自补偿升沉控制系统的制作方法

1.本发明属于风洞虚拟飞行试验领域，具体涉及一种自补偿升沉系统。


背景技术：

2.传统低速风洞虚拟飞行试验，采用三自由度转动机构支撑动力学相似缩比飞机模型，在气动力矩的作用下，实现三自由度运动，即俯仰、滚转、偏航运动。传统虚拟飞行试验存在线位移约束，这种带约束的运动与六自由度真实飞行存在差别，可以通过线位移约束修正方法修正三自由度虚拟飞行试验引起的这种差别。为了验证线位移约束修正方法的正确性，需要一种自补偿升沉系统，通过四自由度虚拟飞行试验验证这种方法的正确性。


技术实现要素：

3.基于传统低速风洞虚拟飞行试验的不足之处，本发明目的是提供一种自补偿升沉控制系统，使传统低速风洞虚拟飞行试验放开了对高度位移的限制，实现四自由度虚拟飞行试验能力。
4.本发明所采用的技术方案如下：一种自补偿升沉控制系统，包括两套位移传感器、信号转换装置、独立型运动控制器、运动执行系统、自由升沉机构、强迫升沉机构和远程计算机，两套位移传感器通过信号转换装置与独立型运动控制器电信号连接，独立型运动控制器与运动执行系统电信号连接，运动执行系统与远程计算机电信号连接，所述的自由升沉机构的下半部分位于强迫升沉机构内，模型安装在自由升沉机构上端，自由升沉机构能够在竖直方向上自由运动一定的距离，自由升沉机构保持模型升沉方向处于自由状态，强迫升沉机构安装在竖直方向的直线滑轨上，通过运动执行系统驱动在竖直方向的直线滑轨上做上下运动，强迫升沉机构跟随飞机模型上下自由运动的同时进行同向补偿运动，保证自由升沉机构不触碰限位，在自由升沉机构和强迫升沉机构上分别安装有位移传感器，当自由升沉机构运动时，独立型运动控制器采集自由升沉机构的位置信号，并将该位置信号与原有位置信号相比较，以判断自由升沉机构是否上升或下降，再将其偏差通过pi控制方式解算转换成控制信号，进而控制运动执行系统工作，带动强迫升沉机构做跟随运动，同时独立型运动控制器采集强迫升沉机构的位置信号，并将该位置信号上传到飞行控制计算机，对强迫升沉机构的升沉方向高度闭环控制。
5.进一步的，所述的远程计算机上位机软件控制运动执行系统的上下电，显示自由升沉机构和自由升沉机构的实时位置，显示上下限位报警，存储升沉机构位置，并控制试验启停。
6.进一步的，所述的自由升沉机构为小行程短支杆。
7.本发明的优点及有益效果：本发明应用于低速风洞虚拟飞行试验，用于扩展虚拟飞行试验系统试验功能，支撑动力学相似缩比飞机模型，实现飞机模型四自由度虚拟飞行，本发明的自补偿升沉系统使传统低速风洞虚拟飞行试验放开了对高度位移的限制，在气动力和力矩的作用下，模型可以实现四自由度运动，即俯仰、滚转、偏航、升沉运动，具有模拟
飞机模型四自由度飞行真实度高的优点。
附图说明
8.图1为本发明的实施例1的一种自补偿升沉控制系统原理图。
9.图2为本发明的实施例1的自由升沉机构和强迫升沉机构原理图。
10.其中，1-远程计算机，2-独立运动控制器，3-伺服电机驱动器，4-伺服电机，5-绝对式磁栅编码器，6-强迫升沉机构，7-强迫升沉机构磁栅尺，8-自由升沉机构，9-自由升沉机构磁栅尺，10-信号转换装置，11-直线滑轨。
具体实施方式
11.下面结合说明书附图举例对本发明作进一步说明：
12.实施例1
13.如图1-2所示，一种自补偿升沉控制系统，包括两套位移传感器、信号转换装置、独立型运动控制器、运动执行系统、自由升沉机构、强迫升沉机构和远程计算机，两套位移传感器通过信号转换装置与独立型运动控制器电信号连接，独立型运动控制器与运动执行系统电信号连接，运动执行系统与远程计算机电信号连接，位移传感器采用磁栅尺，可测量强迫升沉机构和自由升沉机构实时位置，运动执行系统采用伺服电机及其伺服电机驱动器，自由升沉机构和强迫升沉机构采用杆状结构，所述的自由升沉机构的下半部分位于强迫升沉机构内，模型安装在自由升沉机构上端，自由升沉机构能够在竖直方向上自由运动一定的距离，自由升沉机构保持模型升沉方向处于自由状态，强迫升沉机构安装在竖直方向的直线滑轨上，通过运动执行系统驱动在竖直方向的直线滑轨上做上下运动，强迫升沉机构跟随飞机模型上下自由运动的同时进行同向补偿运动，保证自由升沉机构不触碰限位，在自由升沉机构和强迫升沉机构上分别安装有位移传感器，当自由升沉机构运动时，独立型运动控制器通过以太网接收信号转换装置传输的自由升沉机构的位置信号，并将该位置信号与原有位置信号相比较，以判断自由升沉机构是否上升或下降，再将其偏差通过pi控制方式解算转换成控制信号，进而控制运动执行系统工作，带动强迫升沉机构做跟随运动，同时独立型运动控制器采集强迫升沉机构的位置信号，并将该位置信号上传到远程计算机上位机软件中，对强迫升沉机构的升沉方向高度闭环控制。伺服电机驱动器采用双闭环pi控制方式驱动伺服电机，内环为电流控制环路，外环为速度控制环路。远程计算机上位机软件可控制伺服电机上下电，显示自由升沉杆和强迫升沉杆实时位置，显示上下限位报警，存储升沉机构位置，并控制试验启停。
14.磁栅尺采用bogen高精度绝对式直线磁栅系统，通过磁读头读取磁栅尺获取位置信号，精度为
±
5μm/m。信号转换装置采用fpga模块实现，可通过并行的方式采集强迫升沉机构及自由升沉机构磁栅尺位置，同时可通过并行的方式把采集的位置信号通过以太网方式发送给独立型运动控制器，通过rs232串口方式发送给飞行控制系统。独立型运动控制器采用galil独立型运动控制器，该控制器基于32位risc结构的dsp高速中央处理器，具备多种运动方式及控制算法，提供了功能强大的字符命令集，可方便地进行应用编程。运动执行系统伦茨伺服电机及伺服电机驱动器。信号转换装置器通过rs232串口方式传送给飞行控制系统。
15.自由升沉机构运动范围为(0～30mm)，自由升沉机构设计为小行程短支杆可以减小模型附加质量，强迫升沉机构运动范围为(-1300～1300mm)。风洞试验时，首先给伺服电机及伺服电机控制器通电，再给独立型运动控制器及磁栅尺通电，最后启动远程计算机上位机软件，设置存储频率(0～100hz可调)和存储路径，点击伺服电机上伺服按钮，点击伺服电机上升按钮，强迫自由升沉机构上升1300mm，此时飞机模型在风洞中心位置。运行飞机模型内部飞行控制系统，飞行控制系使飞机模型在风洞内平稳飞行，此时点击试验开始按钮，强迫升沉机构接到自由运动反馈的位移信号后，迅速跟随模型的上下运动并实时补偿升沉运动，并保证自由运动机构不碰到限位，强迫升沉机构可跟随飞机模型运动，达到大幅度增加模型的自由运动行程的目的，此时，远程计算机上位机软件接收位置转换装置位置信号，可以对飞机模型进行高度控制。


技术特征：
1.一种自补偿升沉控制系统，包括两套位移传感器、信号转换装置、独立型运动控制器、运动执行系统、自由升沉机构、强迫升沉机构和远程计算机，两套位移传感器通过信号转换装置与独立型运动控制器电信号连接，独立型运动控制器与运动执行系统电信号连接，运动执行系统与远程计算机电信号连接，其特征在于：所述的自由升沉机构的下半部分位于强迫升沉机构内，模型安装在自由升沉机构上端，自由升沉机构能够在竖直方向上自由运动一定的距离，自由升沉机构保持模型升沉方向处于自由状态，强迫升沉机构安装在竖直方向的直线滑轨上，通过运动执行系统驱动在竖直方向的直线滑轨上做上下运动，强迫升沉机构跟随飞机模型上下自由运动的同时进行同向补偿运动，保证自由升沉机构不触碰限位，在自由升沉机构和强迫升沉机构上分别安装有位移传感器，当自由升沉机构运动时，独立型运动控制器采集自由升沉机构的位置信号，并将该位置信号与原有位置信号相比较，以判断自由升沉机构是否上升或下降，再将其偏差通过pi控制方式解算转换成控制信号，进而控制运动执行系统工作，带动强迫升沉机构做跟随运动，同时独立型运动控制器采集强迫升沉机构的位置信号，并将该位置信号上传到飞行控制计算机，对强迫升沉机构的升沉方向高度闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种自补偿升沉控制系统，其特征在于：所述的远程计算机上位机软件控制运动执行系统的上下电，显示自由升沉机构和自由升沉机构的实时位置，显示上下限位报警，存储升沉机构位置，并控制试验启停。3.根据权利要求1或2所述的一种自补偿升沉控制系统，其特征在于：所述的自由升沉机构为小行程短支杆。

技术总结
本发明一种自补偿升沉控制系统，用于扩展虚拟飞行试验系统试验功能，支撑动力学相似缩比飞机模型，实现飞机模型四自由度虚拟飞行，即俯仰、滚转、偏航及升沉运动。系统包括两套位移传感器、信号转换装置、独立型运动控制器、运动执行系统、自由升沉机构、强迫升沉机构和远程计算机。两套位移传感器分别采集自由升沉机构和强迫升沉机构的升沉信号，信号转换装置把该信号发送给独立运动控制器，控制运动执行系统驱动强迫升沉机构跟随自由升机构运动。同时信号转换装置把位置信息发送给远程计算机上位机软件，用于升沉方向高度闭环控制，具有模拟飞机模型四自由度飞行真实度高的优点。拟飞机模型四自由度飞行真实度高的优点。拟飞机模型四自由度飞行真实度高的优点。


技术研发人员：芦士光 王建锋 冯帅 王明辉 谭浩
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所
技术研发日：2021.10.11
技术公布日：2022/1/6