四算法的原理相同，不同的是第六算法是在机构实际角度接近给定角度时才开始工作，工作参数相比于第四算法更加精细，机构运动速度更慢。

此外，最外环的第六算法是实现侧滑角高精度补偿的重要控制器，可以获得最终的高精度侧滑角的角度，第六算法是在机构实际角度接近给定角度时才开始工作。

本文的控制系统还包括吹风试验控制子系统，参考说明书附图7所示，吹风试验控制子系统用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成α驱动油缸和Y向油缸的位置轨迹；根据α驱动油缸的位置轨迹并通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动α驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际攻角角度，实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的α驱动油缸的位置轨迹；根据Y向油缸的位置轨迹并通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动Y向油缸的伸缩，在Y向油缸伸缩时，将Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制Y向油缸的电液伺服阀运动；

并用于根据给定的侧滑角β的角度和实际的攻角α角度，生成侧滑角β的轨迹，然后依次生成角度β₁的角度轨迹和前β驱动油缸的位置轨迹，根据前β驱动油缸的位置轨迹并通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动前β驱动油缸的伸缩，在α驱动油缸伸缩时，将α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₁，实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的前β驱动油缸的位置轨迹；根据实际角度β₁和侧滑角β的轨迹，依次生成角度β₂的角度轨迹和后β驱动油缸的位置轨迹，根据后β驱动油缸的位置轨迹并通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动后β驱动油缸的伸缩，在后β驱动油缸伸缩时，将后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据位置信息得到实际角度β₂，实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的后β驱动油缸的位置轨迹。

吹风试验控制子系统可以看做是上文攻角和Y向位置协调联动控制子系统与侧滑角控制子系统的结合，不同之处在于，吹风试验控制子系统是在实际的攻角角度的基础之上，生成侧滑角的轨迹，即根据实际的攻角角度、给定的攻角角度和给定的侧滑角的角度生成出侧滑角的轨迹，再根据侧滑角β的轨迹依次生成角度β₁的角度轨迹和角度β₂的角度轨迹，其中涉及的算法均可参考上文，且都可以使用PID算法完成相应的控制，本文不再展开。

综合上述，本文涉及到的各种算法，要解决的主要问题为，其一是.协调联动控制（动态位置与速度协调）；其二是高精度角度控制。

在协调联动控制算法上，避免由控制算法引起各自由度之间的“耦合”。在位置（角度）协调控制算法方面，采用智能控制算法。智能控制器设计方面主要有两类算法模块：分别是智能协调控制器和智能误差补偿器。

智能协调控制器主要解决自由度之间在运动速度及运动位置的不协调（不同步）等问题，在算法上着重考虑了由算法采用的不适当而导致各自由度之间的耦合问题（一个自由度性能变差，而影响另一个自由度的性能）。

智能误差补偿器的作用在于解决气动载荷的干扰及系统非线性等因素的影响，实现角度的准确到位。

智能控制器由“特征信息处理器”和“控制模态集”，其原理可用附图9来表示。

特征模型是全体特征状态的集合，它是构成控制模态集的条件，一个仿人智能控制算法的特征模型可表示为：

式中，Ω为特征模型，T为特征模型关系阵，Q为特征基元向量，⊗为张量积或外积。

特征模型关系阵

，

用于表示特征模型内部构件之间的关系，作为一个具体参数，可以取－1，0，＋1三个值，分别表示取反、取零和取正。m表示特征基元数量，n表示模型基元数量，i、j表示某个序号值。

特征基元项量

。

其中，

反映了系统的动、静态特征，它是误差、误差变化、系统不协调量、不协调量的变化量及干扰等具体物理量的多项组合表达式。

控制模态集与系统特征模型存在一一映射关系，它反映了智能控制器在系统具有相应状态下所采取的行为。

控制模态集可表示为：

式中，U为特征向量，F为输出关系矩阵，L为模型基元向量。

，最简单的m _i 为一比例因子，或一变速积分算法。

当获得系统的特征模型后，系统的特征值一旦满足了系统特征模型，根据它与控制模态集的映射关系即可直接控制输出量。

理论分析和实际运用都表明，仿人智能控制系统运行是大范围稳定的，可以获得满意的控制效果。

本文的控制系统还包括油源控制子系统，如说明书附图8所示，油源控制子系统用于控制风洞大攻角装置的油源系统运行，油源控制子系统用于在油源系统加电后，控制油源系统进入待机状态；

当位于油源现场的控制柜处于“自动”方式时，通过触发位于测控间的操作台或上位机控制界面能够控制油源系统起动或停车；

位于油源现场的控制柜处于“手动”方式时，通过触发位于测控间的操作台或上位机控制界面无法控制油源系统起动或停车。

可以看出，针对油源控制有手动操作控制和程序自动控制操作两种方式。当油源现场控制柜控制方式选择“自动”时，测控间控制操作台油源“起动/停车”控制选择开关或上位机控制界面可以控制油源起动或停车，其控制实现由PLC完成；当油源现场控制柜控制方式选择“手动”时，测控间无法控制油源起动/停止。

油源控制子系统还用于：当位于油源现场的两个泵组控制柜都处于“自动”方式时，则在依次启动两个泵组的电机后，依次控制调压阀以低压、中压和高压的方式运行，在停机时的过程相反。

也即，当油源现场控制柜某台泵组控制方式选择“自动”而另一台选择“手动”时，测控间只能起动选择“自动”方式那一台，起动逻辑为“电机→低压→中压→高压”，“停车”时逻辑相反。当油源现场控制柜两台泵组控制方式都选择“自动”时，自动起动油源时，PLC控制逻辑为“电机1→电机2→低压→中压→高压”，测控间停车时PLC控制逻辑相反（即停电机2→停电机1→高压→中压→低压）。

参考说明书附图8，油源系统加电后，系统自动进入待机状态。等待下一步指示。

当油源现场控制柜控制方式选择“自动”时，测控间控制操作台油源“起动/停车”控制选择开关或上位机控制界面可以控制油源起动或停车，其控制实现由PLC完成；当油源现场控制柜控制方式选择“手动”时，测控间无法控制油源起动/停止。

例如，当上位机/现场控制柜旋钮开关/主控台旋钮开关三者任意一个向PLC发出启动命令后，PLC会判断1#泵是否处于自动状态，如果是在“自动”状态则启动1#泵，否则将判断2#泵是否在“自动”状态。若都不是“自动”状态则循环等待。PLC控制泵启动后，等待0.6s后判断泵是否返回启动信号，若未返回启动信号则判定泵故障。

PLC控制泵启动，控制卸荷阀升压延时5s，液压调压阀低压控制“线圈”得电。

低压控制5s后进行中压控制，液压调压阀中压控制“线圈”得电，液压调压阀低压控制“线圈”断电。

中压控制5s后进行高压控制，液压调压阀高压控制“线圈”得电，液压调压阀中压控制“线圈”断电。此时油源系统进入高压控制状态，系统发出进入高压信息并开启冷水阀和温控泵。

本申请还提供一种风洞大攻角装置，包括如上述的控制系统，还包括：Y向油缸、α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸，Y向油缸竖直设置，且能够沿竖直方向伸缩，α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸处在垂直于Y向油缸的平面内，前β驱动油缸、后β驱动油缸和α驱动油缸依次沿背离Y向油缸的方向延伸设置，α驱动油缸用于放置模型100，通过α驱动油缸的伸缩，调整模型100的攻角，通过Y向油缸的伸缩，调整模型100的高度，通过前β驱动油缸和后β驱动油缸的伸缩，调整模型100的侧滑角β，其结构可参考说明书附图1和附图2，上文中亦对各个油缸的作用和功能做出介绍，此处不再展开，风洞大攻角装置的其他结构和功能可参考现有技术。

本发明提供的风洞大攻角装置和控制系统，可实现模型100姿态角速度的控制，多自由度系统协调联动控制，解决了联动协调控制算法可能导致自由度之间的耦合问题，以及解决了负载对控制品质的影响等难题。最终达到的控制指标优于设计要求，控制系统姿态角控制精度0.005°，高于设计要求的0.05°一个数量级。

以上对本发明所提供的风洞大攻角装置和控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种控制系统，用于控制风洞大攻角装置，所述风洞大攻角装置包括：Y向油缸、α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸，所述Y向油缸竖直设置，且能够沿竖直方向伸缩，所述α驱动油缸、所述前β驱动油缸和所述后β驱动油缸处在垂直于所述Y向油缸的平面内，所述前β驱动油缸、所述后β驱动油缸和所述α驱动油缸依次沿背离所述Y向油缸的方向延伸设置，所述α驱动油缸用于放置模型，通过所述α驱动油缸的伸缩，调整所述模型的攻角，通过所述Y向油缸的伸缩，调整所述模型的高度，通过所述前β驱动油缸和所述后β驱动油缸的伸缩，调整所述模型的侧滑角，所述前β驱动油缸的伸缩可改变角度β₁，所述后β驱动油缸的伸缩可改变角度β₂，所述侧滑角为角度β₁和角度β₂的合成角度，其特征在于，所述控制系统包括：

α驱动油缸控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，依次生成所述攻角角度的角度轨迹和所述α驱动油缸的位置轨迹，根据所述α驱动油缸的位置轨迹并通过所述α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述α驱动油缸的伸缩，在所述α驱动油缸伸缩时，将所述α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际攻角角度，所述实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的所述α驱动油缸的位置轨迹；

Y向油缸位移控制子系统，用于根据给定的竖直方向位移和Y向油缸的速度，生成所述Y向油缸的位置轨迹，根据所述Y向油缸的位置轨迹并通过所述Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制所述Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述Y向油缸的伸缩，在所述Y向油缸伸缩时，将所述Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制所述Y向油缸的电液伺服阀运动；

前β驱动油缸控制子系统，用于根据给定的角度β₁和前β驱动油缸的速度，依次生成所述角度β₁的角度轨迹和所述前β驱动油缸的位置轨迹，根据所述前β驱动油缸的位置轨迹并通过所述前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述前β驱动油缸的伸缩，在所述α驱动油缸伸缩时，将所述α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际角度β₁，所述实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的所述前β驱动油缸的位置轨迹；

后β驱动油缸控制子系统，用于根据给定的角度β₂和后β驱动油缸的速度，依次生成所述角度β₂的角度轨迹和所述后β驱动油缸的位置轨迹，根据所述后β驱动油缸的位置轨迹并通过所述后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述后β驱动油缸的伸缩，在所述后β驱动油缸伸缩时，将所述后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际角度β₂，所述实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的所述后β驱动油缸的位置轨迹。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：

攻角和Y向位置协调联动控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成所述α驱动油缸和所述Y向油缸的位置轨迹；根据所述α驱动油缸的位置轨迹并通过所述α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述α驱动油缸的伸缩，在所述α驱动油缸伸缩时，将所述α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际攻角角度，所述实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的所述α驱动油缸的位置轨迹；根据所述Y向油缸的位置轨迹并通过所述Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制所述Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述Y向油缸的伸缩，在所述Y向油缸伸缩时，将所述Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制所述Y向油缸的电液伺服阀运动。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，还包括：

侧滑角控制子系统，用于根据给定的侧滑角的角度和运行速度，生成侧滑角的轨迹，然后依次生成所述角度β₁的角度轨迹和所述前β驱动油缸的位置轨迹，根据所述前β驱动油缸的位置轨迹并通过所述前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述前β驱动油缸的伸缩，在所述α驱动油缸伸缩时，将所述α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际角度β₁，所述实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的所述前β驱动油缸的位置轨迹；根据所述实际角度β₁和所述侧滑角的轨迹，依次生成所述角度β₂的角度轨迹和所述后β驱动油缸的位置轨迹，根据所述后β驱动油缸的位置轨迹并通过所述后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述后β驱动油缸的伸缩，在所述后β驱动油缸伸缩时，将所述后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际角度β₂，所述实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的所述后β驱动油缸的位置轨迹。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，还包括：

吹风试验控制子系统，用于根据给定的攻角角度和α驱动油缸的速度，生成所述α驱动油缸和所述Y向油缸的位置轨迹；根据所述α驱动油缸的位置轨迹并通过所述α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述α驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述α驱动油缸的伸缩，在所述α驱动油缸伸缩时，将所述α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述α驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述α驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际攻角角度，所述实际攻角角度做闭环反馈，以生成新的所述α驱动油缸的位置轨迹；根据所述Y向油缸的位置轨迹并通过所述Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制所述Y向油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述Y向油缸的伸缩，在所述Y向油缸伸缩时，将所述Y向油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述Y向油缸的伺服阀驱动放大器控制所述Y向油缸的电液伺服阀运动；

并用于根据给定的侧滑角的角度和实际的攻角角度，生成侧滑角的轨迹，然后依次生成所述角度β₁的角度轨迹和所述前β驱动油缸的位置轨迹，根据所述前β驱动油缸的位置轨迹并通过所述前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述前β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述前β驱动油缸的伸缩，在所述α驱动油缸伸缩时，将所述α驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述前β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述前β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际角度β₁，所述实际角度β₁做闭环反馈，以生成新的所述前β驱动油缸的位置轨迹；根据所述实际角度β₁和所述侧滑角的轨迹，依次生成所述角度β₂的角度轨迹和所述后β驱动油缸的位置轨迹，根据所述后β驱动油缸的位置轨迹并通过所述后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述后β驱动油缸的电液伺服阀运动，进而驱动所述后β驱动油缸的伸缩，在所述后β驱动油缸伸缩时，将所述后β驱动油缸的位置信息做闭环反馈，进而通过所述后β驱动油缸的伺服阀驱动放大器控制所述后β驱动油缸的电液伺服阀运动，并根据所述位置信息得到实际角度β₂，所述实际角度β₂做闭环反馈，以生成新的所述后β驱动油缸的位置轨迹。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：

油源控制子系统，用于控制风洞大攻角装置的油源系统运行，所述油源控制子系统用于在所述油源系统加电后，控制所述油源系统进入待机状态；

当位于油源现场的控制柜处于“自动”方式时，通过触发位于测控间的操作台或上位机控制界面能够控制所述油源系统起动或停车；

位于油源现场的控制柜处于“手动”方式时，通过触发位于测控间的操作台或上位机控制界面无法控制所述油源系统起动或停车。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述油源控制子系统还用于：当位于油源现场的两个泵组控制柜都处于“自动”方式时，则在依次启动两个泵组的电机后，控制调压阀运行。

7.一种风洞大攻角装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的控制系统，还包括：Y向油缸、α驱动油缸、前β驱动油缸和后β驱动油缸，所述Y向油缸竖直设置，且能够沿竖直方向伸缩，所述α驱动油缸、所述前β驱动油缸和所述后β驱动油缸处在垂直于所述Y向油缸的平面内，所述前β驱动油缸、所述后β驱动油缸和所述α驱动油缸依次沿背离所述Y向油缸的方向延伸设置，所述α驱动油缸用于放置模型，通过所述α驱动油缸的伸缩，调整所述模型的攻角，通过所述Y向油缸的伸缩，调整所述模型的高度，通过所述前β驱动油缸和所述后β驱动油缸的伸缩，调整所述模型的侧滑角。

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