一种风洞支杆的前后置抑振器协同抑振方法与流程

本发明属于风洞实验技术领域，涉及一种针对风洞试验中风洞模型振动的前置-后置抑振器协同抑振系统。

背景技术：

风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。通过风洞试验，获取实验数据，这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的重要手段和必要环节。

风洞试验过程中，通常采用模型支架来支撑。其中尾部支撑采用支杆、天平和支架相连的结构。由于尾部支撑系统可以提高模型试验的攻角，减小支架对天平测力的干扰，国内风洞中一般采用这种支撑方式。支杆从模型尾部插入机身，与天平连接，模型固定在天平上，形成悬臂式结构。但是由于尾部支撑的支杆长度一般是模型长度的三到五倍，该悬臂梁结构的系统刚度较低，在进行风洞实验时模型受到频率范围较宽的气动载荷激励，模型-支杆系统会在一阶固有振动频率处产生低频、大振幅的振动。使得在支杆末端的飞行器产生位移偏差和转角偏差，影响风洞测力试验数据的精确度。且振动时间过长或者振动幅度过大时还会造成试验模型的破坏。因此，必须采用有效的技术措施来抑制试验模型系统的振动，并且保证尾端飞行器攻角和位移满足试验要求具有十分重大的意义。

2007年nasantf研究所s.balakrishna等人在《developmentofawindtunnelactivevibrationreductionsystem》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系统中的应用研究》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，要保证在某时刻飞行器转角和位移均消除偏差，需要满足：

整理得，

其中，m为待求的压电抑振器需要输出的位移，l为支杆长度，i为是截面惯矩。两个方程、一个未知量m，当且仅当两式线性，即θ0l＝2x0时方程有解。而在实际试验中，这种情况只是某一瞬间出现的特例，不具有代表性。因此，仅用一组压电抑振器，不能同时保证消除飞行器转角和位移均消除偏差，影响抑振器控制的准确性，进而影响对风洞模型数据的有效性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种风洞支杆的前后置抑振器协同抑振方法，采用加速度传感器将风洞模型振动的加速度数据进行采集，利用得到的加速度信号作为反馈信号，并通过控制器计算，向前置和后置抑振器发送控制信号，经过各自功率放大器放大，再作用在压电陶瓷抑振器。保证尾端挠度为0的基础上，保证尾端转角为0°，形成对风洞模型-天平-支杆系统振动的主动控制系统。由于引入新一组压电陶瓷抑振器，将传统的“支杆两段式”结构变为“支杆三段式”结构，增加了支杆力学模型的柔性。因为该系统根据支杆结构的灵活性好、可调性强特点，解决了现有的风洞实验中模型振动的抑制中无法保证攻角的难题，适合风洞实验的实际测量中的应用。

本发明所采用的技术方案是一种风洞支杆的前后置抑振器协同抑振方法，其特征是，该抑振方法采用加速度传感器将所测得的加速度信号作为反馈信号，经数据采集卡的采集和传输，利用控制器中特定的控制算法解算出分别作用在前置、后置抑振器上控制信号，即计算出两组抑振器的力矩分配，经各自功率放大器进行信号放大，传输至前置、后置抑振器组，实现对抑振器的控制进而实现风洞模型振动主动抑制，并消除转角偏差；方法的具体步骤如下：

步骤一搭建前、后置抑振器组协同抑振系统硬件

前、后置抑振器组协同抑振的风洞支杆抑振系统由被控风洞支杆装置、检测装置、控制装置、执行装置和辅助装置组成；被控风洞支杆装置由攻角调整机构9、支杆和飞行器模型10构成，支杆包括支杆细部11，支杆刚性段12，支杆过渡锥面13，攻角调整机构9与支杆刚性段12固定连接；风洞试验中，攻角调整机构转动带动支杆和飞行器达到试验所需攻角；加速度传感器1作为检测装置用于测量代表振动信息的加速度信号；控制装置包括搭载了数据采集卡3的计算机2和控制器4为核心的控制平台，用于将检测信号进行计算，并按一定的控制规律输出两路控制信号，分别用于控制前置和后置抑振器；

执行装置采用压电陶瓷抑振器作为前、后置抑振器，可输出一对大小相等、方向相反的力矩，用于抵消由于外加风载引起的振动，分别布置在支杆的过渡锥面13和支杆细部11的特定位置；

辅助装置由前置功率放大器5和后置功率放大器6组成，前置功率放大器5和后置功率放大器6分别与前置、后置抑振器连接；

步骤二前后置抑振器组协同抑振系统算法

首先由加速度解算支杆尾端的瞬时位移，由加速度传感器测得的加速度信号，利用式(1)，结合运动初值信息，经过连续两次积分，得到支杆尾端的瞬时位移；

x＝∫(∫adt+v0)dt+x0(1)

其中，a为加速度传感器测得的支杆振动瞬时加速度，v0为速度初值，x0为运动初值，x为支杆尾端振动的瞬时位移；

然后计算位移对应的瞬时转角偏差，利用得到的支杆尾端振动的瞬时位移，根据支杆尾端到支杆与攻角调节机构固支端的距离，利用式(2)，计算支杆尾端瞬时转角偏差；

θ＝arctan(x/l)(2)

其中，θ为支杆尾端瞬时转角偏差，l为支杆长度；

再计算需要输出的力矩，根据瞬时的转角偏差和位移，利用补偿的思想，计算前置和后置两组压电陶瓷抑振器的输出力矩；后置抑振器到攻角调节机构的距离较接近，杆直径较大，可看做刚性结构；即后置抑振器到攻角调节机构的支杆段近似看做不产生位移和转角；

在前置抑振器处，利用式(3)(4)计算该处由于后置压电抑振器作用，支杆产的的转角偏差和位移；

其中，l1为前、后置抑振器间的距离，θ1、x1分别为后置抑振器作用下在该段产生的转角和位移，e是材料的弹性系数，i为是截面惯矩，m1为后置抑振器输出力矩；

在支杆尾端，利用式(5)(6)计算该处由于前置压电抑振器作用，支杆产的的转角偏差和位移；

其中，l2为前置抑振器到支杆尾端的距离，θ2、x2分别为前置抑振器作用下在该段产生的转角和位移，m2为前置抑振器输出力矩；

利用补偿的思想，两处作用的转角和位移与瞬时无作用时的转角和偏差抵消时，恰好使支杆尾端转角偏差和位移为0，用公式(7)、(8)计算：

θ1+θ2＝-θ(7)

x1+x2＝-x(8)

将式(3)、(4)、(5)、(6)带入(7)、(8)中，得到计算前置和后置两组压电陶瓷抑振器的输出力矩：

最后，计算控制器输出的电信号，根据压电陶瓷组的工作特性公式，得到两组压电陶瓷抑振器的输入电压：

其中，c^e为电场强度恒定时的弹性柔顺常数，u为压电陶瓷薄片施加的电压，l为陶瓷叠堆原始长度，δl为陶瓷叠堆伸长量，m为输出力矩，s为叠堆承载面积，n为叠堆中压电陶瓷薄片数，d为压电应变常数。

根据安装位置，按公式(11)：

u1＝f(x1，x2)

u2＝g(x1，x2)(11)

计算分配给控制器输出的电信号。

本发明的有益效果是在风洞环境下，将传统的支杆两段式结构变为支杆三段式结构，采用前、后置抑振器协同抑振的方式，计算两组抑振器的输出力矩，有效解决了在保证消除风洞支杆尾端位移偏差的同时，保证消除尾端飞行器的转角偏差。采用这种方法可使增加支杆力学模型的柔性，灵活性好、可调性强，适合风洞实验的实际测量中的应用。

附图说明

图1为风洞支杆的前后置抑振器组协同的抑振系统示意图，其中，1-加速度传感器，2-计算机，3-数据采集卡，4-控制器，5-前置功率放大器，6-后置功率放大器，7-前置抑振器，8-后置抑振器，9-攻角调整结构,10-飞行器模型，11-支杆细部，12-过渡锥面，13-支杆刚性段，l1-前、后置抑振器间的距离，l2-前置抑振器到支杆尾端的距离。

图2为风洞支杆的前后置抑振器组协同抑振方法的流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1为风洞支杆的前后置抑振器组协同的抑振系统示意图，实施过程中采用pci9602数据采集卡实现信号的d/a转换，输出模拟量电压信号。控制器为德国dspace公司生产的实时仿真控制器。功率放大器即电压放大驱动电源为trek公司生产的pzd700a双通道电源给高压压电陶瓷抑振器供电。高压压电陶瓷抑振器选用芯明天公司生产的型号为20vs12的抑振器安装在支杆中输出与风洞模型振动方向相反的力与力矩，用作抑制风洞模型的振动。图2为风洞支杆的前后置抑振器组协同抑振方法的流程图，如图2所示，方法的具体步骤如下：

步骤一搭建前、后置抑振器组协同抑振系统

先将压电抑振器组和加速度传感器按要求布置在支杆的指定位置，将支杆刚性段13与攻角调整机构9固顶连接，将数据采集卡3搭载在计算机2上；连接加速度传感器1和数据采集卡3；分别依次连接计算机2、控制器4、前置功率放大器5、后置功率放大器6和前、后置抑振器7、8；

启动计算机、控制器和功率放大器待命。

步骤二前、后置抑振器组协同抑振系统算法

取f＝1000n，l＝1m，l1＝0.3m，l2＝0.7m

先由加速度解算支杆尾端的瞬时位移，由加速度传感器测得的加速度信号a，利用式(1)，结合运动初值信息，经过连续两次积分，得到支杆尾端的瞬时位移x。使用本发明中的算法，x＝0,θ＝0。

然后计算位移对应的瞬时转角偏差，利用得到的支杆尾端振动的瞬时位移x，根据支杆尾端到支杆与攻角调节机构固支端的距离l，利用式(2)，计算支杆尾端瞬时转角偏差θ。

再计算需要输出的力矩，结合为两抑振器间支杆距离l1，利用式(3)(4)，分别计算后置抑振器作用下在该段产生的转角和位移θ1、x1。

根据前置抑振器到支杆尾端的距离l2，利用式(5)、(6)，分别计算前置抑振器作用下在该段产生的转角和位移θ2、x2。

根据瞬时的转角偏差θ和位移x，利用式(7)(8)，计算后置和前置两组压电陶瓷抑振器的输出力矩m1、m2。本例中，m1＝-138.89n·m，m2＝-654.00n·m。

第四步计算控制器输出的电信号

根据压电陶瓷组的工作特性，利用式(10)(11)算分配给控制器输出的电信号u1、u2。实际测量结果为：x＝0.019mm,θ＝0，符合要求。

本发明采用前后置抑振器组协同抑振技术将加速度传感器集的风洞模型振动的加速度信号作为反馈信号，并通过控制器计算，得到分配给前置和后置抑振器的控制信号，再经过各自功率放大器放大，作用在压电陶瓷抑振器，完成形成对风洞模型-天平-支杆系统振动的协同主动控制。由于本系统引入新一组压电陶瓷抑振器，将传统的“支杆两段式”结构变为“支杆三段式”结构，能同时保证消除飞行器转角和位移均消除偏差，增加了支杆力学模型的柔性，解决了现有的风洞实验中模型振动的抑制中无法保证攻角的难题，适合风洞实验的实际测量中的应用。该系统的灵活性好、可调性强。