本發(fā)明屬于風(fēng)洞實驗技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種針對風(fēng)洞試驗中風(fēng)洞模型振動的前置-后置抑振器協(xié)同抑振系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)洞實驗指在風(fēng)洞中安置飛行器或其他物體模型，研究氣體流動及其與模型的相互作用，以了解實際飛行器或其他物體的空氣動力學(xué)特性的一種空氣動力實驗方法。通過風(fēng)洞試驗，獲取實驗數(shù)據(jù)，這是現(xiàn)代飛機、導(dǎo)彈、火箭等研制定型和生產(chǎn)的重要手段和必要環(huán)節(jié)。

風(fēng)洞試驗過程中，通常采用模型支架來支撐。其中尾部支撐采用支桿、天平和支架相連的結(jié)構(gòu)。由于尾部支撐系統(tǒng)可以提高模型試驗的攻角，減小支架對天平測力的干擾，國內(nèi)風(fēng)洞中一般采用這種支撐方式。支桿從模型尾部插入機身，與天平連接，模型固定在天平上，形成懸臂式結(jié)構(gòu)。但是由于尾部支撐的支桿長度一般是模型長度的三到五倍，該懸臂梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度較低，在進行風(fēng)洞實驗時模型受到頻率范圍較寬的氣動載荷激勵，模型-支桿系統(tǒng)會在一階固有振動頻率處產(chǎn)生低頻、大振幅的振動。使得在支桿末端的飛行器產(chǎn)生位移偏差和轉(zhuǎn)角偏差，影響風(fēng)洞測力試驗數(shù)據(jù)的精確度。且振動時間過長或者振動幅度過大時還會造成試驗?zāi)Ｐ偷钠茐?。因此，必須采用有效的技術(shù)措施來抑制試驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的振動，并且保證尾端飛行器攻角和位移滿足試驗要求具有十分重大的意義。

2007年nasantf研究所s.balakrishna等人在《developmentofawindtunnelactivevibrationreductionsystem》中提出了采用測力天平作為振動信號采集器并將采集的信號作為反饋信號實現(xiàn)模型振動的主動控制。但是天平信號非常微弱，極易受到高壓壓電陶瓷驅(qū)動信號的干擾，且風(fēng)洞環(huán)境復(fù)雜，具有強電場與強磁場，影響到振動信號的反饋，進而造成高壓壓電陶瓷抑振器控制的不準(zhǔn)確，影響振動抑制的效果。2013年南京航空航天大學(xué)涂凡凡、宋靜、陳衛(wèi)東等人在《人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在壓電主動減振系統(tǒng)中的應(yīng)用研究》和《基于迭代學(xué)習(xí)控制的振動主動控制技術(shù)研究》中采用加速度傳感器采集振動信號并反饋給控制器來實現(xiàn)模型振動的主動控制。但是該方案僅在支桿一處安裝壓電抑振器，要保證在某時刻飛行器轉(zhuǎn)角和位移均消除偏差，需要滿足：

整理得，

其中，m為待求的壓電抑振器需要輸出的位移，l為支桿長度，i為是截面慣矩。兩個方程、一個未知量m，當(dāng)且僅當(dāng)兩式線性，即θ0l＝2x0時方程有解。而在實際試驗中，這種情況只是某一瞬間出現(xiàn)的特例，不具有代表性。因此，僅用一組壓電抑振器，不能同時保證消除飛行器轉(zhuǎn)角和位移均消除偏差，影響抑振器控制的準(zhǔn)確性，進而影響對風(fēng)洞模型數(shù)據(jù)的有效性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種風(fēng)洞支桿的前后置抑振器協(xié)同抑振方法，采用加速度傳感器將風(fēng)洞模型振動的加速度數(shù)據(jù)進行采集，利用得到的加速度信號作為反饋信號，并通過控制器計算，向前置和后置抑振器發(fā)送控制信號，經(jīng)過各自功率放大器放大，再作用在壓電陶瓷抑振器。保證尾端撓度為0的基礎(chǔ)上，保證尾端轉(zhuǎn)角為0°，形成對風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)振動的主動控制系統(tǒng)。由于引入新一組壓電陶瓷抑振器，將傳統(tǒng)的“支桿兩段式”結(jié)構(gòu)變?yōu)椤爸U三段式”結(jié)構(gòu)，增加了支桿力學(xué)模型的柔性。因為該系統(tǒng)根據(jù)支桿結(jié)構(gòu)的靈活性好、可調(diào)性強特點，解決了現(xiàn)有的風(fēng)洞實驗中模型振動的抑制中無法保證攻角的難題，適合風(fēng)洞實驗的實際測量中的應(yīng)用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種風(fēng)洞支桿的前后置抑振器協(xié)同抑振方法，其特征是，該抑振方法采用加速度傳感器將所測得的加速度信號作為反饋信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的采集和傳輸，利用控制器中特定的控制算法解算出分別作用在前置、后置抑振器上控制信號，即計算出兩組抑振器的力矩分配，經(jīng)各自功率放大器進行信號放大，傳輸至前置、后置抑振器組，實現(xiàn)對抑振器的控制進而實現(xiàn)風(fēng)洞模型振動主動抑制，并消除轉(zhuǎn)角偏差；方法的具體步驟如下：

步驟一搭建前、后置抑振器組協(xié)同抑振系統(tǒng)硬件

前、后置抑振器組協(xié)同抑振的風(fēng)洞支桿抑振系統(tǒng)由被控風(fēng)洞支桿裝置、檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置和輔助裝置組成；被控風(fēng)洞支桿裝置由攻角調(diào)整機構(gòu)9、支桿和飛行器模型10構(gòu)成，支桿包括支桿細(xì)部11，支桿剛性段12，支桿過渡錐面13，攻角調(diào)整機構(gòu)9與支桿剛性段12固定連接；風(fēng)洞試驗中，攻角調(diào)整機構(gòu)轉(zhuǎn)動帶動支桿和飛行器達(dá)到試驗所需攻角；加速度傳感器1作為檢測裝置用于測量代表振動信息的加速度信號；控制裝置包括搭載了數(shù)據(jù)采集卡3的計算機2和控制器4為核心的控制平臺，用于將檢測信號進行計算，并按一定的控制規(guī)律輸出兩路控制信號，分別用于控制前置和后置抑振器；

執(zhí)行裝置采用壓電陶瓷抑振器作為前、后置抑振器，可輸出一對大小相等、方向相反的力矩，用于抵消由于外加風(fēng)載引起的振動，分別布置在支桿的過渡錐面13和支桿細(xì)部11的特定位置；

輔助裝置由前置功率放大器5和后置功率放大器6組成，前置功率放大器5和后置功率放大器6分別與前置、后置抑振器連接；

步驟二前后置抑振器組協(xié)同抑振系統(tǒng)算法

首先由加速度解算支桿尾端的瞬時位移，由加速度傳感器測得的加速度信號，利用式(1)，結(jié)合運動初值信息，經(jīng)過連續(xù)兩次積分，得到支桿尾端的瞬時位移；

x＝∫(∫adt+v0)dt+x0(1)

其中，a為加速度傳感器測得的支桿振動瞬時加速度，v0為速度初值，x0為運動初值，x為支桿尾端振動的瞬時位移；

然后計算位移對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)角偏差，利用得到的支桿尾端振動的瞬時位移，根據(jù)支桿尾端到支桿與攻角調(diào)節(jié)機構(gòu)固支端的距離，利用式(2)，計算支桿尾端瞬時轉(zhuǎn)角偏差；

θ＝arctan(x/l)(2)

其中，θ為支桿尾端瞬時轉(zhuǎn)角偏差，l為支桿長度；

再計算需要輸出的力矩，根據(jù)瞬時的轉(zhuǎn)角偏差和位移，利用補償?shù)乃枷?，計算前置和后置兩組壓電陶瓷抑振器的輸出力矩；后置抑振器到攻角調(diào)節(jié)機構(gòu)的距離較接近，桿直徑較大，可看做剛性結(jié)構(gòu)；即后置抑振器到攻角調(diào)節(jié)機構(gòu)的支桿段近似看做不產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)角；

在前置抑振器處，利用式(3)(4)計算該處由于后置壓電抑振器作用，支桿產(chǎn)的的轉(zhuǎn)角偏差和位移；

其中，l1為前、后置抑振器間的距離，θ1、x1分別為后置抑振器作用下在該段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和位移，e是材料的彈性系數(shù)，i為是截面慣矩，m1為后置抑振器輸出力矩；

在支桿尾端，利用式(5)(6)計算該處由于前置壓電抑振器作用，支桿產(chǎn)的的轉(zhuǎn)角偏差和位移；

其中，l2為前置抑振器到支桿尾端的距離，θ2、x2分別為前置抑振器作用下在該段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和位移，m2為前置抑振器輸出力矩；

利用補償?shù)乃枷?，兩處作用的轉(zhuǎn)角和位移與瞬時無作用時的轉(zhuǎn)角和偏差抵消時，恰好使支桿尾端轉(zhuǎn)角偏差和位移為0，用公式(7)、(8)計算：

θ1+θ2＝-θ(7)

x1+x2＝-x(8)

將式(3)、(4)、(5)、(6)帶入(7)、(8)中，得到計算前置和后置兩組壓電陶瓷抑振器的輸出力矩：

最后，計算控制器輸出的電信號，根據(jù)壓電陶瓷組的工作特性公式，得到兩組壓電陶瓷抑振器的輸入電壓：

其中，c^e為電場強度恒定時的彈性柔順常數(shù)，u為壓電陶瓷薄片施加的電壓，l為陶瓷疊堆原始長度，δl為陶瓷疊堆伸長量，m為輸出力矩，s為疊堆承載面積，n為疊堆中壓電陶瓷薄片數(shù)，d為壓電應(yīng)變常數(shù)。

根據(jù)安裝位置，按公式(11)：

u1＝f(x1，x2)

u2＝g(x1，x2)(11)

計算分配給控制器輸出的電信號。

本發(fā)明的有益效果是在風(fēng)洞環(huán)境下，將傳統(tǒng)的支桿兩段式結(jié)構(gòu)變?yōu)橹U三段式結(jié)構(gòu)，采用前、后置抑振器協(xié)同抑振的方式，計算兩組抑振器的輸出力矩，有效解決了在保證消除風(fēng)洞支桿尾端位移偏差的同時，保證消除尾端飛行器的轉(zhuǎn)角偏差。采用這種方法可使增加支桿力學(xué)模型的柔性，靈活性好、可調(diào)性強，適合風(fēng)洞實驗的實際測量中的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為風(fēng)洞支桿的前后置抑振器組協(xié)同的抑振系統(tǒng)示意圖，其中，1-加速度傳感器，2-計算機，3-數(shù)據(jù)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-攻角調(diào)整結(jié)構(gòu),10-飛行器模型，11-支桿細(xì)部，12-過渡錐面，13-支桿剛性段，l1-前、后置抑振器間的距離，l2-前置抑振器到支桿尾端的距離。

圖2為風(fēng)洞支桿的前后置抑振器組協(xié)同抑振方法的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方式。

圖1為風(fēng)洞支桿的前后置抑振器組協(xié)同的抑振系統(tǒng)示意圖，實施過程中采用pci9602數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)信號的d/a轉(zhuǎn)換，輸出模擬量電壓信號。控制器為德國dspace公司生產(chǎn)的實時仿真控制器。功率放大器即電壓放大驅(qū)動電源為trek公司生產(chǎn)的pzd700a雙通道電源給高壓壓電陶瓷抑振器供電。高壓壓電陶瓷抑振器選用芯明天公司生產(chǎn)的型號為20vs12的抑振器安裝在支桿中輸出與風(fēng)洞模型振動方向相反的力與力矩，用作抑制風(fēng)洞模型的振動。圖2為風(fēng)洞支桿的前后置抑振器組協(xié)同抑振方法的流程圖，如圖2所示，方法的具體步驟如下：

步驟一搭建前、后置抑振器組協(xié)同抑振系統(tǒng)

先將壓電抑振器組和加速度傳感器按要求布置在支桿的指定位置，將支桿剛性段13與攻角調(diào)整機構(gòu)9固頂連接，將數(shù)據(jù)采集卡3搭載在計算機2上；連接加速度傳感器1和數(shù)據(jù)采集卡3；分別依次連接計算機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；

啟動計算機、控制器和功率放大器待命。

步驟二前、后置抑振器組協(xié)同抑振系統(tǒng)算法

取f＝1000n，l＝1m，l1＝0.3m，l2＝0.7m

先由加速度解算支桿尾端的瞬時位移，由加速度傳感器測得的加速度信號a，利用式(1)，結(jié)合運動初值信息，經(jīng)過連續(xù)兩次積分，得到支桿尾端的瞬時位移x。使用本發(fā)明中的算法，x＝0,θ＝0。

然后計算位移對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)角偏差，利用得到的支桿尾端振動的瞬時位移x，根據(jù)支桿尾端到支桿與攻角調(diào)節(jié)機構(gòu)固支端的距離l，利用式(2)，計算支桿尾端瞬時轉(zhuǎn)角偏差θ。

再計算需要輸出的力矩，結(jié)合為兩抑振器間支桿距離l1，利用式(3)(4)，分別計算后置抑振器作用下在該段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和位移θ1、x1。

根據(jù)前置抑振器到支桿尾端的距離l2，利用式(5)、(6)，分別計算前置抑振器作用下在該段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和位移θ2、x2。

根據(jù)瞬時的轉(zhuǎn)角偏差θ和位移x，利用式(7)(8)，計算后置和前置兩組壓電陶瓷抑振器的輸出力矩m1、m2。本例中，m1＝-138.89n·m，m2＝-654.00n·m。

第四步計算控制器輸出的電信號

根據(jù)壓電陶瓷組的工作特性，利用式(10)(11)算分配給控制器輸出的電信號u1、u2。實際測量結(jié)果為：x＝0.019mm,θ＝0，符合要求。

本發(fā)明采用前后置抑振器組協(xié)同抑振技術(shù)將加速度傳感器集的風(fēng)洞模型振動的加速度信號作為反饋信號，并通過控制器計算，得到分配給前置和后置抑振器的控制信號，再經(jīng)過各自功率放大器放大，作用在壓電陶瓷抑振器，完成形成對風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)振動的協(xié)同主動控制。由于本系統(tǒng)引入新一組壓電陶瓷抑振器，將傳統(tǒng)的“支桿兩段式”結(jié)構(gòu)變?yōu)椤爸U三段式”結(jié)構(gòu)，能同時保證消除飛行器轉(zhuǎn)角和位移均消除偏差，增加了支桿力學(xué)模型的柔性，解決了現(xiàn)有的風(fēng)洞實驗中模型振動的抑制中無法保證攻角的難題，適合風(fēng)洞實驗的實際測量中的應(yīng)用。該系統(tǒng)的靈活性好、可調(diào)性強。