CN101694412A

CN101694412A - 进气道动态压力采集与尾锥控制装置

Info

Publication number: CN101694412A
Application number: CN200910232962A
Authority: CN
Inventors: 毛建国; 王宗超; 何小明; 王志超; 沈峘; 顾筠; 金智林
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2010-04-14

Abstract

本发明公布了一种进气道动态压力采集与尾锥控制装置，包括微处理器、执行器、显示电路、键盘电路、JTAG接口调试电路、数据存储电路、键盘显示驱动芯片、进程存储电路、位移信号采集电路、串口通信电路、二个接近开关、电源、电机驱动电路和数据采集模块，其中执行器由步进电机通过丝杆与锥形活塞固定连接构成。本发明成本低廉、精度高。

Description

进气道动态压力采集与尾锥控制装置

技术领域

发明涉及一种进气道动态压力采集与尾锥控制装置，属于进气道流量动态压力数据采集和尾椎控制领域，更准确地说属于进气道风洞试验中对动态压力数据的采集和对锥位的精确控制，用于风洞试验和各种需要测量动态压力数据的***的技术领域。

背景技术

飞机进气道流量是与飞机发动机匹配的重要指标，因此正确测定进气道流量是十分重要。航空发动机通常是在高温、高压、高转速和高负荷等极为苛刻的条件下工作的，为了保证发动机及其***的可靠工作，必须进行多种严格的试验。在试验过程中，应将发动机实际工作中可能遇到的所有复杂情况都考虑进去，以满足研制出工作可靠、技术先进的航空发动机的要求。然而，大量试验积累的经验与数据是改进设计和计算方法的重要基础，需要应用多种方法进行发动机性能测试。其中，发动机的进气道进气流量对发动机的燃烧效率起着关键性作用，故在发动机性能试验中往往需要对发动机的进气量做出精确控制以及测量。在发动机进气量的精确控制和测量方法中，最简单易行的是改变进气时气流的流通横截面积。通常的做法是在风洞设备的进气道中设置一个锥形活塞，通过精确控制锥形活塞的行程来改变进气道的流通面积。

风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备，几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。风洞是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流，使其流过安置在实验段的静止模型，模拟实物在静止空气中的运动。测量作用在模型上的空气动力，观测模型表面及周围的流动现象。根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。实验段是风洞的中心部件，实验段流场应模拟真实流场，其气流品质如均匀度、稳定度(指参数随时间变化的情况)、湍流度等，应达到一定指标。风洞实验的主要项目有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。测力和测压实验是测定作用于模型或模型部件(如飞行器模型中的一个机翼等)的气动力及表面压强分布，多用于为飞行器设计提供气动特性数据。传热实验主要用于研究超声速或高超声速飞行器上的气动加热现象。动态模型实验包括颤振、抖振和动稳定性实验等，要求模型除满足几何相似外还能模拟实物的结构刚度、质量分布和变形。流态观测实验广泛用于研究流动的基本现象和机理。由于风洞试验的试验数据需要准确度高，现有的技术无法满足一些高精度的风洞试验，该装置能够测量高精度的压力和能够进行自动的测量，方便试验的进行。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种进气道动态压力采集与尾锥控制装置。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述***来进行各种需要对电机的控制和对各种需要动态压力数据的试验提供可行的测量装置。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明进气道动态压力采集与尾锥控制装置，其特征在于包括微处理器、执行器、显示电路、键盘电路、JTAG接口调试电路、数据存储电路、键盘显示驱动芯片、进程存储电路、位移信号采集电路、串口通信电路、二个接近开关、电源、电机驱动电路和数据采集模块，其中执行器由步进电机通过丝杆与锥形活塞固定连接构成；数据采集模块和锥形活塞都设置于进气道内，锥形活塞的行程前后各相对设置一个接近开关，位移信号采集电路与锥形活塞相对设置，微处理器通过电机驱动电路接步进电机的控制端，键盘电路、电源、JTAG接口调试电路、接近开关、位移信号采集电路和数据采集模块的输出端分别接微处理器的输入端，键盘显示驱动芯片、数据存储电路和进程存储电路分别与微处理器双向连接，位移信号采集电路的输出端分别接微处理器和显示电路的输入端，键盘显示驱动芯片的输出端分别接显示电路和键盘电路得输入端，微处理器通过串口通信电路与上位机通信。

本发明具有如下的优点：

(1)设计中无论是硬件还是软件***中都采用模块化的设计方法。这使得***扩展起来比较方便，***可移植性高，增加了***的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。

(2)位移传感器实时测量步进电机的运行距离，并通过数码管显示，能够实时判断***是否正常运行。

(3)具有结构简单、运行可靠、成本低廉等特点。

(4)***达到千分之一的精度。

(5)多种操作模式，满足不同的试验需求，不但使用于航空领域，同样也适用于汽车等领域。

(6)能够精确的测量动态压力数据，可以运用到各种需要动态压力的各种装置。

(7)对锥位的控制可以通过键盘和上位机两种模式操作，使得操作简单方便，可以适应各种场合的试验。

本发明精确控制锥形活塞的行程通过步进电机带动丝杆传动***，做出精确位移来实现。精确地控制电机行程就能够实现对进气道流量的控制。

该***在风洞实验中的应用极大地提高了实验的自动化、高效率和高精度的水平，能够准确的测量动态压力和精确的控制锥位。

附图说明

图1：本发明***结构图。

图2：本发明***控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的目的是要设计和研制一种在进气道进行吹风试验中能够精确的控制锥位和准确的测量动态压力的8通道数据采集和尾锥控制***。通过对步进电机的控制实现精确的锥位控制，通过按键能够实现对电机的单步前进、单步后退、连续前进、连续后退、联机五种运行模式的设置，同时可以实现复位功能、对电机运行速度的快慢的调整、运行工况的设置，如果输入的行程错误可以清零后重新输入，在连续模式下连续输入几个工况后运行完成后，如果需要运行相同的工况无需重新输入，只需要调出上次输入的数据通过运行键就可以运行，使得操作简单方便，通过NI的数据采集卡能够实时的测量需要的动态压力数据。以上所有的功能也可以通过上位机界面实现，通过上位机实现对各种压力数据的实时采集。

本发明是采取以下的技术方案来实现的：

对发动机的进气量做出精确的控制和测量，最简单易行的方法就是改变进气时气流的流通的横截面积，通过在进气道中设置一锥形活塞，精确控制锥形活塞的行程来改变进气道流通面积。而精确控制锥形活塞的行程通过步进电机带动丝杆传动***，做出精确位移来实现。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位移只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位移等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。通过单片机的驱动程序来控制步进电机的各种运行动作，以实现调节阀对进气流量的控制。主要包括以下功能：构筑一个控制***，完成对步进电机的精确控制，通过在控制面板上输入使步进电机完成包括单步前进、单步后退、连续前进、连续后退、联机五种运行方式。同时可实现步进电机方向控制和速度控制，以及使控制***具有手动存储数据，断电自动存储数据，同时可以直接调用存储数据功能。位移传感器可以实时测量电机的位移，限位开关用来显示电机是否运行到锥位的起点和终点，方便用户的测量和操作。同时对风洞中的动态压力进行采集，使用NI的8通道的数据采集卡，实时采集动态压力传感器的数据。通过单片机的驱动程序来控制步进电机的各种运行动作，以实现调节阀对进气流量的控制。主要包括以下功能：构筑一个控制***，完成对步进电机的精确控制，通过在控制面板上输入使步进电机完成包括单步前进、单步后退、连续前进、连续后退、联机五种运行方式。同时可实现步进电机方向控制和速度控制，以及使控制***具有手动存储数据，断电自动存储数据，同时可以直接调用存储数据功能。

采用C8051F021单片机对步进电机进行控制，通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片74LS244驱动步进电机；同时用5*4的键盘来对电机的状态进行控制，用数码管显示输入的行程以及***的运行工况以及位移传感器的测量值，在键盘和数码管控制方面采用CH451作为***芯片控制，CH451芯片是一个整合了数码管驱动和键盘扫描控制以及μp监控的多功能***芯片。可以驱动8位数码管或64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时可以进行64键的键盘扫描；CH451实现对键盘的控制和数码管的驱动。采用AT24C32芯片作为存储芯片实现***的存储功能；同时***设置了串口通信，通过MAX232接口电路实现控制***与上位机的数据通信。可以通过上位机对整个***的各种运行模式进行操作，也可以通过按键实现各种运行模式的操作，方便用户选择，即使在没有计算机的条件下也可以进行操作。

并且设计了为传感器和数据采集卡提供稳定电源的电源箱，电源箱包括蓄电池、充电器、各种接插件、电压表、继电器，电压表能够实时的显示蓄电池的电压，一旦电压达不到***的工作电压，启动充电器对蓄电池进行充电，保证***一直能够稳定的工作。

设计了上位机操作界面，可以通过上位机对整个***的各种运行模式进行操作，也可以通过按键实现各种运行模式的操作，方便用户选择，即使在没有计算机的条件下也可以进行操作。

整个***硬件部分包括微处理器、执行器、显示电路、键盘电路、JTAG接口调试电路、数据存储电路、位移信号采集电路、串口通信电路、接近开关电路、电机控制电路。单片机选用低功耗、高性能、CMOS八位微处理器C8051F021，片内有64K字节的可擦写存储器，4352B的片内RAM，4组I/O口，以流水线处理指令。

设计了控制***的原理图，进行了硬件电路的加工以及元器件的焊接、进行了控制的***的软件设计，通过对***的需求分析，设计了各个功能模块分别进行调试，调试完成后进行整个***的软件设计，最后软硬件进行了联机调试，调试完成后，进行试验，试验结果表明***稳定可能，达到了预期的性能指标。设计和加工了一锥形活塞，通过精确控制锥形活塞的行程来改变进气道流通面积。在尾锥控制***中安装了位移传感器用来实时测量电机的位置。该***的控制功能通过上位机对电机控制和通过按键对电机控制两种操作模式实现，满足不同的试验需求。***实现了以下功能，单步前进、单步后退、连续前进、连续后退、联机运行五种模式，连续运行模式时可以连续运行16个工况。可以调整电机的运行速度，修改输入的行程，对输入的错误数据进行清除，对输入的行程进行存储，可以进行电机进行复位，使其复位到起始位移。在连续模式下在输入的各个行程输入完毕后可以进行输入行程的查询以及修改，可以实现对某个行程的电机运行速度的修改，实时显示位移传感器的测量结果。并且通过在起点和终点安装两个接近开关检测电机是否在起点或者终点。

开机后首先进行C8051F021单片机的初始化，C8051F021初始化完成后首先进行位移传感器的测量，并在数码管上进行显示。然后判断电机是否靠近接近开关，如果靠近前端的接近开关表示电机在起始位移，电机只能执行单步前进、连续前进，如果执行单步后退、连续后退，需要电机进行复位到终点位移。如果靠近后端的接近开关表示电机在终点位移，电机只能执行单步后退、连续后退，如果执行单步前进、连续前进，需要电机进行复位到起点位移。如果前后端接近开关都没有靠近，可以进行各种模式的操作。然后判断是上位机模式还是按键模式对电机进行操作，如果是上位机模式，上位机通过串口发送试验数据，执行串口中断服务子程序，完成实验所需要的各种操作。如果执行的是按键模式，首先进行CH451初始化、开中断、开启键盘扫描，调用显示子程序，显示输入的键值和工况。调用按键中断服务子程序，当有键值按下时执行键值处理子程序，根据不同的键码执行相应的程序，然后按RUN运行电机，运行完成后显示位移传感器测量的结果。通过上位机界面实现对8通道的动态压力数据的采集，已经在中国航天空气动力研究院和南京航空航天大学风洞试验中进行使用，表明***能够长期稳定的运行，测量的动态压力数据和通过理论计算的数据一致，控制***能够精确的控制进气道的流量，节约了试验成本，提高了测量精度和节省了试验时间，加快了工作效率。

Claims

1.一种进气道动态压力采集与尾锥控制装置，其特征在于包括微处理器、执行器、显示电路、键盘电路、JTAG接口调试电路、数据存储电路、键盘显示驱动芯片、进程存储电路、位移信号采集电路、串口通信电路、二个接近开关、电源、电机驱动电路和数据采集模块，其中执行器由步进电机通过丝杆与锥形活塞固定连接构成；数据采集模块和锥形活塞都设置于进气道内，锥形活塞的行程前后各相对设置一个接近开关，位移信号采集电路与锥形活塞相对设置，微处理器通过电机驱动电路接步进电机的控制端，键盘电路、电源、JTAG接口调试电路、接近开关、位移信号采集电路和数据采集模块的输出端分别接微处理器的输入端，键盘显示驱动芯片、数据存储电路和进程存储电路分别与微处理器双向连接，位移信号采集电路的输出端分别接微处理器和显示电路的输入端，键盘显示驱动芯片的输出端分别接显示电路和键盘电路得输入端，微处理器通过串口通信电路与上位机通信。

2.根据权利要求1所述的进气道动态压力采集与尾锥控制装置，其特征在于所述位移信号采集电路采用LXW精密拉线位移传感器。