CN114894427A - 一种连续变马赫数的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种连续变马赫数的控制方法，属于风洞试验特种装备控制技术领域。解决了现有技术无法实现柔板运动过程中马赫数型面控制，无法实现连续变马赫数功能的不足。本申请通过对多支点柔壁喷管机构动力学模型采用动力学仿真计算获取支点处各马赫数的支点位移及驱动力，形成柔壁喷管理论型面曲线；各马赫数的支点位移构建运动曲线，支点位移点作为关键点通过计算五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线。选择合适的伺服***，采用多轴同步控制***控制方法，实现了对柔壁喷管柔板成型控制，并通过激光跟踪仪和风洞试验对柔板成型曲线进行修正，使得柔壁喷管型面与理论气动型面高精度吻合，实现了马赫数的连续变化。

Description

一种连续变马赫数的控制方法

技术领域

本申请涉及一种变马赫数的控制方法，尤其涉及一种连续变马赫数的控制方法，属于风洞试验特种装备控制技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的发展各种飞行器的设计研制，对风洞试验的依赖性越来越高。因此试验的需求也越来越高，对于风洞试验的效率进一步提高要求也越来越迫切，尤其是跨超声速阶段的性能指标，直接影响各种飞行器的设计性能的好坏，如何提高风洞控制性能指标，改善流场品质，提高风洞试验效率，获得高精度试验数据，是风洞控制的主要任务，不但对于飞行器同时也是发动机研制设计的基础。

目前风洞试验实现马赫数的改变，一是采用更换固定马赫数的喷管，二是采用柔壁喷管控制柔板的曲面变化，具体的试验方法是固定一个马赫数改变模型的姿态角度得到相应的气动数据，但是实际飞行器及航空发动机飞行时在某个状态下往往对速度的变化更为重视，因此采用控制方法，在短暂的时间内（30秒~60秒），控制喷管柔板的曲面连续变化实现一次吹风时间内呈现多个马赫数的改变，得到模型及配套的航空发动机随马赫数变化的气动特性。

马赫数的改变需要控制驱动装置驱动柔板连续改变喷管的喉道的截面面积，即确保喷管柔板运行过程中型面连续变化，实现马赫数的连续变化，现在越来越多的生产型风洞采用柔壁喷管技术，具有实现马赫数的连续变化的基础条件。

柔壁喷管是保证风洞流场品质、试验质量和马赫数的连续变化的关键设备。柔壁喷管在试验过程中的连续运行涉及结构、测控多个环节的使用安全。目前柔壁喷管的各支点的控制方法都是采用按等比例的控制规则，使用各支点不同的传动比进行型面控制，即电子齿轮的控制方式，这种方法可以实现固定马赫数的型面变化，但无法实现柔板运动过程中马赫数型面控制，无法实现连续变马赫数的功能。

针对上述柔壁喷管型面的控制方法的不足，亟需设计一种高效的连续变马赫数的控制方法 ，改变目前柔壁喷管型面控制的不足，实现连续变马赫数。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种连续变马赫数的控制方法，以解决现有技术无法实现柔板运动过程中马赫数型面控制，无法实现连续变马赫数功能的不足，本申请通过对多支点柔壁喷管机构动力学模型采用动力学仿真可识别参数化计算获取支点处各马赫数的支点位移及驱动力，形成柔壁喷管理论型面曲线；各马赫数的支点位移构建运动曲线，支点位移点作为关键点通过计算五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种连续变马赫数的控制方法，包括：

步骤一，拟合运动曲线：通过对多支点柔壁喷管机构动力学模型采用动力学仿真可识别参数化计算获取支点处各马赫数的支点位移、驱动力以及柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线、柔板型面变化曲线；根据各马赫数的支点位移构建运动曲线，支点位移点作为关键点通过计算五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线，由于柔板上分布的支点形成不同，通过计算程序构建不同支点的运动曲线；

步骤二，应力监测：应力监测***通过动力学可视化参数计算获取柔板的应力分布情况，根据应力分布的情况，应力的大小，作为应变片的粘贴的理论依据，设置应力阀值，作为柔板成型过程中的安全保护；

步骤三，柔板控制：采用虚拟轴+电子凸轮控制的方式实现柔板控制，

主轴是作为基准在电子凸轮曲线作为X轴的变量函数；

从轴指柔板各支点的伺服电机或伺服电缸，是通过外置编码器检测装置反馈数值获取，作为Y轴的变量函数；

以主轴和多个从轴为基础构建多轴同步控制***，根据步骤一获取的运动曲线构建电子凸轮表；主轴和从轴采用绝对位置模式，通过运动控制器上位机和下位机PLC程序进行运动仿真模拟***运动过程，通过仿真监控，修正运动位置、速度、加速度；

步骤四，控制***：采用交流伺服***控制方式，采用运动控制器通过总线通讯连接伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机或伺服电缸，通过外置编码器构成位置闭环，通过步骤三的柔板控制实现各推杆的位置同步协调控制；

步骤五，型面调试：通过激光跟踪仪对柔板成型标定与理论型面进行比较，通过柔板上支点位移调整，修正从轴的位置支点，直到每个马赫数对应的柔板型面与理论型面重合，满足***控制指标；通过风洞流场校测获取马赫数分布情况，修正马赫数曲线，修正凸轮曲线，修正柔板型面，从而得到不同试验马赫数的均匀流场；通过仿真和风洞试验，获取调压阀或压缩机转速与柔板连续变化控制关系，实现风洞马赫数连续控制。

在上述技术方案中，所述步骤一，具体步骤为：

步骤11，根据已知柔壁喷管型面曲线，对多支点柔壁喷管机构动力学模型进行动力学仿真，其中柔壁喷管型面曲线即马赫数型面数据，以小于等于0.1为间隔，仿真采用可视化参数化设计，对柔板上每个支点的对应的参数进行设置，参数包括运行速度、时间；通过仿真并经过处理提取柔板各马赫数下各支点的位移和所受的驱动力以及柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线、柔板型面变化曲线；

步骤12，根据柔板运动速度需求以及步骤11计算所得支点的位移和所受的驱动力，选择合适的伺服电机、减速器、电动推杆；根据步骤11的柔板各马赫数下各支点的位移，构建柔板上各支点的运动曲线，运动曲线由各支点的位移变化点作为关键点，通过五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线。

在上述技术方案中，所述步骤二，具体步骤为：

步骤21，根据步骤11中的柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线粘贴应变片，应力监测***中设置应力阀值，作为柔板成型过程中的安全保护；

步骤22，应力监测***通过动力学可视化参数计算获取柔板的应力分布情况，根据应力分布的情况，应力的大小，作为应变片的粘贴的理论依据；

步骤23，设置合适的应力阀值，应变监测***实时在线监测，当过柔板变形超过应力阀值时，通过网络送出报警信号到主控计算机，主控计算机接到报警之后发出信号到控制器，断开所述柔板的伺服电机输出，确保***的安全。

在上述技术方案中，所述步骤三，具体步骤为：

步骤31，采用虚拟轴+电子凸轮控制，电子凸轮用于特定主从轴的运动控制，主从轴位置实现任意线性或者非线性关系，主轴指虚拟轴，以固定速度进行传动的轴，主轴是作为基准在电子凸轮曲线作为X轴的变量函数，从轴指柔板各支点的伺服电机或伺服电缸，是通过外置编码器检测装置反馈数值获取，作为Y轴的变量函数；以主轴和多个从轴为基础构建多轴同步控制***；

步骤32，根据步骤12中的各支点的运动曲线，通过主从轴的位置关系建立每个从轴的电子凸轮表，电子凸轮曲线平滑过渡；

步骤33，主轴和从轴采用绝对位置模式设定；实现过程：将电子凸轮曲线导入上位机，上位机将指令发送给下位机PLC，下位机PLC根据电子凸轮曲线的位置数据对各推杆的位置同步协调控制，通过外部信号或内部函数指令进行电子凸轮运动的启动和停止；

步骤34，通过智能化的运动控制器进行运动仿真模拟***运动过程，检查运动曲线，采用边运行，边调整，在运行中检查实际效果，再进行优化调整，调整运动位置、速度、加速度的值，直到达到控制要求的位置。

在上述技术方案中，所述步骤四，具体步骤为：

步骤41，选择智能化的运动控制器，根据控制支点的数量采用倍福、西门子或汇川的运动控制器；

步骤42，运动控制器通过总线通讯连接伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机或伺服电缸，通过外置编码器，采用步骤33的控制方法实现各推杆的位置同步协调控制，构成位置闭环控制。

所述步骤四，还包括步骤43，具体为：

将步骤中11中柔板各支点所受的最大驱动力乘以安全系数作为伺服电机扭矩的输出控制阀值纳入控制***中，实时监测电机的输出扭矩，一旦超出控制阀值，控制***断开所述柔板所有伺服电机输出，作为柔板在成型过程中的安全保护，并入***的联锁控制中。

在上述技术方案中，所述步骤五，具体步骤为：

步骤51，通过激光跟踪仪对柔板成型标定与理论型面进行比较，通过柔板上支点位移调整，重复步骤12和步骤34，直到每个马赫数对应的柔板型面与理论型面重合，满足***控制指标，允许偏差在 0.05mm-0.1mm 内；

步骤52，通过风洞流场校测获取马赫数分布情况，修正马赫数曲线，重复步骤12和步骤34，修正凸轮曲线，修正柔板型面，得到不同试验马赫数的均匀流场；

步骤53，通过仿真和风洞试验，获取调压阀或压缩机转速与柔板连续变化控制关系，建立前馈和PID相结合的控制方法，实现风洞马赫数连续控制。

本申请有益效果体现在：

相对于现有技术，本申请控制方法由伺服控制***驱动柔壁喷管柔板沿着设计的运动曲线变化，并配合调压阀开度或压缩机转速变化调节压力，实现连续改变马赫数目的。通过进行参数化设计获取不同马赫数的柔板的支点的位移变化，建立运动曲线，支点的驱动力等参数。选择合适的伺服***，采用多轴同步控制***控制方法，实现对柔壁喷管柔板成型的控制，并通过激光跟踪仪和风洞试验对柔板成型曲线进行修正。实现柔壁喷管型面与理论气动型面高精度吻合。通过仿真和风洞试验，获取调压阀或压缩机转速与柔板连续变化控制关系，采用前馈和PID相结合的控制方法实现马赫数的连续变化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

本申请实施例1提供了一种连续变马赫数的控制方法，包括：

步骤（1），根据已知柔壁喷管型面曲线，对多支点柔壁喷管机构动力学模型进行动力学仿真，其中柔壁喷管型面曲线即马赫数型面数据，以0.1为间隔，（如马赫数1.5,1.6,1.7..4.0）。仿真采用可视化参数化设计，对柔板上每个支点的对应的参数进行设置，参数包括运行速度、时间；通过仿真并经过处理提取柔板各马赫数下各支点的位移和所受的驱动力（力矩）以及柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线、柔板型面变化曲线；

步骤（2），根据柔板运动速度需求以及步骤（1）计算所得支点的位移和所受的驱动力（力矩），选择合适的伺服电机、减速器、电动推杆；根据步骤（1）的柔板各马赫数下各支点的位移，构建柔板上各支点的运动曲线，运动曲线由各支点的位移变化点作为关键点，通过五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线，使拟合的运动曲线更快的接近实际曲线。由于柔板上各支点的分布不同，运动曲线各自不同；

步骤（3），根据步骤（1）中的柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线粘贴应变片，应力监测***中设置应力阀值，作为柔板成型过程中的安全保护；

步骤（4），应力监测***通过动力学可视化参数计算获取柔板的应力分布情况，根据应力分布的情况，应力的大小，作为应变片的粘贴的理论依据；

步骤（5），设置合适的应力阀值，应变监测***实时在线监测，当过柔板变形超过应力阀值时，通过网络送出报警信号到主控计算机，主控计算机接到报警之后发出信号到控制器，断开所述柔板的伺服电机输出，确保***的安全；

步骤（6），采用虚拟轴+电子凸轮控制，电子凸轮用于特定主从轴的运动控制，主从轴位置实现任意线性或者非线性关系，主轴指虚拟轴，以固定速度进行传动的轴，主轴是作为基准在电子凸轮曲线作为X轴的变量函数，从轴指柔板各支点的伺服电机或伺服电缸，是通过外置编码器检测装置反馈数值获取，作为Y轴的变量函数；主轴运动时对应的从轴位也发生改变。以主轴和多个从轴为基础构建多轴同步控制***；

步骤（7），根据步骤（2）中的各支点的运动曲线，通过主从轴的位置关系建立每个从轴的电子凸轮表，电子凸轮曲线必须保证位置部分没有中断和跳动，且速度和加速度变化也必须平稳，曲线应具有较好的平滑过渡性；

步骤（8），主轴和从轴采用绝对位置模式设定；实现过程：将电子凸轮曲线导入上位机，上位机将指令发送给下位机PLC，下位机PLC根据电子凸轮曲线的位置数据对各推杆的位置同步协调控制，通过外部信号或内部函数指令进行电子凸轮运动的启动和停止；

步骤（9），通过智能化的运动控制器进行运动仿真模拟***运动过程，检查运动曲线，采用边运行，边调整，需要不断的仿真测试运行，在运行中检查实际效果，再进行优化调整，调整运动位置、速度、加速度的值，直到达到控制要求的位置；

步骤（10），选择智能化的运动控制器，根据控制支点的数量采用倍福的高性能运动控制器；

步骤（11），运动控制器通过总线通讯连接伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机或伺服电缸，通过外置编码器，采用步骤（8）的控制方法实现各推杆的位置同步协调控制，构成位置闭环控制；

步骤（12），将步骤中（1）中柔板各支点所受的最大驱动力乘以安全系数作为伺服电机扭矩的输出控制阀值纳入控制***中，实时监测电机的输出扭矩，一旦超出控制阀值，控制***断开所述柔板所有伺服电机输出，作为柔板在成型过程中的安全保护，并入***的联锁控制中；

步骤（13），通过激光跟踪仪对柔板成型标定与理论型面进行比较，通过柔板上支点位移调整，重复步骤（2）和步骤（9），直到每个马赫数对应的柔板型面与理论型面重合，满足***控制指标，在实际运行中由于机构本身的偏差，机构重复定位偏差在 0.05mm-0.1mm内，***运行顺畅机构无卡顿，***安全可靠；

步骤14，通过风洞流场校测获取马赫数分布情况，修正马赫数曲线，重复步骤（2）和步骤（9），修正凸轮曲线，修正柔板型面，得到不同试验马赫数的均匀流场；

步骤（15），通过仿真和风洞试验，获取调压阀或压缩机转速与柔板连续变化控制关系，建立前馈和PID相结合的控制方法，实现风洞马赫数连续控制。

实施例2

本申请实施例2，与实施例1的不同点在于，步骤（10），选择智能化的运动控制器，根据控制支点的数量采用西门子高性能的运动控制器。

实施例3

本申请实施例3，与实施例1的不同点在于，步骤（10），选择智能化的运动控制器，根据控制支点的数量采用汇川的高性能运动控制器。

以上所述的实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连续变马赫数的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，拟合运动曲线：通过对多支点柔壁喷管机构动力学模型采用动力学仿真可识别参数化计算获取支点处各马赫数的支点位移、驱动力以及柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线、柔板型面变化曲线；根据各马赫数的支点位移构建运动曲线，支点位移点作为关键点通过计算五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线，由于柔板上分布的支点形成不同，通过计算程序构建不同支点的运动曲线；

步骤二，应力监测：应力监测***通过动力学可视化参数计算获取柔板的应力分布情况，根据应力分布的情况，应力的大小，作为应变片的粘贴的理论依据，设置应力阀值，作为柔板成型过程中的安全保护；

步骤三，柔板控制：采用虚拟轴+电子凸轮控制的方式实现柔板控制，

主轴是作为基准在电子凸轮曲线作为X轴的变量函数；

从轴指柔板各支点的伺服电机或伺服电缸，是通过外置编码器检测装置反馈数值获取，作为Y轴的变量函数；

以主轴和多个从轴为基础构建多轴同步控制***，根据步骤一获取的运动曲线构建电子凸轮表；主轴和从轴采用绝对位置模式，通过运动控制器上位机和下位机PLC程序进行运动仿真模拟***运动过程，通过仿真监控，修正运动位置、速度、加速度；

步骤四，控制***：采用交流伺服***控制方式，采用运动控制器通过总线通讯连接伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机或伺服电缸，通过外置编码器构成位置闭环，通过步骤三的柔板控制实现各推杆的位置同步协调控制；

步骤五，型面调试：通过激光跟踪仪对柔板成型标定与理论型面进行比较，通过柔板上支点位移调整，修正从轴的位置支点，直到每个马赫数对应的柔板型面与理论型面重合，满足***控制指标；通过风洞流场校测获取马赫数分布情况，修正马赫数曲线，修正凸轮曲线，修正柔板型面，从而得到不同试验马赫数的均匀流场；通过仿真和风洞试验，获取调压阀或压缩机转速与柔板连续变化控制关系，实现风洞马赫数连续控制。

2.根据权利要求1所述的一种连续变马赫数的控制方法，其特征在于，所述步骤一，具体步骤为：

步骤11，根据已知柔壁喷管型面曲线，对多支点柔壁喷管机构动力学模型进行动力学仿真，其中柔壁喷管型面曲线即马赫数型面数据，以小于或等于0.1为间隔，仿真采用可视化参数化设计，对柔板上每个支点的对应的参数进行设置，参数包括运行速度、时间；通过仿真并经过处理提取柔板各马赫数下各支点的位移和所受的驱动力以及柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线、柔板型面变化曲线；

步骤12，根据柔板运动速度需求以及步骤11计算所得支点的位移和所受的驱动力，选择合适的伺服电机、减速器、电动推杆；根据步骤11的柔板各马赫数下各支点的位移，构建柔板上各支点的运动曲线，运动曲线由各支点的位移变化点作为关键点，通过五阶多项式拟合逐一连接所有的位移控制点构成完整运动曲线。

3.根据权利要求2所述的一种连续变马赫数的控制方法，其特征在于，所述步骤二，具体步骤为：

步骤21，根据步骤11中的柔板运动过程中各支点处应力的变化曲线粘贴应变片，应力监测***中设置应力阀值，作为柔板成型过程中的安全保护；

步骤22，应力监测***通过动力学可视化参数计算获取柔板的应力分布情况，根据应力分布的情况，应力的大小，作为应变片的粘贴的理论依据；

步骤23，设置合适的应力阀值，应变监测***实时在线监测，当过柔板变形超过应力阀值时，通过网络送出报警信号到主控计算机，主控计算机接到报警之后发出信号到控制器，断开所述柔板的伺服电机输出，确保***的安全。

4.根据权利要求3所述的一种连续变马赫数的控制方法，其特征在于，所述步骤三，具体步骤为：

步骤31，采用虚拟轴+电子凸轮控制，电子凸轮用于特定主从轴的运动控制，主从轴位置实现任意线性或者非线性关系，主轴指虚拟轴，以固定速度进行传动的轴，主轴是作为基准在电子凸轮曲线作为X轴的变量函数，从轴指柔板各支点的伺服电机或伺服电缸，是通过外置编码器检测装置反馈数值获取，作为Y轴的变量函数；以主轴和多个从轴为基础构建多轴同步控制***；

步骤32，根据步骤12中的各支点的运动曲线，通过主从轴的位置关系建立每个从轴的电子凸轮表，电子凸轮曲线平滑过渡；

步骤33，主轴和从轴采用绝对位置模式设定；实现过程：将电子凸轮曲线导入上位机，上位机将指令发送给下位机PLC，下位机PLC根据电子凸轮曲线的位置数据对各推杆的位置同步协调控制，通过外部信号或内部函数指令进行电子凸轮运动的启动和停止；

步骤34，通过智能化的运动控制器进行运动仿真模拟***运动过程，检查运动曲线，采用边运行，边调整，在运行中检查实际效果，再进行优化调整，调整运动位置、速度、加速度的值，直到达到控制要求的位置。

5.根据权利要求4所述的一种连续变马赫数的控制方法，其特征在于，所述步骤四，具体步骤为：

步骤41，选择智能化的运动控制器，根据控制支点的数量采用倍福、西门子或汇川的运动控制器；

步骤42，运动控制器通过总线通讯连接伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机或伺服电缸，通过外置编码器，采用步骤33的控制方法实现各推杆的位置同步协调控制，构成位置闭环控制；

括步骤43，将步骤中11中柔板各支点所受的最大驱动力乘以安全系数作为伺服电机扭矩的输出控制阀值纳入控制***中，实时监测电机的输出扭矩，一旦超出控制阀值，控制***断开所述柔板所有伺服电机输出，作为柔板在成型过程中的安全保护，并入***的联锁控制中。

6.根据权利要求5所述的一种连续变马赫数的控制方法，其特征在于，所述步骤五，具体步骤为：

步骤51，通过激光跟踪仪对柔板成型标定与理论型面进行比较，通过柔板上支点位移调整，重复步骤12和步骤34，直到每个马赫数对应的柔板型面与理论型面重合，满足***控制指标，允许偏差在 0.05mm-0.1mm 内；

步骤52，通过风洞流场校测获取马赫数分布情况，修正马赫数曲线，重复步骤12和步骤34，修正凸轮曲线，修正柔板型面，得到不同试验马赫数的均匀流场；

步骤53，通过仿真和风洞试验，获取调压阀或压缩机转速与柔板连续变化控制关系，建立前馈和PID相结合的控制方法，实现风洞马赫数连续控制。

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