一種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下自主航行器的流體力學(xué)及控制領(lǐng)域，本發(fā)明屬于涉及超空泡航行體的水洞試驗(yàn)仿真技術(shù)和超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的，一種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超空泡航行體是一種借助在水下航行體周圍形成完整氣泡層從而實(shí)現(xiàn)隔絕航行體表面和流體接觸，達(dá)到減小航行體所受流體阻力并實(shí)現(xiàn)加速目的的水下航行體。
[0003]水洞試驗(yàn)是一種在循環(huán)或重力水洞中對(duì)研究對(duì)象的模型或縮比模型進(jìn)行流體和控制方面的測(cè)試和研究的試驗(yàn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下航行體或其他水下部件的測(cè)試和研究中。
[0004]曹偉等在2012年發(fā)表的“基于循環(huán)水洞設(shè)備的超空泡創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究”(2012:67-70)給出了循環(huán)水洞超空泡航行體流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本流程和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男问剑籎ohnDzielski等在2012年發(fā)表了“Planing-Hull Forces and Moments on a CylindricalBody in a Cavi ty”( CAV2012，928-932)其在實(shí)驗(yàn)中令模型尾部可有限運(yùn)動(dòng)；ArnarHj art ar son在 20 I 2年發(fā)表的 “Exp er i men t a I Study of Control Laws forSupercavitating Vehicles”中給出了一種空化器實(shí)時(shí)可控的超空泡縮比模型。以上文獻(xiàn)可見(jiàn)，目前在超空泡航行體的水洞試驗(yàn)中，所廣泛使用的航行體的縮比模型均為通過(guò)固定翼型固連在水洞蓋板上(只有模型的部分部件可以進(jìn)行小幅的運(yùn)動(dòng))，通過(guò)充氣和高速水流等手段使得超空泡航行體的縮比模型周圍產(chǎn)生空泡，以此對(duì)不同條件下的空泡的形態(tài)和其他的流體和控制特性進(jìn)行測(cè)試和研究。以上水洞試驗(yàn)所采用的超空泡航行體的縮比模型，由于其固連在水洞蓋板上，好處是能夠在水流沖擊中保持姿態(tài)不變，可適用于多數(shù)流體力學(xué)特性的測(cè)試試驗(yàn)，缺點(diǎn)是，其不能在水流沖擊時(shí)改變自身姿態(tài)，只能通過(guò)多組固定姿態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)公式換算的方法模擬航行體在改變姿態(tài)時(shí)特性，不能直觀的、全面的對(duì)超空泡航行體在姿態(tài)動(dòng)態(tài)改變時(shí)的流體力學(xué)和控制特性進(jìn)行反應(yīng)。由于超空泡航行體的控制類試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)是超空泡航行體在姿態(tài)動(dòng)態(tài)改變時(shí)所受的力及其他流體和結(jié)構(gòu)特性，所以以上文獻(xiàn)所給出的這種固定姿態(tài)超空泡航行體的縮比模型及其相應(yīng)結(jié)構(gòu)，無(wú)法滿足超空泡航行體的控制相關(guān)試驗(yàn)的要求。目前，尚未見(jiàn)到能夠?qū)Τ张莺叫畜w的模型的姿態(tài)進(jìn)行自主控制，并能對(duì)某些控制算法進(jìn)行驗(yàn)證的水洞用超空泡航行體的模型或相關(guān)的姿態(tài)控制裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置。本發(fā)明的目的還包括提供一種控制效果好的，超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制方法。
[0006]—種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置，包括控制計(jì)算機(jī)1、電機(jī)控制器2、兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)電機(jī)固定支架、密封件5、傳動(dòng)鋼絲繩6、連接件7、支撐鉸鏈8、安裝翼型9、超空泡航行體的縮比模型10、水洞上蓋板11和水洞下蓋板12;
[0007]超空泡航行體的縮比模型10位于水洞中，超空泡航行體的縮比模型10通過(guò)模型后部連接板上的支撐鉸鏈8與安裝翼型9的底端連接，安裝翼型9與水洞上蓋板11固連，傳動(dòng)鋼絲繩6通過(guò)連接件7與超空泡航行體的縮比模型10的后部連接板固連，傳動(dòng)鋼絲繩6的一端通過(guò)安裝翼型9后連接在一個(gè)電機(jī)的軸上，傳動(dòng)鋼絲繩6的另一端穿過(guò)水洞下蓋板12的過(guò)孔連接在另一個(gè)電機(jī)的軸上，過(guò)孔使用密封件5保持水密，密封件5不影響鋼絲繩6的運(yùn)動(dòng);兩個(gè)電機(jī)分別通過(guò)一個(gè)電機(jī)固定支架固定，且獨(dú)立于水洞;兩個(gè)電機(jī)均與電機(jī)控制器2連接，電機(jī)控制器2與計(jì)算機(jī)連接。
[0008]一種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制方法，
[0009]在進(jìn)行水洞試驗(yàn)之前，確定超空泡航行體的縮比模型俯仰姿態(tài)控制算法為:
[0010]a = 0+arc tan(X/Y)+5
[0011]其中模型轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角為α°，模型的俯仰角初始姿態(tài)為β°，誤差修正值為δ°；
[0012]根據(jù)姿態(tài)控制算法反推直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；
[0013]在水洞試驗(yàn)中，由控制計(jì)算機(jī)I發(fā)出控制指令，由電機(jī)控制器2接收指令并將其發(fā)送給電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)通過(guò)同時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，同時(shí)放出和拉伸傳動(dòng)鋼絲繩6，鋼絲繩6通過(guò)連接件7和支撐鉸鏈8帶動(dòng)與超空泡航行體的縮比模型O進(jìn)行繞支撐鉸鏈8為中心進(jìn)行的角運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超空泡航行體的縮比模型10在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)。
[0014]有益效果
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，彌補(bǔ)了現(xiàn)有水洞超空泡縮比模型都是與翼型完全固連，無(wú)法進(jìn)行可控姿態(tài)變化的缺點(diǎn)，本發(fā)明的控制裝置可以令模型模擬超空泡航行體的動(dòng)態(tài)俯仰角運(yùn)動(dòng)，為研究超空泡航行體運(yùn)動(dòng)中的充氣超空泡模型的流體特性變化及后續(xù)的控制策略設(shè)計(jì)、分析和仿真試驗(yàn)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，且不影響其他固定翼型采用的實(shí)驗(yàn)裝置的安裝。
[0016]因此本專利設(shè)計(jì)了一種適用于水洞試驗(yàn)、姿態(tài)可控的超空泡航行體的縮比模型的姿態(tài)控制裝置，此裝置能按照設(shè)定的規(guī)律，使航行體模型在縱向平面內(nèi)進(jìn)行可控的變姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，可用于進(jìn)行相應(yīng)的流體動(dòng)力分析和控制算法驗(yàn)證試驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1可控變姿態(tài)超空泡縮比模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明提供一種在水洞試驗(yàn)中，在縱向平面內(nèi)對(duì)超空泡航行體的縮比模型的姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的控制裝置。
[0020]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0021]本發(fā)明面向超空泡航行體水洞試驗(yàn)中的縮比模型的姿態(tài)控制裝置設(shè)計(jì)及相應(yīng)的控制方法。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)包括1.控制計(jì)算機(jī);2.電機(jī)控制器;3.電機(jī);4.電機(jī)固定支架;5.密封件;6.傳動(dòng)鋼絲繩;7.連接件;8.支撐鉸鏈;9.安裝翼型；10.超空泡航行體的縮比模型；11.水洞上蓋板;12.水洞下蓋板。
[0022]本發(fā)明針對(duì)以往水洞用超空泡縮比模型只能通過(guò)安裝翼型固定安裝，無(wú)法進(jìn)行俯仰方向的角運(yùn)動(dòng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款能夠通過(guò)電機(jī)控制超空泡模型在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰角運(yùn)動(dòng)的水洞用超空泡試驗(yàn)縮比模型的姿態(tài)控制裝置。
[0023]本發(fā)明描述的，在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰角運(yùn)動(dòng)的水洞用超空泡航行體的縮比模型的姿態(tài)控制裝置的構(gòu)成和工作原理如下:
[0024]超空泡航行體的縮比模型10通過(guò)模型后部連接板上的支撐鉸鏈8與安裝翼型9連接，翼型9與水洞上蓋板11固連，支撐鉸鏈8與翼型9的底端鉸接;傳動(dòng)鋼絲繩6通過(guò)連接件7與縮比模型10的后部連接板固連，要求傳動(dòng)鋼絲繩6在縮比模型10的后部連接板上下兩側(cè)是在同一條水平線上;傳動(dòng)鋼絲繩6通過(guò)翼型11和水洞下蓋板12的過(guò)孔與兩個(gè)電機(jī)3連接，過(guò)孔中均使用密封件5保持水密，要求密封件不能影響鋼絲繩6的運(yùn)動(dòng)，且鋼絲繩6的兩端均固定且纏繞在電機(jī)3的軸上;兩個(gè)電機(jī)3通過(guò)電機(jī)固定支架4固定在固定位置，且獨(dú)立于水洞;兩個(gè)電機(jī)3均通過(guò)電機(jī)控制器2接收計(jì)算機(jī)I的指令，計(jì)算機(jī)I發(fā)出控制指令，通過(guò)電機(jī)控制器2同時(shí)命令兩個(gè)電機(jī)3的軸實(shí)時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，即在一個(gè)電機(jī)放出鋼絲繩6的同時(shí)另一個(gè)電機(jī)回收鋼絲繩6。
[0025]控制方法設(shè)計(jì):
[0026]若直線電機(jī)3通過(guò)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，放出(收回)的鋼絲繩6的長(zhǎng)度為X米，
[0027]當(dāng)水洞下蓋板12下側(cè)電機(jī)收回、水洞上蓋板11上側(cè)電機(jī)放出鋼絲繩6時(shí)為正，反之為負(fù)；則模型繞支撐鉸鏈8中心點(diǎn)為軸心，轉(zhuǎn)角順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正;則模型俯仰姿態(tài)控制公式如下:
[0028]a = 0+arc tan(X/Y)+5 ； (1.1)
[0029]其中模型轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角為α°，模型的俯仰角初始姿態(tài)為β°，誤差修正值為，由于電機(jī)、鋼絲繩選用及安裝的原因，需安裝后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)，并估計(jì)修正值δ。
[0030]本發(fā)明的工作原理是:首先由試驗(yàn)?zāi)康?，決定超空泡航行體的縮比模型在縱向平面內(nèi)需要進(jìn)行的姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)公式(1.1)推導(dǎo)出兩個(gè)電機(jī)3的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在控制計(jì)算機(jī)I中根據(jù)得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律編程，試驗(yàn)中由控制