CN115077844B - 一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法 - Google Patents

一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法 Download PDF

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CN115077844B CN202210849801.XA CN202210849801A CN115077844B CN 115077844 B CN115077844 B CN 115077844B CN 202210849801 A CN202210849801 A CN 202210849801A CN 115077844 B CN115077844 B CN 115077844B
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Abstract

一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。为解决连续式风洞吹风试验时姿态角精确控制问题。本发明包括中央控制单元、天平采集及解算单元、姿态角控制单元，所述中央控制单元、天平采集及解算单元、姿态角控制单元通过工业以太网进行连接，所述天平采集及解算单元连接天平，所述姿态角控制单元连接模型姿态角的电机；所述中央控制单元用于控制子系统之间的动作协调；所述天平采集及解算单元用于测力试验的天平应变、天平体温度的数据采集和处理；所述姿态角控制单元用于对模型姿态角的电机进行同步控制。本发明实现模型实时姿态角与目标值准度控制在0.03度以内。

Description

一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法
技术领域
本发明属于航空气动力风洞试验技术领域，具体涉及一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法。
背景技术
连续式风洞试验作为一种空气动力学方向研究广泛采用的手段，为航空、航天、汽车、建筑等领域的发展提供必要的技术保障。风洞姿态角的精确控制是保证试验精准度的重要组成部分，该部分直接影响到风洞试验数据的精准性。其主要功能为采集风洞的天平应变信号并进行数据迭代计算，得到当前状态模型的弹性角以及预置目标值，并通过位姿调整，消除弹性角的影响，使模型的实际角度与给定目标值保持在一定误差带范围内。
姿态角精确控制方式是优于传统开环控制姿态角方式的一种风洞试验方式，模型姿态角控制精准度高，消除了气动数据二次插值非线性带来的偏差问题。但姿态角精确控制方式在试验过程中也存在一定的限制，如弹性角修正需要动态调整位姿，每个角度值需要调整3~5次，会延长每个车次的时间。某风洞姿态角控制方法主要应用电机编码器作为反馈单元，执行的为开环控制，即按照安装在弯刀机构上的编码器作为控制量，而风洞试验时由于模型受风载荷导致模型会在给定目标值的基础上叠加一个弹性角影响，导致最终得到的模型角度与目标值存在一定的偏差。
发明内容
本发明是针对风洞试验需求而设计的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法，目的是解决连续式风洞吹风试验时的姿态角精确控制问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统，包括中央控制单元、天平采集及解算单元、姿态角控制单元，所述中央控制单元、天平采集及解算单元、姿态角控制单元通过工业以太网进行连接，所述天平采集及解算单元连接天平，所述姿态角控制单元连接模型姿态角的电机；
所述中央控制单元用于控制子系统之间的动作协调；
所述天平采集及解算单元用于测力试验的天平应变、天平体温度的数据采集和处理；
所述姿态角控制单元用于对模型姿态角的电机进行同步控制。
进一步的，所述天平采集及解算单元为基于PXI总线的风洞数据采集系统，包括采集与处理模块、角度解算模块。
进一步的，所述姿态角控制单元为基于PLC的集成运动控制器，包括到位判断模块、微调模块。
进一步的，所述中央控制单元为风洞主控系统，包括姿态角解算模块、流程控制模块。
一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，包括如下步骤：
步骤一、中央控制单元对姿态角进行解算，变成模型轴的机构角度，并发送给各个子系统；
步骤二、姿态角控制单元进行模型姿态角调整；
步骤三、天平采集及解算单元对模型运动过程中的应变数据进行实时采集和处理；
步骤四、天平采集及解算单元对模型受力以及补偿角度数据进行计算；
步骤五、姿态角控制单元对当前的模型角度进行判断，是否满足误差带要求，若不满足要求则根据计算得到的补偿角度进行微调，不断重复步骤三~步骤五，最终使模型的实际角度与给定目标值保持在一定误差带范围内。
进一步的，步骤一的具体实现方法为：
中央控制单元的姿态角解算模块，对输入模型轴的目标攻角α和侧滑角β进行解算，得到俯仰角
Figure 353527DEST_PATH_IMAGE001
和滚转角
Figure 654625DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 699941DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式如下：
Figure 954205DEST_PATH_IMAGE004
其中设定值
Figure 34156DEST_PATH_IMAGE005
或
Figure 545034DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 405543DEST_PATH_IMAGE007
为支杆预偏角，
Figure 542126DEST_PATH_IMAGE008
为滚转角象限选择，在第一、二象限为1，在第三、四象限为-1；
当
Figure 696158DEST_PATH_IMAGE009
时：如果
Figure 830467DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 771747DEST_PATH_IMAGE011
；如果
Figure 243180DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 658243DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 25771DEST_PATH_IMAGE014
时：
Figure 719926DEST_PATH_IMAGE015
；
滚转角
Figure 932733DEST_PATH_IMAGE016
的计算公式为：
Figure 795777DEST_PATH_IMAGE017
其中设定值
Figure 68627DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 984499DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 204259DEST_PATH_IMAGE020
时，设定值
Figure 187390DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 896720DEST_PATH_IMAGE022
时，设定值
Figure 237571DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 323339DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 941402DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 244470DEST_PATH_IMAGE026
为系数；
当
Figure 947984DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 821131DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 231383DEST_PATH_IMAGE029
；
当
Figure 767669DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 896162DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 307421DEST_PATH_IMAGE032
；
当
Figure 509863DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 279367DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 832839DEST_PATH_IMAGE035
；
解算出俯仰角
Figure 844527DEST_PATH_IMAGE036
和滚转角
Figure 698213DEST_PATH_IMAGE037
后，通过姿态角控制单元进行模型姿态角调整，模型达到初始目标值。
进一步的，步骤二的具体实现方法为：中央控制单元的流程控制模块向姿态角控制单元发送运行命令，模型姿态角按照给定的俯仰角
Figure 841881DEST_PATH_IMAGE036
和滚转角
Figure 679387DEST_PATH_IMAGE037
运动。
进一步的，步骤三的具体实现方法为：机构俯仰角
Figure 635710DEST_PATH_IMAGE036
和滚转角
Figure 140641DEST_PATH_IMAGE037
运动过程中，天平采集及解算单元的采集与处理模块对天平输出应变信号进行实时采集与解算，通过采集到的天平各元电压值解算得到天平各元力和力矩；
天平的修正矩阵如下：
Figure 766794DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 514433DEST_PATH_IMAGE039
是6行×1列未经修正的天平六元分量矩阵，
Figure 71185DEST_PATH_IMAGE040
是6行×6列的主元系数和一阶互扰系数矩阵，
Figure 899464DEST_PATH_IMAGE041
是6行×1列修正后的天平六元分量矩阵，
Figure 384934DEST_PATH_IMAGE042
是6行×21列的二阶互扰系数矩阵，
Figure 259349DEST_PATH_IMAGE043
是21行×1列
Figure 636104DEST_PATH_IMAGE044
各元素乘积的矩阵；
Figure 833736DEST_PATH_IMAGE045
是阻力对应应变值，
Figure 942637DEST_PATH_IMAGE046
为升力对应应变值，
Figure 523922DEST_PATH_IMAGE047
为侧向力对应应变值，
Figure 376472DEST_PATH_IMAGE048
为滚转力矩对应应变值，
Figure 694189DEST_PATH_IMAGE049
为偏航力矩对应应变值，
Figure 505151DEST_PATH_IMAGE050
为俯仰力矩对应应变值；
Figure 42574DEST_PATH_IMAGE051
中各行元素分别是：
Figure 964393DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 136617DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 384059DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 143199DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 134289DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 957757DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 376100DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 356957DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 355000DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 32974DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 825481DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 332513DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 665406DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 604412DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 426874DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 585585DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 518906DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 312419DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 774624DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 217369DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 219960DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 602400DEST_PATH_IMAGE073
和
Figure 969927DEST_PATH_IMAGE074
由天平校准确定。
进一步的，步骤四的具体实现方法为：
天平采集及解算单元的角度解算模块对模型姿态角进行解算，已知模型和天平的俯仰安装角
Figure 634389DEST_PATH_IMAGE075
、偏航安装角
Figure 847196DEST_PATH_IMAGE076
、滚转安装角
Figure 943196DEST_PATH_IMAGE077
，则天平支杆的俯仰弹性角
Figure 216046DEST_PATH_IMAGE078
，偏航弹性角
Figure 367804DEST_PATH_IMAGE079
、滚转弹性角
Figure 649881DEST_PATH_IMAGE080
由天平力和弹性角系数计算公式如下：
Figure 69230DEST_PATH_IMAGE081
Figure 512980DEST_PATH_IMAGE082
Figure 417614DEST_PATH_IMAGE083
其中
Figure 34540DEST_PATH_IMAGE084
是升力对应弹性角系数，
Figure 777237DEST_PATH_IMAGE085
是俯仰力矩对应弹性角系数，
Figure 454206DEST_PATH_IMAGE086
是侧向力对应弹性角系数，
Figure 783818DEST_PATH_IMAGE087
是偏航力矩对应弹性角系数，
Figure 938856DEST_PATH_IMAGE088
是滚转力矩对应弹性角系数，通过试验前的砝码阶梯加载确定；
Figure 598376DEST_PATH_IMAGE089
是天平轴系升力，
Figure 383930DEST_PATH_IMAGE090
是天平z轴系，
Figure 731997DEST_PATH_IMAGE091
是天平轴系侧向力，
Figure 893988DEST_PATH_IMAGE092
是天平y轴系，
Figure 673594DEST_PATH_IMAGE093
是天平x轴系；
上述角度满足如下关系式：
Figure 630048DEST_PATH_IMAGE094
Figure 403095DEST_PATH_IMAGE096
由
Figure 352465DEST_PATH_IMAGE097
，
得到如下关系式：
Figure 471731DEST_PATH_IMAGE098
Figure 192562DEST_PATH_IMAGE099
是地轴系和模型轴系转换矩阵，
Figure 452904DEST_PATH_IMAGE100
是力坐标系下俯仰角转换矩阵，
Figure 205966DEST_PATH_IMAGE101
是力坐标系下滚转角转换矩阵，
Figure 507634DEST_PATH_IMAGE102
是力坐标系下偏航角转换矩阵；
当已知角度机构俯仰角
Figure 337050DEST_PATH_IMAGE103
和滚转角
Figure 412584DEST_PATH_IMAGE104
时，模型姿态角的计算公式为：
Figure 657752DEST_PATH_IMAGE105
Figure 266457DEST_PATH_IMAGE106
是实际攻角，
Figure 1194DEST_PATH_IMAGE107
是实际侧滑角；
计算给定目标值与实际的差：
Figure 875609DEST_PATH_IMAGE108
Figure 3097DEST_PATH_IMAGE109
Figure 685882DEST_PATH_IMAGE110
是攻角差值，
Figure 106368DEST_PATH_IMAGE111
是侧滑角差值；
计算消除弹性角影响的俯仰角
Figure 874604DEST_PATH_IMAGE112
：
Figure 9044DEST_PATH_IMAGE113
其中设定值
Figure 343073DEST_PATH_IMAGE114
或
Figure 403302DEST_PATH_IMAGE115
，
Figure 189992DEST_PATH_IMAGE116
；
Figure 331386DEST_PATH_IMAGE117
Figure 254343DEST_PATH_IMAGE118
是消除弹性角影响的滚动角；
其中设定值
Figure 547790DEST_PATH_IMAGE119
或
Figure 759459DEST_PATH_IMAGE120
，
Figure 501281DEST_PATH_IMAGE121
时，
Figure 278745DEST_PATH_IMAGE122
；
如果
Figure 946355DEST_PATH_IMAGE123
，
Figure 176479DEST_PATH_IMAGE124
；如果
Figure 987572DEST_PATH_IMAGE125
，
Figure 947437DEST_PATH_IMAGE126
；
如果
Figure 536682DEST_PATH_IMAGE127
，当
Figure 34528DEST_PATH_IMAGE128
，
Figure 570683DEST_PATH_IMAGE129
，当
Figure 643829DEST_PATH_IMAGE130
，
Figure 466291DEST_PATH_IMAGE131
；
Figure 123538DEST_PATH_IMAGE132
时，
Figure 994542DEST_PATH_IMAGE133
，
Figure 351836DEST_PATH_IMAGE134
；
Figure 814041DEST_PATH_IMAGE135
时，
Figure 489742DEST_PATH_IMAGE136
，
Figure 757912DEST_PATH_IMAGE137
；
之后姿态角控制单元内的到位判断模块进行判断，给定目标值与实际的偏差是否满足试验要求，如果满足要求，则完成一个姿态的运动，进行数据采集存储工作；若不满足则进行姿态角微调工作。
进一步的，步骤五的具体实现方法为：应用姿态角控制单元的微调模块根据解算得到的消除弹性角影响的俯仰角
Figure 484560DEST_PATH_IMAGE138
、消除弹性角影响的滚动角
Figure 71661DEST_PATH_IMAGE139
进行动作，微调模型姿态角，到位后应用姿态角控制单元内的到位判断模块进行判断，给定目标值与实际的偏差是否满足试验要求，如果满足要求，则完成一个姿态的运动，进行数据采集存储工作；若不满足则进行姿态角微调工作；若在有限的次数内依然不满足误差带要求，则跳出程序，进行下一步的数据采集存储工作。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统及方法，根据风洞当前的系统状态，为了提高姿态角控制的准度，将试验中的弹性叠加影响进行实时的计算，再通过微调机构角度达到模型角度更加接近目标给定角度。通过本发明步骤对一次试验中的模型姿态角进行调整，实现模型实时姿态角与目标值准度控制在0.03度以内。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统的结构示意图；
图2为本发明所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统的原理图；
图3为本发明所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法的流程图；
图4为本发明所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法的定侧滑角变迎角控制效果图；
图5为本发明所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法的定侧滑角变迎角控制偏差效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-5详细说明如下 ：
具体实施方式一：
一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统，包括中央控制单元1、天平采集及解算单元2、姿态角控制单元3，所述中央控制单元1、天平采集及解算单元2、姿态角控制单元3通过工业以太网进行连接，所述天平采集及解算单元2连接天平4，所述姿态角控制单元3连接模型姿态角的电机5；
所述中央控制单元1用于控制子系统之间的动作协调；
所述天平采集及解算单元2用于测力试验的天平应变、天平体温度的数据采集和处理；
所述姿态角控制单元3用于对模型姿态角的电机5进行同步控制。
进一步的，所述天平采集及解算单元2为基于PXI总线的风洞数据采集系统，包括采集与处理模块、角度解算模块。采集与处理模块为基于PXIe-4330硬件实现的数据采集与处理模块。角度解算模块为基于LabVIEW程序实现的模型姿态角实时解算程序。
进一步的，所述姿态角控制单元3为基于PLC的集成运动控制器，包括到位判断模块、微调模块。到位判断模块为基于LabVIEW程序实现的模型姿态角到位判断程序。微调模块为基于倍福控制器的实现的模型姿态角运动控制。
进一步的，所述中央控制单元1为风洞主控系统，包括姿态角解算模块、流程控制模块。姿态角解算模块为基于LabVIEW程序实现的模型姿态角预置解算程序。流程控制模块为基于LabVIEW程序实现的风洞试验流程控制程序。
进一步的，所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统的结构示意图如图1所示；所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统的原理图如图2所示。
具体实施方式二：
根据具体实施方式一所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，包括如下步骤：
步骤一、中央控制单元对姿态角进行解算，变成模型轴的机构角度，并发送给各个子系统；
进一步的，步骤一的具体实现方法为：
中央控制单元的姿态角解算模块，对输入模型轴的目标攻角α和侧滑角β进行解算，得到俯仰角
Figure 516549DEST_PATH_IMAGE140
和滚转角
Figure 244203DEST_PATH_IMAGE141
，
Figure 763040DEST_PATH_IMAGE140
的计算公式如下：
Figure 52201DEST_PATH_IMAGE142
其中设定值
Figure 718806DEST_PATH_IMAGE005
或
Figure 328779DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 279286DEST_PATH_IMAGE007
为支杆预偏角，
Figure 926299DEST_PATH_IMAGE143
为滚转角象限选择，在第一、二象限为1，在第三、四象限为-1；
当
Figure 830932DEST_PATH_IMAGE009
时：如果
Figure 916700DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 534763DEST_PATH_IMAGE011
；如果
Figure 664262DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 243142DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 883333DEST_PATH_IMAGE014
时：
Figure 355903DEST_PATH_IMAGE015
；
滚转角
Figure 672614DEST_PATH_IMAGE016
的计算公式为：
Figure 784796DEST_PATH_IMAGE017
其中设定值
Figure 415628DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 431120DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 246629DEST_PATH_IMAGE020
时，设定值
Figure 534522DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 749472DEST_PATH_IMAGE022
时，设定值
Figure 134317DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 855148DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 708966DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 416022DEST_PATH_IMAGE026
为系数；
当
Figure 904641DEST_PATH_IMAGE144
，
Figure 796373DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 121176DEST_PATH_IMAGE029
；
当
Figure 179393DEST_PATH_IMAGE145
，
Figure 476513DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 460518DEST_PATH_IMAGE032
；
当
Figure 272616DEST_PATH_IMAGE146
，
Figure 446109DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 410785DEST_PATH_IMAGE035
；
解算出俯仰角
Figure 316424DEST_PATH_IMAGE147
和滚转角
Figure 802769DEST_PATH_IMAGE148
后，通过姿态角控制单元进行模型姿态角调整，模型达到初始目标值。
步骤二、姿态角控制单元进行模型姿态角调整；
步骤二的具体实现方法为：中央控制单元的流程控制模块向姿态角控制单元发送运行命令，模型姿态角按照给定的俯仰角
Figure 452056DEST_PATH_IMAGE147
和滚转角
Figure 536818DEST_PATH_IMAGE148
运动。
步骤三、天平采集及解算单元对模型运动过程中的应变数据进行实时采集和处理；
进一步的，步骤三的具体实现方法为：机构俯仰角
Figure 941254DEST_PATH_IMAGE140
和滚转角
Figure 462366DEST_PATH_IMAGE141
运动过程中，天平采集及解算单元的采集与处理模块对天平输出应变信号进行实时采集与解算，通过采集到的天平各元电压值解算得到天平各元力和力矩；
天平的修正矩阵如下：
Figure 367874DEST_PATH_IMAGE149
其中
Figure 290830DEST_PATH_IMAGE150
是6行×1列未经修正的天平六元分量矩阵，
Figure 85742DEST_PATH_IMAGE040
是6行×6列的主元系数和一阶互扰系数矩阵，
Figure 31833DEST_PATH_IMAGE041
是6行×1列修正后的天平六元分量矩阵，
Figure 537769DEST_PATH_IMAGE042
是6行×21列的二阶互扰系数矩阵，
Figure 643128DEST_PATH_IMAGE043
是21行×1列
Figure 327051DEST_PATH_IMAGE044
各元素乘积的矩阵；
Figure 776749DEST_PATH_IMAGE045
是阻力对应应变值，
Figure 571529DEST_PATH_IMAGE046
为升力对应应变值，
Figure 796974DEST_PATH_IMAGE047
为侧向力对应应变值，
Figure 635486DEST_PATH_IMAGE048
为滚转力矩对应应变值，
Figure 821748DEST_PATH_IMAGE049
为偏航力矩对应应变值，
Figure 170952DEST_PATH_IMAGE050
为俯仰力矩对应应变值；
Figure 250904DEST_PATH_IMAGE151
中各行元素分别是：
Figure 11049DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 730612DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 70458DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 693331DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 952274DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 909866DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 99408DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 763739DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 881998DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 389203DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 336431DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 166852DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 33177DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 699782DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 709153DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 82497DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 306674DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 522892DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 608659DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 852821DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 998632DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 702145DEST_PATH_IMAGE073
和
Figure 840872DEST_PATH_IMAGE074
由天平校准确定。
步骤四、天平采集及解算单元对模型受力以及补偿角度数据进行计算；
进一步的，步骤四的具体实现方法为：
天平采集及解算单元的角度解算模块对模型姿态角进行解算，已知模型和天平的俯仰安装角
Figure 985545DEST_PATH_IMAGE152
、偏航安装角
Figure 521831DEST_PATH_IMAGE153
、滚转安装角
Figure 384745DEST_PATH_IMAGE154
，则天平支杆的俯仰弹性角
Figure 61583DEST_PATH_IMAGE155
，偏航弹性角
Figure 60763DEST_PATH_IMAGE156
、滚转弹性角
Figure 33529DEST_PATH_IMAGE157
由天平力和弹性角系数计算公式如下：
Figure 118160DEST_PATH_IMAGE158
Figure 598688DEST_PATH_IMAGE159
Figure 921216DEST_PATH_IMAGE160
其中
Figure 64884DEST_PATH_IMAGE161
是升力对应弹性角系数，
Figure 902390DEST_PATH_IMAGE162
是俯仰力矩对应弹性角系数，
Figure 389872DEST_PATH_IMAGE163
是侧向力对应弹性角系数，
Figure 425961DEST_PATH_IMAGE164
是偏航力矩对应弹性角系数，
Figure 943792DEST_PATH_IMAGE165
是滚转力矩对应弹性角系数，通过试验前的砝码阶梯加载确定；
Figure 268595DEST_PATH_IMAGE166
是天平轴系升力，
Figure 825347DEST_PATH_IMAGE167
是天平z轴系，
Figure 653625DEST_PATH_IMAGE168
是天平轴系侧向力，
Figure 404675DEST_PATH_IMAGE169
是天平y轴系，
Figure 685615DEST_PATH_IMAGE170
是天平x轴系；
上述角度满足如下关系式：
Figure 46058DEST_PATH_IMAGE171
Figure 994422DEST_PATH_IMAGE173
由
Figure 385214DEST_PATH_IMAGE174
，
得到如下关系式：
Figure 215767DEST_PATH_IMAGE175
Figure 317584DEST_PATH_IMAGE176
是地轴系和模型轴系转换矩阵，
Figure 917193DEST_PATH_IMAGE177
是力坐标系下俯仰角转换矩阵，
Figure 947728DEST_PATH_IMAGE178
是力坐标系下滚转角转换矩阵，
Figure 468839DEST_PATH_IMAGE179
是力坐标系下偏航角转换矩阵；
当已知角度机构俯仰角
Figure 436664DEST_PATH_IMAGE180
和滚转角
Figure 94042DEST_PATH_IMAGE181
时，模型姿态角的计算公式为：
Figure 669379DEST_PATH_IMAGE182
Figure 100623DEST_PATH_IMAGE183
是实际攻角，
Figure 340980DEST_PATH_IMAGE184
是实际侧滑角；
计算给定目标值与实际的差：
Figure 446340DEST_PATH_IMAGE185
Figure 130262DEST_PATH_IMAGE186
Figure 376698DEST_PATH_IMAGE187
是攻角差值，
Figure 109161DEST_PATH_IMAGE188
是侧滑角差值；
计算消除弹性角影响的俯仰角
Figure 255978DEST_PATH_IMAGE189
：
Figure 110801DEST_PATH_IMAGE190
其中设定值
Figure 578954DEST_PATH_IMAGE191
或
Figure 239743DEST_PATH_IMAGE192
，
Figure 257377DEST_PATH_IMAGE193
；
Figure 266790DEST_PATH_IMAGE194
Figure 471507DEST_PATH_IMAGE195
是消除弹性角影响的滚动角；
其中设定值
Figure 358822DEST_PATH_IMAGE196
或
Figure 699805DEST_PATH_IMAGE197
，
Figure 145699DEST_PATH_IMAGE198
时，
Figure 837711DEST_PATH_IMAGE199
；
如果
Figure 997559DEST_PATH_IMAGE200
，
Figure 458628DEST_PATH_IMAGE201
；如果
Figure 747527DEST_PATH_IMAGE202
，
Figure 254731DEST_PATH_IMAGE203
；
如果
Figure 483850DEST_PATH_IMAGE204
，当
Figure 65004DEST_PATH_IMAGE205
，
Figure 587121DEST_PATH_IMAGE206
，当
Figure 253725DEST_PATH_IMAGE207
，
Figure 20955DEST_PATH_IMAGE208
；
Figure 659878DEST_PATH_IMAGE209
时，
Figure 415213DEST_PATH_IMAGE210
，
Figure 37956DEST_PATH_IMAGE211
；
Figure 897893DEST_PATH_IMAGE212
时，
Figure 922481DEST_PATH_IMAGE213
，
Figure 724084DEST_PATH_IMAGE214
；
之后姿态角控制单元内的到位判断模块进行判断，给定目标值与实际的偏差是否满足试验要求，如果满足要求，则完成一个姿态的运动，进行数据采集存储工作；若不满足则进行姿态角微调工作。
步骤五、姿态角控制单元对当前的模型角度进行判断，是否满足误差带要求，若不满足要求则根据计算得到的补偿角度进行微调，不断重复步骤三~步骤五，最终使模型的实际角度与给定目标值保持在一定误差带范围内；
进一步的，步骤五的具体实现方法为：应用姿态角控制单元的微调模块根据解算得到的消除弹性角影响的俯仰角
Figure 850434DEST_PATH_IMAGE215
、消除弹性角影响的滚动角
Figure 536630DEST_PATH_IMAGE216
进行动作，微调模型姿态角，到位后应用姿态角控制单元内的到位判断模块进行判断，给定目标值与实际的偏差是否满足试验要求，如果满足要求，则完成一个姿态的运动，进行数据采集存储工作；若不满足则进行姿态角微调工作；若在有限的次数内依然不满足误差带要求，则跳出程序，进行下一步的数据采集存储工作。
进一步的，所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法的流程图如图3所示。
具体实施方式三：
根据具体实施方式二所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，以国内某2.4米连续式风洞为例，以在目标马赫数0.9条件下，进行攻角-2°~8°，侧滑角3°，进行试验：
步骤一、由中央控制单元的姿态角解算模块对姿态角进行解算，得到本车次的模型角度序列以及对应的机构角度序列，如表1和表2所示：
表1 模型角度序列
Figure 946883DEST_PATH_IMAGE217
表2 机构角度序列
Figure 512863DEST_PATH_IMAGE218
步骤二、姿态角控制单元进行模型姿态角调整：由中央控制单元向姿态角控制单元发送运行指令“启动姿态角，-3.605，-56.339”，姿态角控制单元按照指令要求进行姿态角预置；
步骤三：天平采集及解算单元对模型运动过程中的应变数据进行实时采集和处理，得到力和力矩数据，如表3所示，
表3 力和力矩数据
Figure 579039DEST_PATH_IMAGE219
步骤四、天平采集及解算单元对模型受力以及补偿角度数据进行计算，得到结果如下：
模型实际角度：
Figure 288500DEST_PATH_IMAGE220
;
消除弹性角误差的机构角度：
Figure 490942DEST_PATH_IMAGE221
;
设定误差带为0.03度，
Figure 758981DEST_PATH_IMAGE222
，超出误差带。
步骤五、按照给定值进行角度微调
由姿态角控制单元按照给定的机构角度
Figure 843612DEST_PATH_IMAGE223
进行控制，重复步骤三至步骤五，直到模型姿态角偏差在0.03度的误差带内。
从附图4和附图5能够看出，在定侧滑角（3度）变迎角（-2~8度）的试验中，侧滑角在开环控制条件下与给定值的偏差在0.03度以上，最大可达到0.09度，而精确控制条件下，基本控制在0.03度以内；迎角在开环控制条件下，偏差在均在0.03度以上，最大达到0.7度，而精确控制条件下，偏差均在0.03度以内。
进一步的，通过上述步骤对一次试验中的模型姿态角进行调整，实现模型实时姿态角与目标值准度控制在0.03度以内。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统，其特征在于：包括中央控制单元（1）、天平采集及解算单元（2）、姿态角控制单元（3），所述中央控制单元（1）、天平采集及解算单元（2）、姿态角控制单元（3）通过工业以太网进行连接，所述天平采集及解算单元（2）连接天平（4），所述姿态角控制单元（3）连接模型姿态角的电机（5）；
所述中央控制单元（1）用于控制子系统之间的动作协调；
所述天平采集及解算单元（2）用于测力试验的天平应变、天平体温度的数据采集和处理；
所述姿态角控制单元（3）用于对模型姿态角的电机（5）进行同步控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统，其特征在于：所述天平采集及解算单元（2）为基于PXI总线的风洞数据采集系统，包括采集与处理模块、角度解算模块。
3.根据权利要求2所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统，其特征在于：所述姿态角控制单元（3）为基于PLC的集成运动控制器，包括到位判断模块、微调模块。
4.根据权利要求3所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统，其特征在于：所述中央控制单元（1）为风洞主控系统，包括姿态角解算模块、流程控制模块。
5.一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，依托于权利要求1-4之一所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制系统实现，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、中央控制单元对姿态角进行解算，变成模型轴的机构角度，并发送给各个子系统；
步骤二、姿态角控制单元进行模型姿态角调整；
步骤三、天平采集及解算单元对模型运动过程中的应变数据进行实时采集和处理；
步骤四、天平采集及解算单元对模型受力以及补偿角度数据进行计算；
步骤五、姿态角控制单元对当前的模型角度进行判断，是否满足误差带要求，若不满足要求则根据计算得到的补偿角度进行微调，不断重复步骤三~步骤五，最终使模型的实际角度与给定目标值保持在一定误差带范围内。
6.根据权利要求5所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法为：
中央控制单元的姿态角解算模块，对输入模型轴的目标攻角α和侧滑角β进行解算，得到俯仰角
Figure 946438DEST_PATH_IMAGE001
和滚转角
Figure 676628DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 518682DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式如下：
Figure 726940DEST_PATH_IMAGE004
其中设定值
Figure 603630DEST_PATH_IMAGE005
或
Figure 504721DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 115962DEST_PATH_IMAGE007
为支杆预偏角，
Figure 377179DEST_PATH_IMAGE008
为滚转角象限选择，在第一、二象限为1，在第三、四象限为-1；
当
Figure 124686DEST_PATH_IMAGE009
时：如果
Figure 914787DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 482166DEST_PATH_IMAGE011
；如果
Figure 547074DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 883509DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 110091DEST_PATH_IMAGE014
时：
Figure 164765DEST_PATH_IMAGE015
；
滚转角
Figure 502206DEST_PATH_IMAGE016
的计算公式为：
Figure 224305DEST_PATH_IMAGE017
其中设定值
Figure 621789DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 163760DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 39312DEST_PATH_IMAGE020
时，设定值
Figure 350338DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 184302DEST_PATH_IMAGE022
时，设定值
Figure 213569DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 892812DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 792766DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 532052DEST_PATH_IMAGE026
为系数；
当
Figure 783036DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 531549DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 551589DEST_PATH_IMAGE029
；
当
Figure 461776DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 183744DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 221102DEST_PATH_IMAGE032
；
当
Figure 79336DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 911157DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 386001DEST_PATH_IMAGE035
；
解算出俯仰角
Figure 227049DEST_PATH_IMAGE036
和滚转角
Figure 470949DEST_PATH_IMAGE037
后，通过姿态角控制单元进行模型姿态角调整，模型达到初始目标值。
7.根据权利要求6所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，其特征在于：步骤二的具体实现方法为：中央控制单元的流程控制模块向姿态角控制单元发送运行命令，模型姿态角按照给定的俯仰角
Figure 457359DEST_PATH_IMAGE038
和滚转角
Figure 904652DEST_PATH_IMAGE039
运动。
8.根据权利要求7所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，其特征在于：步骤三的具体实现方法为：机构俯仰角
Figure 798659DEST_PATH_IMAGE038
和滚转角
Figure 647797DEST_PATH_IMAGE039
运动过程中，天平采集及解算单元的采集与处理模块对天平输出应变信号进行实时采集与解算，通过采集到的天平各元电压值解算得到天平各元力和力矩；
天平的修正矩阵如下：
Figure 805109DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 739698DEST_PATH_IMAGE041
是6行×1列未经修正的天平六元分量矩阵，
Figure 437396DEST_PATH_IMAGE042
是6行×6列的主元系数和一阶互扰系数矩阵，
Figure 875462DEST_PATH_IMAGE043
是6行×1列修正后的天平六元分量矩阵，
Figure 734833DEST_PATH_IMAGE044
是6行×21列的二阶互扰系数矩阵，
Figure 422298DEST_PATH_IMAGE045
是21行×1列
Figure 392528DEST_PATH_IMAGE046
各元素乘积的矩阵；
Figure 199947DEST_PATH_IMAGE047
是阻力对应应变值，
Figure 246531DEST_PATH_IMAGE048
为升力对应应变值，
Figure 757229DEST_PATH_IMAGE049
为侧向力对应应变值，
Figure 265571DEST_PATH_IMAGE050
为滚转力矩对应应变值，
Figure 927496DEST_PATH_IMAGE051
为偏航力矩对应应变值，
Figure 144982DEST_PATH_IMAGE052
为俯仰力矩对应应变值；
Figure 525148DEST_PATH_IMAGE053
中各行元素分别是：
Figure 853492DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 917394DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 555049DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 907664DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 288967DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 941796DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 484773DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 324684DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 509678DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 17014DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 465313DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 589258DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 781204DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 143047DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 293405DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 357176DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 634705DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 851054DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 906735DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure 457802DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 742284DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 593565DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 570879DEST_PATH_IMAGE076
由天平校准确定。
9.根据权利要求8所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，其特征在于：步骤四的具体实现方法为：
天平采集及解算单元的角度解算模块对模型姿态角进行解算，已知模型和天平的俯仰安装角
Figure 874822DEST_PATH_IMAGE077
、偏航安装角
Figure 494153DEST_PATH_IMAGE078
、滚转安装角
Figure 199941DEST_PATH_IMAGE079
，则天平支杆的俯仰弹性角
Figure 348157DEST_PATH_IMAGE080
，偏航弹性角
Figure 139395DEST_PATH_IMAGE081
、滚转弹性角
Figure 31259DEST_PATH_IMAGE082
由天平力和弹性角系数计算公式如下：
Figure 607865DEST_PATH_IMAGE083
Figure 176249DEST_PATH_IMAGE084
Figure 189205DEST_PATH_IMAGE085
其中
Figure 150339DEST_PATH_IMAGE086
是升力对应弹性角系数，
Figure 299560DEST_PATH_IMAGE087
是俯仰力矩对应弹性角系数，
Figure 320737DEST_PATH_IMAGE088
是侧向力对应弹性角系数，
Figure 555409DEST_PATH_IMAGE089
是偏航力矩对应弹性角系数，
Figure 523496DEST_PATH_IMAGE090
是滚转力矩对应弹性角系数，通过试验前的砝码阶梯加载确定；
Figure 792804DEST_PATH_IMAGE091
是天平轴系升力，
Figure 188144DEST_PATH_IMAGE092
是天平z轴系，
Figure 175692DEST_PATH_IMAGE093
是天平轴系侧向力，
Figure 213049DEST_PATH_IMAGE094
是天平y轴系，
Figure 336863DEST_PATH_IMAGE095
是天平x轴系；
上述角度满足如下关系式：
Figure 699842DEST_PATH_IMAGE096
Figure 174686DEST_PATH_IMAGE097
由
Figure 15734DEST_PATH_IMAGE098
，
得到如下关系式：
Figure 994054DEST_PATH_IMAGE099
Figure 262356DEST_PATH_IMAGE100
是地轴系和模型轴系转换矩阵，
Figure 224495DEST_PATH_IMAGE101
是力坐标系下俯仰角转换矩阵，
Figure 587344DEST_PATH_IMAGE102
是力坐标系下滚转角转换矩阵，
Figure 170903DEST_PATH_IMAGE103
是力坐标系下偏航角转换矩阵；
当已知角度机构俯仰角
Figure 859373DEST_PATH_IMAGE104
和滚转角
Figure 793962DEST_PATH_IMAGE105
时，模型姿态角的计算公式为：
Figure 694922DEST_PATH_IMAGE106
Figure 664146DEST_PATH_IMAGE107
是实际攻角，
Figure 523518DEST_PATH_IMAGE108
是实际侧滑角；
计算给定目标值与实际的差：
Figure 929092DEST_PATH_IMAGE109
Figure 650054DEST_PATH_IMAGE110
Figure 723052DEST_PATH_IMAGE111
是攻角差值，
Figure 238478DEST_PATH_IMAGE112
是侧滑角差值；
计算消除弹性角影响的俯仰角
Figure 396927DEST_PATH_IMAGE113
：
Figure 656001DEST_PATH_IMAGE114
其中设定值
Figure 114664DEST_PATH_IMAGE115
或
Figure 308713DEST_PATH_IMAGE116
，
Figure 688879DEST_PATH_IMAGE117
；
Figure 486064DEST_PATH_IMAGE118
Figure 268076DEST_PATH_IMAGE119
是消除弹性角影响的滚动角；
其中设定值
Figure 656463DEST_PATH_IMAGE120
或
Figure 523925DEST_PATH_IMAGE121
，
Figure 655960DEST_PATH_IMAGE122
时，
Figure 292478DEST_PATH_IMAGE123
；
如果
Figure 851766DEST_PATH_IMAGE124
，
Figure 940945DEST_PATH_IMAGE125
；如果
Figure 876671DEST_PATH_IMAGE126
，
Figure 633274DEST_PATH_IMAGE127
；
如果
Figure 832306DEST_PATH_IMAGE128
，当
Figure 674360DEST_PATH_IMAGE129
，
Figure 866307DEST_PATH_IMAGE130
，当
Figure 962570DEST_PATH_IMAGE131
，
Figure 378507DEST_PATH_IMAGE132
；
Figure 458590DEST_PATH_IMAGE133
时，
Figure 188649DEST_PATH_IMAGE134
，
Figure 404998DEST_PATH_IMAGE135
；
Figure 726257DEST_PATH_IMAGE136
时，
Figure 28057DEST_PATH_IMAGE137
，
Figure 827386DEST_PATH_IMAGE138
；
之后姿态角控制单元内的到位判断模块进行判断，给定目标值与实际的偏差是否满足试验要求，如果满足要求，则完成一个姿态的运动，进行数据采集存储工作；若不满足则进行姿态角微调工作。
10.根据权利要求9所述的一种用于连续风洞试验的姿态角精确控制方法，其特征在于：步骤五的具体实现方法为：应用姿态角控制单元的微调模块根据解算得到的消除弹性角影响的俯仰角
Figure 413088DEST_PATH_IMAGE139
、消除弹性角影响的滚动角
Figure 124823DEST_PATH_IMAGE140
进行动作，微调模型姿态角，到位后应用姿态角控制单元内的到位判断模块进行判断，给定目标值与实际的偏差是否满足试验要求，如果满足要求，则完成一个姿态的运动，进行数据采集存储工作；若不满足则进行姿态角微调工作；若在有限的次数内依然不满足误差带要求，则跳出程序，进行下一步的数据采集存储工作。
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