高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法，涉及高速风洞电液伺服控制领域，包括：位于风洞测控间的上位机；通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸运动的多套伺服控制单元；通过接收上位机指令，协调每套伺服控制单元的动作以实现协同运动的运动逻辑控制单元。本发明专利技术提供一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法，采用“上位机+多轴运动控制器+伺服控制单元+伺服比例阀”的分布式控制方案，可实现大载荷多自由度模型支撑机构位置或者角度精确控制，通过位置闭环保持当前位置并抵抗风洞试验过程中变化的气动载荷。中变化的气动载荷。中变化的气动载荷。

【技术实现步骤摘要】
高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法


[0001]本专利技术涉及高速风洞电液伺服控制领域。更具体地说，本专利技术涉及一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法。

技术介绍

[0002]风洞模型支撑机构用于支撑试验模型，根据试验需要改变模型姿态和位置。风洞试验对模型姿态和位置有着较高的精度要求，并且考虑到减小试验能耗，调整模型姿态和位置的时间应尽量缩短。因此模型支撑机构的伺服控制需同时具备较高的伺服精度和速度。随着飞行器研制对风洞试验的要求日益增高，模型支撑机构的自由度逐渐增加，也增大了伺服驱动控制系统的设计难度。
[0003]模型支撑机构的驱动方式总体上可分为电机伺服驱动和液压伺服驱动。电机伺服驱动具有成本低、装置体积小便于安装等优点，常用于小载荷模型支撑机构。液压伺服驱动突出的优点是单位体积的驱动力大，适用于大载荷模型支撑机构。
[0004]现有风洞使用液压驱动的模型支撑机构大多只有一个自由度，控制系统设计较简单。而高速风洞在应用时通常配置一套采用了液压伺服驱动方式的多自由度模型支撑机构，该支撑机构自身重量和所受气动载荷大，驱动装置需要提供数十吨的驱动力。该多自由度模型支撑机构液压伺服驱动系统中驱动轴数量较多、同步精度要求高、部分驱动轴为双级油缸，而现有技术的控制系统满足不了大载荷、高速、高精度同步控制的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0006]为了实现本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，包括：位于风洞测控间的上位机；通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸运动的多套伺服控制单元；通过接收上位机指令，协调每套伺服控制单元的动作以实现协同运动的运动逻辑控制单元；其中，所述运动逻辑控制单元和伺服控制单元之间采用总线连接；所述伺服油缸均安装至少一个直线位移传感器，伺服油缸与伺服阀组具有一一对应的关系，每套伺服阀组均安装有用于采集伺服油缸有杆腔和无杆腔油压的两个油压传感器，且每套伺服阀组还分别配备有1只进油电磁阀和1只出油电磁阀。
[0007]优选的是，所述运动逻辑控制单元被配置为包括：数字IO模块，模拟IO模块，通讯模块，以及对多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸的位移和速度进行计算和规划的多轴运动控制器；
其中，数字IO模块包括：用于接收外部急停、本地/远程切换信号的数字输入模块；输出电平信号，以通过中间继电器控制伺服阀组的进油电磁阀和出油电磁阀的数字输出模块；所述通讯模块通过以太网与风洞控制系统进行实时通讯。
[0008]优选的是，在多自由度模型支撑机构配置为采用四自由度模型支撑机构时，采用串联布局，其最里层为迎角机构，向外依次为侧滑角机构、Y机构、X机构；其中，所述迎角机构、侧滑角机构分别由一台双级伺服油缸驱动，所述X机构由两台单级伺服油缸同步驱动，所述Y机构由两台两级伺服油缸同步驱动。
[0009]优选的是，还包括用于对多自由度模型支撑机构进行回零控制的多个电磁换向阀。
[0010]一种所述高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统的应用方法，包括：所述上位机通过以太网与多轴运动控制器通信，以将控制指令下载到多轴运动控制器中；所述多轴运动控制器基于下载的上位机控制指令获取运动任务，以基于运动任务对多自由度模型支撑机构各轴伺服油缸位移和速度进行计算和/或规划；所述多轴运动控制器将规划后的伺服油缸位移和速度指令发送至相应的伺服控制单元，以对全部伺服控制单元进行协同控制；所述伺服控制单元基于接收到的伺服油缸位移和速度指令，通过控制伺服阀组阀芯位置来实现伺服油缸的运动控制，同时基于采集到的伺服油缸实际位置信息和两腔压力信息，实现伺服油缸的位置闭环控制或压力闭环控制，并实时上传状态信息；当多自由度模型支撑机构运动到目标位置后，伺服控制单元仍保持伺服状态，以通过保持当前位置以抵抗变化的外部负载；其中，所述控制指令包括：多自由度模型支撑机构的角度、角速度、位置、动速度。
[0011]优选的是，所述计算和/或规划的方式包括：将上位机下发的控制指令转化为相应的伺服油缸位移和速度指令；对于存在多级伺服油缸的轴，分别对各级油缸的位移和速度进行分配；对每个自由度运动的先后顺序进行规划。
[0012]优选的是，所述伺服控制单元在执行相应的运动控制程序时，实时将液压油缸的状态参数反馈给运动逻辑控制单元，以通过运动逻辑控制单元反馈给风洞控制系统。
[0013]优选的是，其特征在于，所述上位机对多自由度模型支撑机构的运动控制包括：对单级伺服油缸位置伺服控制以及对双级伺服油缸位置伺服控制；在单级伺服油缸位置伺服控制中，通过上位机操作软件对目标位置s和目标速度v进行设置，以将目标位置和目标速度发送给多轴运动控制器，多轴运动控制器经过软限位检查后将目标位置和目标速度发送给伺服控制单元，由伺服控制单元完成相应的位置伺服控制；在双级伺服油缸位置伺服控制中，先对各级伺服油缸的动作顺序进行规划，再通过上位机操作软件对目标位置s*和目标速度v
*
进行设置，设最先动作的一级伺服油缸的最大行程为s1
max
，以油缸伸出情况为例，如果s
*
≤s1
max
，则s1
*
= s
*
，v1
*
=v
*
，其中，s1
*
和v1
*
分别
为一级伺服油缸的目标位置和目标速度；如果s
*
＞s1
max
，则s1
*
=s1
max
，v1
*
=v
*
，并且当|s1
*
‑
s1|<a时，令s2
*
= s
*
‑
s1
max
，v2
*
=v
*
‑
|v1|，其中，s2
*
和v2
*
分别为二级伺服油缸的目标位置和目标速度，s1和v1分别为一级伺服油缸的实际位置和实际速度，a为常数。
[0014]本专利技术至少包括以下有益效果：本专利技术采用“上位机+多轴运动控制器+伺服控制单元+伺服比例阀”的分布式控制方案，可实现大载荷多自由度模型支撑机构位置或者角度精确控制，通过位置闭环保持当前位置并抵抗风洞试验过程中变化的气动载荷。解决了电机伺服驱动难以应用到大载荷多自由度模型支撑机构的问题，而本专利技术控制系统的应用方法在实时性、同步性、定位准确性、反馈信号的可靠性等方面均满足多自由度模型支撑机构控制要求。
[0015]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的一个实施例中四自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，包括：位于风洞测控间的上位机；通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸运动的多套伺服控制单元；通过接收上位机指令，协调每套伺服控制单元的动作以实现协同运动的运动逻辑控制单元；其中，所述运动逻辑控制单元和伺服控制单元之间采用总线连接；所述伺服油缸均安装至少一个直线位移传感器，伺服油缸与伺服阀组具有一一对应的关系，每套伺服阀组均安装有用于采集伺服油缸有杆腔和无杆腔油压的两个油压传感器，且每套伺服阀组还分别配备有1只进油电磁阀和1只出油电磁阀。2.如权利要求1所述的高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，所述运动逻辑控制单元被配置为包括：数字IO模块，模拟IO模块，通讯模块，以及对多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸的位移和速度进行计算和规划的多轴运动控制器；其中，数字IO模块包括：用于接收外部急停、本地/远程切换信号的数字输入模块；输出电平信号，以通过中间继电器控制伺服阀组的进油电磁阀和出油电磁阀的数字输出模块；所述通讯模块通过以太网与风洞控制系统进行实时通讯。3.如权利要求1所述的高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，在多自由度模型支撑机构配置为采用四自由度模型支撑机构时，采用串联布局，其最里层为迎角机构，向外依次为侧滑角机构、Y机构、X机构；其中，所述迎角机构、侧滑角机构分别由一台双级伺服油缸驱动，所述X机构由两台单级伺服油缸同步驱动，所述Y机构由两台两级伺服油缸同步驱动。4.如权利要求1所述的高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，还包括用于对多自由度模型支撑机构进行回零控制的多个电磁换向阀。5.一种如权利要求1
‑
4任一项所述高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统的应用方法，其特征在于，包括：所述上位机通过以太网与多轴运动控制器通信，以将控制指令下载到多轴运动控制器中；所述多轴运动控制器基于下载的上位机控制指令获取运动任务，以基于运动任务对多自由度模型支撑机构各轴伺服油缸位移和速度进行计算和/或规划；所述多轴运动控制器将规划后的伺服油缸位移和速度指令发送至相应的伺服控制单元，以对全部伺服控制单元进行协同控制；所述伺服控制单元基于接收到的伺服油缸位移和速度指令，通过控制伺服阀组阀芯位置来实现伺服油缸的运动控制，同时基于采集到的伺服油缸实际位置信息和两腔压力信息，实现伺服油缸的位置闭环控制或压力闭环控制，并实时上传状态信息；当多自由度模型支撑机构运动到目标位置后，伺服控制单元仍保持伺服状态，以通过保持当前位置以抵抗变化的外部负载；其中，所述控制指令包括：多自由度模型支撑机...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘为杰，凌忠伟，张林，白本奇，叶成，黄昊宇，田嘉懿，高川，曾利权，吴琦，夏语，王亮，余强，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：