Способ управления положением модели в аэродинамической трубе
METHOD FOR CONTROLLING THE POSITION OF A MODEL IN A WIND TUNNEL

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности, к автоматическим системам управления положением модели в аэродинамических трубах.
Проведение аэродинамических испытаний моделей летательных аппаратов (ЛА) в аэродинамических трубах (АДТ) предполагает изменение положения модели в рабочей части (РЧ) АДТ относительно воздушного потока, в том числе и по углу атаки α. Кроме того, в АДТ с большими размерами РЧ необходимы горизонтальные (по оси X) и вертикальные (по оси У) перемещения державки модели, возвращение модели в горизонтальное положение при аварии приводного механизма для штатного останова сверхзвуковой АДТ.
Известно устройство, осуществляющее способ изменения положения модели ЛА с помощью продольного перемещения каретки посредством привода через двуплечий рычаг, подвешенный на неподвижных опорах, который поворачивается и, взаимодействуя со стойкой и тягой, перемещает державку в радиальном направлении, одновременно поворачивая ее по углу атаки (Авторское свидетельство СССР №811983, МПК G01M 9/08 // G01M 9/04, 1979).
Этот способ управления имеет недостатки, влияющие на качество подготовки и проведения эксперимента. Так, в сверхзвуковой АДТ перед началом и окончанием эксперимента требуется вернуть модель ЛА в строго горизонтальное положение, чтобы ударная волна не разрушила ее при запуске или остановке трубы. В случае отказа хотя бы одного элемента привода во время эксперимента выполнить это требование не удастся, что может привести к разрушению модели. Кроме того, способ не допускает перемещений державки в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Известно устройство, осуществляющее способ изменения угла атаки модели в аэродинамической трубе, использующий приводное устройство по принципу рычага (Авторское свидетельство СССР №1543969, МПК G01M 9/00, 1987). Способ изменения положения модели ЛА осуществляют посредством привода через основной параллелограммный механизм, связанный через стойку с шарнирным многозвенником, содержащим тягу, который с помощью двуплечего рычага шарнирного узла через ось осуществляет поворот модели.
Недостатком этого способа, как и предыдущего, является невозможность возврата модели в исходное горизонтальное положение при отказе привода. Также способ не допускает перемещений державки в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка способа управления положением модели ЛА в аэродинамической, позволяющего изменять угол атаки модели в процессе эксперимента на заданную величину с заданной скоростью, возвращать модель в горизонтальное положение при отказе привода в процессе эксперимента и перемещать ее в горизонтальной и вертикальной плоскостях с заданной точностью.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе управления механизмом изменения положения модели летательного аппарата в аэродинамической трубе, включающем размещение модели между двумя узлами крепления державки к силовым механизмам управления положением державки, причем в исходном положении модель размещают таким образом, что ее ось вращения находится на равном расстоянии от узлов крепления державки, положение узлов крепления державки изменяют автоматически по трем параметрам управления: углу атаки, вертикальному и горизонтальному перемещениям в соответствии с заданной программой, вырабатывающей на каждом такте управления сигнал управления силовыми механизмами - линейными приводами, рассчитывают длины штоков линейных приводов на текущем такте управления и приращение параметров управления. Кроме того, определяют скорость приращения длин линейных приводов, управление линейными приводами ведут по скорости, а контроль управления осуществляют по длине приводов.
0
0
Вводят постоянную измерительную декартовую систему координат (ИСК) ХОУ, где вертикальная ось OY проходит через точку С, а ось ОХ, ортогональная оси ОУ, лежит в вертикальной плоскости и проходит через середину ED при t=0 (в начальный момент времени), когда модель находится в горизонтальном положении. Также вводят связанную СК (ССК) X'O'Y', где точка О' находится в центре масс модели, ось О'Х' направлена вдоль главной продольной оси инерции модели ЛА, О'Y' - расположена в вертикальной плоскости симметрии и ортогональна О'Х'. Угол атаки α - угол между обращенным вектором скорости (или осью ОХ) и осью О'Х'; угол α - исходный угол атаки (угол между осью ОХ ИСК и осью О'Х' ССК при t=0.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема управления.
На фиг. 2 представлена кинематическая схема управления углом атаки α ЛА с использованием в качестве приводных механизмов трех линейных приводов (электроцилиндров).
На фиг. 3 представлена кинематическая схема управления углом атаки α модели ЛА.
На фиг. 4 приведен график зависимости длин штоков от угла атаки для случая управления углом атаки α модели ЛА.
На фиг. 5 представлена кинематическая схема управления положением модели ЛА в вертикальной плоскости.
На фиг. 6 приведен график зависимости длин штоков от вертикального смещения державки.
На фиг. 7 представлена кинематическая схема управления положением модели ЛА в горизонтальной плоскости.
На фиг. 8 приведен график зависимости длин штоков от горизонтального смещения державки.
2
На фиг. 9 представлена кинематическая схема управления углом атаки модели ЛА одним нижним приводом L.
2
На фиг. 10 приведен график зависимости длин штоков от угла атаки для случая управления углом атаки модели ЛА одним нижним приводом L.
1
3
На фиг. 11 представлена кинематическая схема управления углом атаки модели ЛА приводами L, L.
1
3
На фиг. 12 приведен график зависимости длин штоков от угла атаки для случая управления углом атаки модели ЛА приводами L, L.
0
На фиг. 1 представлена принципиальная схема управления. Оператор с пульта управления задает на контроллер параметр управления (угол атаки ЛА, перемещение в горизонтальной или вертикальной плоскости) и его конечное значение. На каждом шаге управления контроллер рассчитывает задание на изменение координат приводных узлов и длины штоков электроцилиндров. С контроллера управляющий сигнал на выдвижение, реверс или останов штоков электроцилиндров поступает в шкафы управления электроцилиндрами ШУ1, ШУ2, ШУ3, из шкафов управления сигнал поступает на электроцилиндры Пр1, Пр2, Пр3, и соответствующие штоки изменяют свою длину до заданного значения, происходит поворот или смещение державки с моделью ЛА. Обратная связь осуществляют через датчики положения Д3, Д4, Д5, которые измеряют длины штоков с высокой точностью. В шкафы управления и, далее, в контроллер поступает информация о текущих длинах штоков. Контроллер контролирует выполнение задания. Если на такте управления какой-либо привод не выполняет задание, то ситуация считается аварийной, и контроллер меняет режим работы системы на аварийный (останов неисправного привода и возвращение модели в горизонтальное положение двумя рабочими приводами). При достижении заданного положения державки и (или) модели ЛА по показаниям датчиков Д3, Д4, Д5 и положения державки Д1 α и (или) положения модели Д2 α задание считается выполненным, и контроллер дает команду на останов приводных механизмов.
1
3
2
∞
∞
А
А
B
B
C
C
На фиг. 2 представлена кинематическая схема управления механизмом изменения угла атаки α модели, использующим в качестве приводных механизмов три электроцилиндра АЕ, СЕ и BD с длинами штоков L, L и L, соответственно, приводящие в движение любое поворотное устройство, где EO=OD. Модель с осью вращения в точке О закреплена на державке навстречу потоку V на равном расстоянии от узлов крепления к электроцилиндрам. Точками крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству являются точки Е и D («приводные узлы»). Точками крепления электроцилиндров к потолку рабочей части АДТ являются точки А и С. Точкой крепления электроцилиндра к полу рабочей части АДТ является точка B. Координаты точек крепления приводных механизмов определяют в ИСК ХОУ, направление воздушного потока показано стрелками V. Координаты точек А(х,у), В(x,y), С(x,y) определены конструкцией.
1
2
3
∞
На фиг. 3 представлена кинематическая схема управления углом атаки α модели ЛА. Начальное положение системы представлено в виде штриховых линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е' и D', длины штоков - . Конечное положение системы представлено в виде сплошных линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е и D, длины штоков - L, L, L. Направление воздушного потока показано стрелками V. При повороте механизма изменения положения модели ЛА точки крепления (приводные узлы) движутся по окружности радиуса R с центром в точке О.
Управление ведут по заданному на данный такт управления углу атаки α от начального до конечного значения:
рассчитывают заданное значение длин штоков электроцилиндров на n-ом такте управления:
Е
Е
D
D
где х, у, x, y - координаты приводных узлов Е и D, заданные на n-ном такте управления:
E
E
x[n]=-R⋅sinα[n]; y[n]=R⋅cosα[n];
D
D
x[n]=R⋅sinα[n]; y[n]=-R⋅cosα[n];
А
А
B
B
C
C
координаты точек крепления электроцилиндров к элементам рабочей части АДТ х, у, x, y, x, y заданы конструкцией.
координаты приводных точек определяют приращением угла атаки на текущем n-ном такте управления, которое является квантом задания
з
Δα[n]=ω⋅Δt,
где
Δα[n] - приращение угла атаки на n-ном такте управления;
з
ω - заданная угловая скорость изменения угла атаки;
Δt - временной интервал выдачи команд управления;
определяют заданный угол атаки на n-ном такте управления
0
где α - исходный угол атаки.
Управление ведут синхронно для всех приводных механизмов. В случае рассогласования текущих длин штоков электроцилиндров задание на следующий такт управления не меняют.
1
2
3
1
3
2
1
2
3
На фиг. 4 приведен график зависимости длин штоков от угла атаки для случая управления углом атаки α модели летательного аппарата. Оси абсцисс соответствуют значения угла атаки α[°], оси ординат - длины штоков L[мм]. L - длина штока АЕ, L - длина штока BD, L - длина штока СЕ (фиг. 3). На графике видно, что при повороте системы относительно α=0 в положительном направлении (против часовой стрелки) L и L возрастают, L - убывает; если поворот осуществляют в отрицательном направлении (по часовой стрелке), то L убывает, L и L - возрастают.
1
2
3
∞
На фиг. 5 представлена кинематическая схема управления положением модели ЛА в вертикальной плоскости. Начальное положение системы представлено в виде штриховых линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е' и D', длины штоков - . Конечное положение системы представлено в виде сплошных линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены, как Е и D, длины штоков - L, L, L. Направление воздушного потока показано стрелками V. Вертикальное смещение Δу.
Управление ведут по заданным на данный такт управления координатам вертикального положения от начального до конечного значения:
рассчитывают заданное значение длин штоков электроцилиндров на n-ом такте управления:
Е
Е
D
D
где х, у, x, y - координаты приводных узлов Е и D, заданные на n-ном такте управления:
Е
E
х[n]=0; y[n]=R+Δy;
D
D
x[n]=0; y[n]=-R+Δy;
А
А
B
B
C
C
координаты точек крепления электроцилиндров к элементам рабочей части АДТ х, у, x, y, x, y заданы конструкцией.
Координаты приводных точек определяют приращением координаты по оси ОУ на текущем n-ном такте управления, которое является квантом задания:
з
Δy[n]=V⋅Δt,
где
_
Δу[n]  приращение по вертикальному перемещению на n-ном такте управления, относительно центра О ИСК (при смещении конструкции вверх Δу>0, при смещении конструкции вниз Δу<0);
з
з
з
V - заданная скорость изменения высоты державки (при смещении конструкции вверх V>0, при смещении конструкции вниз V≤0);
Δt - временной интервал выдачи команд управления.
определяют заданную высоту державки на n-ном такте управления
0
где у - исходное положение точек E и D относительно центра О ИСК;
Управление ведут синхронно для всех приводных механизмов. В случае рассогласования текущих длин штоков электроцилиндров задание на следующий такт управления не меняют.
1
2
3
1
3
2
1
3
2
На фиг. 6 приведен график зависимости длин штоков от вертикального смещения державки. Оси абсцисс соответствуют значения смещения в вертикальной плоскости Δу [мм], оси ординат - длины штоков L[мм]. L - длина штока АЕ, L - длина штока BD, L - длина штока СЕ (фиг. 5). На графике видно, что при смещении системы относительно у=0 в положительном направлении (вверх) L и L убывают, L - возрастает; если смещение осуществляют в отрицательном направлении (вниз), то L и L возрастают, L - убывает.
1
2
3
∞
На фиг. 7 представлена кинематическая схема управления положением модели ЛА в горизонтальной плоскости. Начальное положение системы представлено в виде штриховых линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е' и D', длины штоков - . Конечное положение системы представлено в виде сплошных линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е и D, длины штоков - L, L, L. Направление воздушного потока показано стрелками V. Горизонтальное смещение Δх.
Управление ведут по заданному на данный такт управления горизонтальному расположению державки от начального до конечного значения:
рассчитывают заданное значение длин штоков электроцилиндров на n-ом такте управления:
Е
Е
D
D
где х, у, x, y - координаты заданных на n-ном такте управления точек крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству Е и D:
Е
E
х[n]=0+Δх; y[n]=R;
D
D
x[n]=0+Δx; y[n]=-R;
A
A
B
B
C
C
координаты приводных точек крепления электроцилиндров к элементам рабочей части АДТ x, y, x, y, x, y заданы конструкцией.
Координаты приводных точек определяют приращением по расстоянию на текущем n-ном такте управления, которое является квантом задания:
з
Δx[n]=V⋅Δt,
где
Δx[n] - приращение по горизонтальному перемещению на n-ном такте управления, относительно центра О ИСК (при смещении конструкции в положительном направлении оси ОХ: Δх>0, в отрицательном: Δx<0);
з
з
з
V - заданная скорость изменения расстояния державки (при смещении конструкции в положительном направлении оси ОХ: V>0, в отрицательном: V<0);
Δt - временной интервал выдачи команд управления.
определяют заданное смещение державки в горизонтальном направлении на n-ном такте управления
0
где x - исходное положение точек E и D относительно центра О ИСК.
Управление ведут синхронно для всех приводных механизмов. В случае рассогласования текущих длин штоков электроцилиндров задание на следующий такт управления не меняют.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг. 8 приведен график зависимости длин штоков от горизонтального смещения державки. Оси абсцисс соответствуют значения смещения в горизонтальной плоскости Δx [мм], оси ординат - длины штоков L[мм]. L - длина штока АЕ (фиг. 7), L - длина штока BD (фиг. 6), L - длина штока СЕ (фиг. 7). На графике видно, что при смещении системы относительно х=0 в положительном направлении (вправо) L и L совпадают и убывают, L - возрастает; при смещении в отрицательном направлении (влево) L и L совпадают и возрастают, L - возрастает.
2
1
2
3
∞
На фиг. 9 представлена кинематическая схема управления углом атаки модели ЛА одним нижним приводом L. Начальное положение системы представлено в виде штриховых линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е и D', длины штоков - . Конечное положение системы представлено в виде основных линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е и D, длины штоков - L, L, L. Направление воздушного потока показано стрелками V. В конечный момент времени соответствующие оси ИСК и ССК должны совпасть. При повороте механизма изменения положения модели ЛА нижняя точка движется по окружности радиуса 2R с центром в точке Е, а центр масс - по окружности радиуса R с центром в точке Е.
В аварийной ситуации, при отказе одного из верхних приводов, управление ведут по заданному на данный такт управления углу атаки α от начального до нулевого значения с помощью нижнего привода.
Рассчитывают заданное значение длины штока нижнего электроцилиндра на n-ом такте управления:
D
D
где x, y - координаты заданной на n-ном такте управления точки крепления штока электроцилиндра к поворотному устройству Е и D:
D
D
x[n]=-2R⋅sinα[n]; y[n]=R(1-2⋅cosα[n]),
А
А
B
B
C
C
координаты приводных точек крепления электроцилиндров к элементам рабочей части АДТ х, у, x, y, x, y заданы конструкцией.
координаты определяют приращением угла атаки на текущем n-ном такте управления, которое является квантом задания:
з
Δα[n]=ω⋅Δt,
где
Δα[n] - приращение угла атаки на n-ном такте управления;
з
ω - заданная угловая скорость изменения угла атаки;
Δt - временной интервал выдачи команд управления.
определяют заданный угол атаки на n-ном такте управления
0
где α - исходный угол атаки;
Управление ведут нижним приводным механизмом. Движение первого и третьего верхних приводов останавливают.
2
1
2
3
1
3
2
1
3
2
На фиг. 10 приведен график зависимости длин штоков от угла атаки для случая управления углом атаки модели ЛА одним нижним приводом L.. Оси абсцисс соответствуют значения угла атаки α[°], оси ординат - длины штоков L[мм]. L - длина штока АЕ, L - длина штока BD, L - длина штока СЕ (фиг. 9). На графике видно, что при повороте системы относительно неподвижной точки Е в положение α=0 в положительном направлении (против часовой стрелки) L и L - const, L - убывает; если поворот осуществляют в отрицательном направлении (по часовой стрелке), то L и L - const, L - возрастает.
1
3
1
2
3
∞
На фиг. 11 представлена кинематическая схема управления углом атаки модели ЛА приводами L, L. Начальное положение системы представлено в виде штриховых линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е' и D, длины штоков - . Конечное положение системы представлено в виде основных линий. Точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству обозначены Е и D, длины штоков - L, L, L. Направление воздушного потока показано стрелками V. При повороте механизма изменения положения модели ЛА точка Е' движется по окружности радиуса 2R с центром в точке D, а центр масс - по окружности радиуса R с центром в точке D.
2
В аварийной ситуации, при отказе нижнего привода L, управление ведут по заданному на данный такт управления углу атаки α, от начального до значения равного нулю с помощью верхних приводов.
Рассчитывают заданные значения длин штоков верхних электроцилиндров на n-ом такте управления, т.е
Е
Е
где х, у - координаты заданной на n-ном такте управления точки крепления штоков электроцилиндров к поворотному устройству Е и D:
E
Е
x[n]=2⋅R⋅sinα[n]; у[n]=R⋅(2⋅cosα[n]-1),
А
А
B
B
C
C
координаты точек крепления электроцилиндров к элементам рабочей части АДТ х, у, x, y, x, y заданы конструкцией.
Координаты определяют приращением угла атаки на текущем n-ном такте управления, которое является квантом задания:
з
Δα[n]=ω⋅Δt,
где
Δα[n] - приращение угла атаки на n-ном такте управления;
з
ω - заданная угловая скорость изменения угла атаки;
Δt - временной интервал выдачи команд управления.
определяют заданный угол атаки на n-ном такте управления
0
где α - исходный угол атаки;
Управление ведут верхними приводными механизмами.
1
3
1
2
3
2
1
3
2
1
3
На фиг. 12 приведен график зависимости длин штоков от угла атаки для случая управления углом атаки модели ЛА приводами L, L. Оси абсцисс соответствуют значения угла атаки α[°], оси ординат - длины штоков L[мм]. L - длина штока АЕ, L - длина штока BD, L - длина штока СЕ (фиг. 11). На графике видно, что при повороте системы относительно неподвижной точки Е в положение α=0 в положительном направлении (против часовой стрелки) L - const, L - убывает, L - возрастает; если поворот осуществляют в отрицательном направлении (по часовой стрелке), то L - const, L и L - возрастают.
Таким образом, способ управления механизмом изменения положения модели ЛА позволяет управлять углом атаки модели, ее положением как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости, а также возвращением модели в исходное положение при отказе одного из приводов.
Положительные результаты использования способа подтверждены математическим моделированием.