CN115371945A - 一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种组合频率可变波形风洞突风生成系统，能够实现突风载荷响应与减缓风洞试验所需的突风场模拟。包括叶片摆动机构、驱动系统和控制系统，控制系统用于分别控制多台摆动式液压马达，实现多组叶片按照设定的运动波形运动，控制系统采用闭环伺服控制，包括单通道位置伺服控制和多通道位置伺服控制，单通道位置伺服控制采用闭环反馈采用了干扰观测的位置控制，将运动过程中的气动负载变化和未知负载都视为干扰，通过补偿环节进行补偿，保证系统的控制稳定性；多通道位置伺服控制采用改进共反馈同步误差校正控制方式及一种交叉耦合同步控制结构。该系统具有叶片同步运动性能好、突风幅值大、性能指标高等、使用范围广等优点。

Description

一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统

技术领域

本发明属于低速风洞试验技术领域，具体涉及一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统。

背景技术

现代大型飞机由于机翼展弦比大，结构柔性强等特征，对突风响应更加敏感，突风载荷经常成为飞行载荷最严重的情况。突风导致机翼根部承受很大的动态结构载荷增量，容易使机体产生疲劳破坏。突风干扰还使飞行员难于操纵飞机，降低飞行品质，对于在低空执行任务的轰炸机来说，还可能严重地影响武器投放和飞行安全。在空中飞行的导弹，若是遭遇突风，将引起导弹的刚体运动及弹性振动，可能影响导弹的结构安全、电气设备的可靠性及命中精度。此外突风干扰还引起飞行员和成员感到极不舒服，降低乘坐品质。因此在飞机设计阶段必须开展突风载荷预测研究，通常采用风洞试验的方式开展相关研究。为开展突风响应与突风载荷减缓风洞试验研究，需要研制突风生成系统。

由于目前突风生成系统多为电机带动曲柄连杆同方式，风洞内结构复杂、与风洞动体的耦合振动大、对突风流场品质影响大；突风系统叶片摆动频率低、摆角小，可工作风速小，产生的突风幅值小；突风系统不能单独驱动每组叶片独立运动，所有叶片只能按同频率、同摆角运动，无法实现叶片组合波形运动，无法模拟复杂的突风流场，限制了突风系统的使用范围。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统，本系统有效解降低了叶片运动过程中与风洞洞体耦合振动过大、导致生成的突风幅值指标较低的问题，同时解决了系统一次运行中无法模拟多频率及多波形复杂突风场问题。

本发明通过下述技术方案得以实现：一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统，包括叶片摆动机构、驱动系统和控制系统，叶片摆动机构包括多组叶片、叶片转轴及叶片支撑，叶片支撑位于风洞内，多组叶片互相平行横贯风洞，每组叶片的两端分别通过叶片转轴安装在风洞中，每组叶片的中部与叶片支撑连接，驱动系统包括多台摆动式液压马达，每组叶片在风洞外的一端连接一个摆动式液压马达，独立进行驱动，控制系统用于分别控制多台摆动式液压马达，实现多组叶片按照设定的运动波形运动，从而对流过的气流产生一定波形和频率的扰动，实现实际飞行环境下的阵风模拟，控制系统采用闭环伺服控制，包括单通道位置伺服控制和多通道位置伺服控制，其中，摆动式液压马达的摆动缸的排量为：

D_m＝T_m/P_m (1)

D_m为液压摆动缸的单位弧度排量，T_m为动态扭矩需求，P_m为动态工作压力；闭环伺服控制的控制模型分别如式(2)-(4)所示：

Q_L＝K_qx_v-K_xP_L (2)

P_LD_m＝J_ts²θ_m+B_msθ_m+T_l (4)

式中，Q_L—伺服阀的负载流量，K_q—伺服阀的流量增益，x_v—伺服阀的阀芯位移，K_c—伺服阀的流量压力系数，P_L—液压马达的两腔负载压降，D_m—液压马达的排量，K_l—液压马达的泄漏系数，V_t—液压马达的负载容积，β_e—液压油有效弹性模量，J_t—液压马达转子和叶片的总转动惯量，B_m—负载粘性阻尼系数，T_l—气动负载力矩，θ_m—叶片运动角度；

单通道位置伺服控制方法：采用了PID控制和基于干扰观测的位置控制，将叶片运动过程中的气动负载变化和未知负载都视为干扰，通过补偿环节进行补偿，干扰观测器是将外部干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型的输出差异，全部等效至控制输入端，即观测出等效干扰，在控制中引入等量的补偿，实现对干扰完全抑制，设G_P(s)为对象的传递函数，d为等效干扰，

为观测干扰，u为控制输入，Q(s)为低通滤波器，名义模型G_n(s)的逆G_n ^-1(s)来替代G_P ^-1(s)，ξ为测量噪声，将u,d,ξ视为输入，由叠加原理，控制系统输出y为：

y＝G_UY(s)u+G_DY(s)d+G_ξY(s)ξ (5)

由式(6)至(8)，首先，为使Q(s)G_n ^-1(s)正，则Q(s)的相对阶应不小于G_n(s)的相对阶；其次，Q(s)带宽的设计：设Q(s)为理想的低通滤波器，即在低频段，当f≤f₀时，Q(s)＝1；在高频段，当f≥f₀时，Q(s)＝0；

则在低频时，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_n(s),G_DY(s)＝0,G_ξY(s)＝-1 (10)

在高频段，Q(s)＝0，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_P(s),G_DY(s)＝G_P(s),G_ξY(s)＝0 (11)

多通道位置伺服控制方法：

每个通道采用独立同等控制，对多个液压马达的位移进行互为补偿，采用一种交叉耦合同步控制结构，选择一个通道作为主运动通道，认为该通道的协同误差为0，其他通道的输出角度和主运动通道进行补偿，将两通道液压马达的角度进行求差，并将二者的差值反馈到前向通道，分别对液压缸的运行加以有效控制以达到减小同步偏差。

本发明的优点及有益效果：该系统具有叶片同步运动性能好、突风幅值大、性能指标高等、使用范围广等优点。能够实现高频频率、大幅值阵风流场的模拟，同时具有不同叶片同步驱动和不同叶片分别驱动的能力。具有较强的阵风模拟能力，可形成随机波、正弦波及三角波等多种阵风波形组合运动，极大满足了型号试验的需求。

附图说明

图1为系统总体示意图；

图2为单通道控制框图；

图3为干扰观测器原理图；

图4为四通道同步控制框图；

图5为四组叶片同步运动曲线图；

图6为四组叶片同步运动误差曲线图；

图7为四组叶片同时摆动(不同运动)波形图；

图8为阵风流场曲线图,(a)阵风幅值随来流风速变化图，(b)阵风幅值随叶片摆动频率变化图。

其中，1、液压马达、2、叶片主动端转轴、3、转轴支座、4、马达供油硬管、5、马达供油软管、6、移动式油源泵站、7、控制计算机、8、控制系统电缆、9、控制柜、10、叶片支撑、11、叶片从动端转轴、12、叶片、13、风洞、14、风洞支柱。

具体实施方式

下面结合附图举例详细说明本发明的具体实施方式：

实施例1

如图1所示，一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统，包括叶片摆动机构、驱动系统和控制系统，叶片摆动机构包括四组叶片、叶片转轴及叶片支撑，叶片支撑位于风洞内，四组叶片互相平行横贯风洞，每组叶片的两端分别通过叶片转轴安装在风洞中，每组叶片的中部与两组叶片支撑连接，驱动系统包括四台摆动式液压马达，每组叶片在风洞外的一端连接一个摆动式液压马达，独立进行驱动，本系统通过下位机系统的AD卡进行数据采集，控制系统采集叶片两端的角位移信号，实时反馈作动转角位置和叶片末端位置作动转角差量，并把实时数据传输给上位机，实时数据通过上位机软件处理后在显示器上给出液压摆动缸运动的波形图(自由端输出角度传感器反馈信号的波形图)。下位机采用基于PXI机箱的计算机，配置基于PXI总线的下位机，NI的PXI数据采集卡采集加速度信号。控制系统与上位机通过TCP协议进行通讯，控制系统采用DELTA控制器来实现，通过采集角度信号对叶片进行位置、力矩闭环控制。控制系统用于分别控制多台摆动式液压马达，实现多组叶片按照设定的运动波形运动，从而对流过的气流产生一定波形和频率的扰动，实现实际飞行环境下的阵风模拟，控制系统采用闭环伺服控制，包括单通道位置伺服控制和多通道位置伺服控制，其中，摆动式液压马达的摆动缸的排量为：

D_m＝T_m/P_m (1)

D_m为液压摆动缸的单位弧度排量，T_m为动态扭矩需求，P_m为动态工作压力；闭环伺服控制的控制模型分别如式(2)-(4)所示：

Q_L＝K_qx_v-K_cP_L (2)

P_LD_m＝J_ts²θ_m+B_msθ_m+T_l (4)

式中，Q_L—伺服阀的负载流量，K_q—伺服阀的流量增益，x_v—伺服阀的阀芯位移，K_c—伺服阀的流量压力系数，P_L—液压马达的两腔负载压降，D_m—液压马达的排量，s—拉普拉斯算子，θ_m—叶片运动角度，K_l—液压马达的泄漏系数，V_t—液压马达的负载容积，β_e—液压油有效弹性模量，J_t—液压马达转子和叶片的总转动惯量，B_m—负载粘性阻尼系数，T_l—气动负载力矩。

其中，如附图2所示，单通道位置伺服控制采用了PID控制和基于干扰观测的位置控制，将叶片运动过程中的气动负载变化和未知负载都视为干扰，通过补偿环节进行补偿，干扰观测器是将外部干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型的输出差异，全部等效至控制输入端，即观测出等效干扰，在控制中引入等量的补偿，实现对干扰完全抑制，实现原理如附图3所示，设G_P(s)为对象的传递函数，d为等效干扰，

为观测干扰，u为控制输入，Q(s)为低通滤波器，名义模型G_n(s)的逆G_n ^-1(s)来替代G_P ^-1(s)，ξ为测量噪声，将u,d,ξ视为输入，由叠加原理，控制系统输出y为：

y＝G_UY(s)u+G_DY(s)d+G_ξY(s)ξ (5)

式中，G_UY(s)为U到Y的传递函数，G_DY(s)为D到Y的传递函数，G_ξY(s)为ξ到Y的传递函数；

由式(6)至(8)，首先，为使Q(s)G_n ^-1(s)正，则Q(s)的相对阶应不小于G_n(s)的相对阶；其次，Q(s)带宽的设计：设Q(s)为理想的低通滤波器，即在低频段，当f≤f₀时，Q(s)＝1；在高频段，当f≥f₀时，Q(s)＝0；

则在低频时，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_n(s),G_DY(s)＝0,G_ξY(s)＝-1 (10)

在低频段，即使G_P(s)≠G_n(s)，或存在不确定性，干扰观测器仍使得实际对象的响应与名义模型的响应一致，即控制器对对象参数变化具有一定鲁棒性，G_DY(s)＝0说明干扰观测器对于Q(s)频带内的低频干扰具有完全的抑制能力，G_ξY(s)＝-1说明干扰观测器对于低频测量噪声非常敏感；

在高频段，Q(s)＝0，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_P(s),G_DY(s)＝G_P(s),G_ξY(s)＝0 (11)

得出干扰观测器对高频测量噪声也不敏感；因此，干扰观测器能够实现不同频率段的干扰补偿；

其中，多通道位置伺服控制方法：

如附图4所示，每个通道采用独立同等控制，对多个液压马达的位移进行互为补偿，采用一种交叉耦合同步控制结构，选择一个通道作为主运动通道，认为该通道的协同误差为0，其他通道的输出角度和主运动通道进行补偿，将两通道液压马达的角度进行求差，并将二者的差值反馈到前向通道，分别对液压缸的运行加以有效控制以达到减小同步偏差。

试验时，将液压马达供油管路与油源泵站连接，通过本系统的控制系统将油源泵站与摆动式液压马达调整到可用状态；此时启动风洞风速，待风洞中风速达到预定值后，启动油源泵站和摆动式液压马达带动叶片运动，通过安装在叶片转轴处的传感器测量到其达到指定的摆动频率和摆动角度后，开始采集数据，开始采集数据，再进行下一组风速或叶片不同运动状态试验时重复上述步骤；试验结束时，叶片运动与风洞来流风速同时停止，最后关闭油源泵站，本系统的控制需求是实现4个叶片按照设定的运动波形运动，从而对流过的气流产生一定波形和频率的扰动，实现实际飞行环境下的阵风模拟。

实施例2

叶片同步控制测试：为了测试叶片的控制精度和同步控制的效果，进行了摆角15°、摆频10Hz的正弦同步控制测试。四组叶片同步驱动的结果如图5所示，指令之间的误差曲线如图6所示。从结果可以看出，叶片很好的跟踪了需要的运动轨迹，每个通道的角度误差都在0.7°以内，任意两个叶片运动波形的相位差都小于1°，满足阵风发生器的使用要求。

实施例3

叶片不同运动波形测试：采用独立的液压伺服摆动缸驱动叶片运动，本系统可实现正弦波、三角波及随机波等多种波形的组合运动，图7给出了四组叶片同时摆动的不同运动波形图，发生器能更加真实的模拟了大气中不同运动形式、不同频率成分的扰流，尤其是随机波的生成使设备具有连续阵风的模拟能力。

实施例4

阵风流场校测：采用丹麦的Streamline Pro多通道热线风速仪。图8给出阵风流场曲线，由图可见，叶片摆动频率为8Hz、摆角为8°时，发生器在来流风速70m/s下可稳定工作，最大阵风幅值为12.6m/s。在来流风速40m/s、叶片摆角4°时，发生器的最大工作频率为16Hz。

Claims (1)

1.一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统，包括叶片摆动机构、驱动系统和控制系统，其特征在于，叶片摆动机构包括多组叶片、叶片转轴及叶片支撑，叶片支撑位于风洞内，多组叶片互相平行横贯风洞，每组叶片的两端分别通过叶片转轴安装在风洞中，每组叶片的中部与叶片支撑连接，驱动系统包括多台摆动式液压马达，每组叶片在风洞外的一端连接一个摆动式液压马达，独立进行驱动，控制系统用于分别控制多台摆动式液压马达，实现多组叶片按照设定的运动波形运动，从而对流过的气流产生一定波形和频率的扰动，实现实际飞行环境下的阵风模拟，控制系统采用闭环伺服控制，包括单通道位置伺服控制和多通道位置伺服控制，其中，摆动式液压马达的摆动缸的排量为：

D_m＝T_m/P_m (1)

D_m为液压摆动缸的单位弧度排量，T_m为动态扭矩需求，P_m为动态工作压力；

闭环伺服控制的控制模型分别如式(2)-(4)所示：

Q_L＝K_qx_v-K_cP_L (2)

P_LD_m＝J_ts²θ_m+B_msθ_m+T_l (4)

式中，Q_L-伺服阀的负载流量，K_q-伺服阀的流量增益，x_v-伺服阀的阀芯位移，K_c-伺服阀的流量压力系数，P_L-液压马达的两腔负载压降，D_m-液压马达的排量，s-拉普拉斯算子，θ_m-叶片运动角度，K_l-液压马达的泄漏系数，V_t-液压马达的负载容积，β_e-液压油有效弹性模量，J_t-液压马达转子和叶片的总转动惯量，B_m-负载粘性阻尼系数，T_l-气动负载力矩。

其中，单通道位置伺服控制采用了PID控制和基于干扰观测的位置控制，将叶片运动过程中的气动负载变化和未知负载都视为干扰，通过补偿环节进行补偿，干扰观测器是将外部干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型的输出差异，全部等效至控制输入端，即观测出等效干扰，在控制中引入等量的补偿，实现对干扰完全抑制，设G_P(s)为对象的传递函数，d为等效干扰，

为观测干扰，u为控制输入，Q(s)为低通滤波器，名义模型G_n(s)的逆G_n ^-1(s)来替代G_P ^-1(s)，ξ为测量噪声，将u，d，ξ视为输入，由叠加原理，控制系统输出y为：

y＝G_UY(s)u+G_DY(s)d+G_ξY(s)ξ (5)

式中，G_UY(s)为U到Y的传递函数，G_DY(s)为D到Y的传递函数，G_ξY(s)为ξ到Y的传递函数；

由式(6)至(8)，首先，为使Q(s)G_n ^-1(s)正，则Q(s)的相对阶应不小于G_n(s)的相对阶；其次，Q(s)带宽的设计：设Q(s)为理想的低通滤波器，即在低频段，当f≤f₀时，Q(s)＝1；在高频段，当f≥f₀时，Q(s)＝0；

则在低频时，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_n(s)，G_DY(s)＝0，G_ξY(s)＝-1 (10)

在高频段，Q(s)＝0，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_P(s)，G_DY(s)＝G_P(s)，G_ξY(s)＝0 (11)

其中，多通道位置伺服控制方法：

每个通道采用独立同等控制，对多个液压马达的位移进行互为补偿，采用一种交叉耦合同步控制结构，选择一个通道作为主运动通道，认为该通道的协同误差为0，其他通道的输出角度和主运动通道进行补偿，将两通道液压马达的角度进行求差，并将二者的差值反馈到前向通道，分别对液压缸的运行加以有效控制以达到减小同步偏差。

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