CN115112340B - 一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法 - Google Patents

一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法 Download PDF

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CN115112340B CN202211040166.7A CN202211040166A CN115112340B CN 115112340 B CN115112340 B CN 115112340B CN 202211040166 A CN202211040166 A CN 202211040166A CN 115112340 B CN115112340 B CN 115112340B
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Abstract

本发明提出一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法，属于风洞实验模型振动控制技术领域。包括以下步骤：步骤一、搭建大展弦比模型多自由度振动前后置减振器机械***，方法是：将压电陶瓷安装于前置减振器和后置减振器处，进行压电陶瓷预紧，后置减振器安装于弯刀中部支架，然后依次安装支杆、前置减振器、天平和模型；步骤二、对前后置减振器抑振功能进行地面测试；步骤三、进行风洞试验，吹风过程中根据***的抑振效果动态调节控制参数。解决了振动抑制效果差的技术问题。实现了发挥前后置减振器的最大能力，又避免了横向和纵向可能产生的耦合和干扰的目标。

Description

一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法
技术领域
本申请涉及一种解耦控制方法，尤其涉及一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法，属于风洞实验模型振动控制技术领域。
背景技术
大展弦比民机模型在宽频气流脉动激励作用下，在横向和纵向等多个自由度上都会发生振动，需要研制具有模块化特点、对支杆外形和刚度特性影响小、具有高载荷输出能力和较宽的频率调节范围的振动抑制***。为了使纵向试验的迎角范围扩大到抖振迎角，需要开展前、后置减振器组合抑振算法研究。
2007年NASA NTF研究所S .Balakrishna等人在《Development of a Wind TunnelActive Vibration Reduction System》中提出了采用测力天平作为振动信号采集器并将采集的信号作为反馈信号实现模型振动的主动控制。但是天平信号非常微弱，极易受到高压压电陶瓷驱动信号的干扰，且风洞环境复杂，具有强电场与强磁场，影响到振动信号的反馈，进而造成高压压电陶瓷抑振器控制的不准确，影响振动抑制的效果。
2013年南京航空航天大学涂凡凡、宋静、陈卫东等人在《人工神经网络在压电主动减振***中的应用研究》和《基于迭代学习控制的振动主动控制技术研究》中采用加速度传感器采集振动信号并反馈给控制器来实现模型振动的主动控制。但是该方案仅在支杆一处安装压电抑振器。
2020年大连理工大学刘巍、姜雨丰、刘惟肖等人在《一种风洞支杆的前后置抑振器协同抑振方法》中采用加速度两次积分的方式获得支杆尾端的瞬时位移，进而求得支杆转角瞬时偏差，但是该方案使用加速度计的两次积分可能会引入较大的误差，影响实际的振动抑制效果。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在振动抑制效果差的技术问题，本发明提供一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建大展弦比模型多自由度振动前后置减振器机械***，方法是：将压电陶瓷安装于前置减振器和后置减振器处，进行压电陶瓷预紧，后置减振器安装于弯刀中部支架，然后依次安装支杆、前置减振器、天平和模型；
步骤二、对前后置减振器抑振功能进行地面测试，具体方法是：通过锤击法测得***的固有频率，即使用橡胶锤单次锤击模型，通过快速傅立叶变换对测得的加速度计时域信号进行分析，得到的频谱曲线峰值处频率就是***的固有频率。将加速度计带通滤波频率设定为可以保留***固有频率的范围，分别调整前置减振器和后置减振器的控制参数；
步骤三、进行风洞试验，吹风过程中根据***的抑振效果动态调节控制参数。
优选的，所述调整前置减振器和后置减振器的控制参数方法是：在模型质心水平方向和竖直方向安装有加速度计，加速度计根据模型运动得到横向、纵向加速度值，根据横向、纵向加速度值，计算得到横向振动力矩和纵向振动力矩，根据振动力矩给定不同的控制模式投入前后减振器，控制模式包括纵向振动力矩投入前后减振器的控制模式和横向振动力矩投入前后减振器的控制模式。
优选的，纵向振动力矩投入前后减振器的控制模式包括：
步骤二一、当纵向振动力矩小于等于后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧输出能力上限换算的纵向力矩时，仅①，④，⑤，⑧压电陶瓷作动；
步骤二二、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧输出能力上限换算的纵向振动力矩而小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算的纵向力矩时，后置减振器压电陶瓷①-⑧作动；
步骤二三、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算纵向力矩而小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷③，⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷③，⑥作动；
步骤二四、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷③，⑥输出能力上限换算纵向力矩之和，且小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷①-⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷①-⑥作动；
步骤二五、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷①-⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷①-⑥作动；同时采取模型姿态角紧急回零或降低风洞风速的措施；
优选的，横向振动力矩投入前后减振器的控制模式包括：
步骤二六、当横向振动力矩小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤输出能力上限换算力矩时，仅①，②，④，⑤压电陶瓷作动，③，⑥压电陶瓷布置于竖直轴线上，其输出对横向振动没有影响；
步骤二七、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤输出能力上限换算力矩而小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦输出能力上限换算力矩之和时，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦作动；
步骤二八、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦输出能力上限换算力矩之和，且小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算力矩之和时，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷①-⑧作动；
步骤二九、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算力矩和时，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷①-⑧作动，同时采取模型姿态角紧急回零或降低风洞风速的措施。
本发明的有益效果如下：本发明根据横向、纵向加速度值，计算得到横向振动力矩和纵向振动力矩，根据振动力矩给定不同的控制模式投入前后减振器。既发挥了前后置减振器的最大能力，又尽可能避免了横向和纵向可能产生的耦合和干扰。解决了振动抑制效果差的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为前置减振器压电陶瓷布局示意图；
图2为后置减振器压电陶瓷布局示意图；
图3为纵向振动控制原理示意图；
图4为横向振动控制原理示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。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。
实施例1、参照图1-4说明本实施方式，一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法，步骤一、搭建大展弦比模型多自由度振动前后置减振器机械***，具体方法是：先将相应的压电陶瓷安装于前置减振器和后置减振器凹槽处，并进行压电陶瓷预紧，后置减振器安装于弯刀中部支架，然后依次安装支杆、前置减振器、模型-天平组合体；
所述前置减振器压电陶瓷为6个（参照图1前置减振器压电陶瓷布局示意图，图中的①、②、③、④、⑤和⑥为前置减振器压电陶瓷的示意标号，控制前置减振器压电陶瓷的控制信号不会随着标号的改变而改变，例如：当控制信号给定标号①压电陶瓷时，标号①压电陶瓷作动，若标号①压电陶瓷与标号⑤压电陶瓷互换后，标号⑤压电陶瓷作动）；
所述后置减振器压电陶瓷为8个（参照图2后置减振器压电陶瓷布局示意图，图中标号同前置减振器压电陶瓷）；
步骤二、对前后置减振器抑振功能进行地面测试，具体方法是：通过锤击法测得***的固有频率，将加速度计带通滤波频率设定为保留***固有频率的范围，分别调整前置减振器和后置减振器的控制参数，所述调整前置减振器和后置减振器的控制参数方法为所述一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法；确保前置减振器和后置减振器可以根据纵向和横向加速度计反馈信号进行作动。然后测试并确认在不同方向和大小激励下前后置减振器可以分别及共同实现振动抑制。
具体的，锤击法即使用橡胶锤单次锤击模型，通过快速傅立叶变换对测得的加速度计时域信号进行分析，得到的频谱曲线峰值处频率就是***的固有频率。
步骤三、进行风洞试验，吹风过程中根据***的抑振效果动态调节控制参数，确保前后置减振器的振动抑制效果最佳。
所述调整前置减振器和后置减振器的控制参数方法是模型质心水平方向和竖直方向安装有加速度计，加速度计根据模型运动得到横向、纵向加速度值，根据横向、纵向加速度值，计算得到横向振动力矩和纵向振动力矩，根据振动力矩给定不同的控制模式投入前后减振器，控制模式包括纵向振动力矩投入前后减振器的控制模式和横向振动力矩投入前后减振器的控制模式。
参照图3纵向振动控制原理示意图，纵向振动控制原理为：加速度计根据模型运动得到纵向加速度值，根据纵向加速度值判断纵向振动力矩是否超过设定值,设定值为后置减振器全部压电陶瓷所能产生的最大纵向力矩，即
Figure 458282DEST_PATH_IMAGE001
，若纵向振动力矩没有超过设定值，只启用后置减振器，若纵向振动力矩超过设定值，同时启用前、后置减振器。根据纵向振动力矩的幅值大小，后置减振器和前置减振器相应的压电陶瓷投入控制，这样就完成对压电陶瓷的分组，具体的分组方式详见下文对控制模式的描述。因为纵向振动力矩是实时变化的，因此分配给压电陶瓷的输出力也应随着相应变化，总体原则是在某一分组条件下，所选压电陶瓷接收驱动***电压后运动产生的输出力矩可以抵消纵向振动力矩，这样就实现了对纵向振动的抑制。当试验结束时，整个控制流程停止。当试验未结束时，在下一个控制周期重新根据测量的纵向加速度进行减振器的控制。根据纵向振动力矩投入前后置减振器的控制模式包括：
步骤二一、当纵向振动力矩小于等于后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧输出能力上限换算的纵向力矩时，即
Figure 426238DEST_PATH_IMAGE002
，仅有①，④，⑤，⑧压电陶瓷作动；用于抵抗纵向振动。
步骤二二、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧输出能力上限换算的纵向振动力矩而小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算的纵向力矩时，即
Figure 522370DEST_PATH_IMAGE003
，后置减振器压电陶瓷①-⑧作动，用于抵抗纵向振动。
步骤二三、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算纵向力矩而小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷③，⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，即
Figure 906078DEST_PATH_IMAGE004
，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷③，⑥作动，用于抵抗纵向振动。
步骤二四、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷③，⑥输出能力上限换算纵向力矩之和，且小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷①-⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，即
Figure 36845DEST_PATH_IMAGE005
，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷①-⑥作动，用于抵抗纵向振动。
步骤二五、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷①-⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，即
Figure 175702DEST_PATH_IMAGE006
，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷①-⑥作动，用于抵抗纵向振动，同时需要采取模型姿态角紧急回零或降低风洞风速的措施，用于保护模型。
参照图4横向振动控制原理示意图，横向振动控制原理为：加速度计根据模型运动得到横向加速度值，根据横向加速度值判断横向振动力矩是否超过设定值，设定值为前置减振器全部压电陶瓷所能产生的最大横向力矩，即
Figure 759130DEST_PATH_IMAGE007
，若横向振动力矩没有超过设定值，只启用前置减振器，若横向振动力矩超过设定值，同时启用前、后置减振器。根据横向振动力矩的幅值大小，前置减振器和后置减振器相应的压电陶瓷投入控制，这样就完成对压电陶瓷的分组，具体的分组方式详见下文对控制模式的描述。因为横向振动力矩是实时变化的，因此分配给压电陶瓷的输出力也应随着相应变化，总体原则是在某一分组条件下，所选压电陶瓷接收驱动***电压后运动产生的输出力矩可以抵消横向振动力矩，这样就实现了对横向振动的抑制。当试验结束时，整个控制流程停止。当试验未结束时，在下一个控制周期重新根据测量的横向加速度进行减振器的控制。根据横向振动力矩投入前后置减振器的控制模式包括：
步骤二六、当横向振动力矩小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤输出能力上限换算力矩时，即
Figure 946529DEST_PATH_IMAGE008
，仅有①，②，④，⑤压电陶瓷作动，用于抵抗横向振动。③，⑥压电陶瓷布置于竖直轴线上，对横向振动没有抑制作用。
步骤二七、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤输出能力上限换算力矩而小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦输出能力上限换算力矩之和时，即
Figure 931802DEST_PATH_IMAGE009
，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦作动，用于抵抗横向振动。
步骤二八、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦输出能力上限换算力矩之和，且小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算力矩之和时，即
Figure 241561DEST_PATH_IMAGE010
，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷①-⑧作动，用于抵抗横向振动。
步骤二九、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算力矩和时，即
Figure 249968DEST_PATH_IMAGE011
，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷①-⑧作动，用于抵抗横向振动，同时需要采取模型姿态角紧急回零或降低风洞风速的措施，用于保护模型。
其中，
Figure 303375DEST_PATH_IMAGE012
为模型—天平组合体质心到前置减振器作用点的距离，
Figure 143155DEST_PATH_IMAGE013
为模型—天平—支杆组合体质心到后置减振器作用点的距离，
Figure 623815DEST_PATH_IMAGE014
为模型—天平组合体质心纵向加速度，
Figure 868588DEST_PATH_IMAGE015
为模型—天平—支杆组合体质心纵向加速度，
Figure 725685DEST_PATH_IMAGE016
为模型—天平组合体质心横向加速度。
Figure 419972DEST_PATH_IMAGE017
为模型—天平—支杆组合体质心横向加速度，
Figure 9216DEST_PATH_IMAGE018
为前置减振器每个压电陶瓷应输出的力，
Figure 54532DEST_PATH_IMAGE019
为模型—天平组合体的质量，
Figure 449742DEST_PATH_IMAGE020
为后置减振器每个压电陶瓷应输出的力，
Figure 936218DEST_PATH_IMAGE021
为模型—天平—支杆组合体的质量，
Figure 24259DEST_PATH_IMAGE022
为前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤到水平对称面的距离，
Figure 291293DEST_PATH_IMAGE023
为前置减振器压电陶瓷③，⑥到水平对称面的距离，
Figure 224614DEST_PATH_IMAGE024
为前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤到竖直对称面的距离，
Figure 831176DEST_PATH_IMAGE025
为后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦到水平对称面的距离，
Figure 90119DEST_PATH_IMAGE026
为后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧到水平对称面的距离，
Figure 578869DEST_PATH_IMAGE027
为后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧到竖直对称面的距离，
Figure 519143DEST_PATH_IMAGE028
为后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦到竖直对称面的距离。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种侧滑试验前后置减振器多自由度振动解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、搭建大展弦比模型多自由度振动前后置减振器机械***，方法是：将压电陶瓷安装于前置减振器和后置减振器处，进行压电陶瓷预紧，后置减振器安装于弯刀中部支架，然后依次安装支杆、前置减振器、天平和模型；
步骤二、对前后置减振器抑振功能进行地面测试，具体方法是：通过锤击法测得***的固有频率，将加速度计带通滤波频率设定为保留***固有频率的范围，分别调整前置减振器和后置减振器的控制参数；
调整前置减振器和后置减振器的控制参数方法是：在模型质心水平方向和竖直方向安装有加速度计，加速度计根据模型运动得到横向、纵向加速度值，根据横向、纵向加速度值，计算得到横向振动力矩和纵向振动力矩，根据振动力矩给定不同的控制模式投入前后减振器，控制模式包括纵向振动力矩投入前后减振器的控制模式和横向振动力矩投入前后减振器的控制模式；
纵向振动力矩投入前后减振器的控制模式包括：
步骤二一、当纵向振动力矩小于等于后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧输出能力上限换算的纵向力矩时，仅①，④，⑤，⑧压电陶瓷作动；
步骤二二、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①，④，⑤，⑧输出能力上限换算的纵向振动力矩而小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算的纵向力矩时，后置减振器压电陶瓷①-⑧作动；
步骤二三、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算纵向力矩而小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷③，⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷③，⑥作动；
步骤二四、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷③，⑥输出能力上限换算纵向力矩之和，且小于等于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷①-⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷①-⑥作动；
步骤二五、当纵向振动力矩大于后置减振器压电陶瓷①-⑧与前置减振器压电陶瓷①-⑥输出能力上限换算纵向力矩之和时，后置减振器压电陶瓷①-⑧和前置减振器压电陶瓷①-⑥作动；同时采取模型姿态角紧急回零或降低风洞风速的措施；
横向振动力矩投入前后减振器的控制模式包括：
步骤二六、当横向振动力矩小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤输出能力上限换算力矩时，仅①，②，④，⑤压电陶瓷作动；
步骤二七、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤输出能力上限换算力矩而小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦输出能力上限换算力矩之和时，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦作动；
步骤二八、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷②，③，⑥，⑦输出能力上限换算力矩之和，且小于等于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算力矩之和时，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷①-⑧作动；
步骤二九、当横向振动力矩大于前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤与后置减振器压电陶瓷①-⑧输出能力上限换算力矩和时，前置减振器压电陶瓷①，②，④，⑤和后置减振器压电陶瓷①-⑧作动，同时采取模型姿态角紧急回零或降低风洞风速的措施；
步骤三、进行风洞试验，吹风过程中根据***的抑振效果动态调节控制参数。
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