系统仿真技术在风洞控制系统中的应用

2021-03-24单永正

数字技术与应用 2021年1期

单永正

(中国航空工业集团公司空气动力研究院,黑龙江哈尔滨 150001)

0 概述

在系统仿真技术当中,“系统”主要是由一些存在密切关联,且具备特定功能的子系统组合而成。而系统模型则是利用定量方法对系统特征及其变化规律进行反映的载体。是人们对事物进行认识的重要手段之一。而由于控制系统是借助数字模型来实现数字仿真的,所以,系统建模会对仿真结果的精准性和可靠性造成直接的影响。而系统仿真技术的实现,实际就是结合控制系统给出的函数描述进一步对系统的状态空间进行描述,对于系统仿真技术而言,其实现问题就要更加具体,需要对一次模型化获得的数据模型进行转换,将其变为能够在计算机当中运行的模型,可以将这一环节当做是二次模型化处理。

对于风洞而言,六自由度控制坐标移测架以及模型姿态控制系统是较为常用的风洞控制系统,能够为相关课题的研究与试验提供有力支持。但就目前我国的风洞控制系统应用情况来看,还存在试验能力以及试验效率不高的情况,同时,在系统维护方面,对于故障难以实现在线诊断,导致故障维修工作往往会对人力、物力造成大量的消耗,甚至会延误试验任务的完成时间,而想要对这种情况加以改善,还需要相关领域在风洞控制系统当中对系统仿真技术进行应用,通过该项技术能够使风洞综合试验能力得到有效地提升,因此,有必要针对该项技术的具体应用进行深入的研究。

1 仿真研究流程

从本质上来看,系统仿真技术其实就是对仿真模型进行构建和试验的技术,其主要被当作一种研究和检验方法在系统研究中进行使用,对于事物的研究是通过相似类比关系来实现的,具体研究流程如下:

第一,建模阶段。需要结合研究目的、检验知识以及观察数据进行系统的分析,在明确各项要素的参数以及数学逻辑关系以后,即可建立与系统对应的数学逻辑模型。

第二,模型变换阶段。需要结合仿真的目的、原始的数学逻辑模型和计算机类型,对原始模型进行转换,使其能够变为适合通过计算机处理的模型形式,而这是实现系统仿真的前提条件。

第三,要对试验流程进行科学的编制,并对模型进行导入,使其能够在计算机当中运行,相关工作人员需要通过计算机对模型运行期间的各项变量变化进行详细地记录,并结合运行结果完成模型的验证工作。在最后根据试验的相关要求,给出相应的报告。

2 系统仿真技术在风洞控制系统中的具体应用

2.1 在模型姿态控制系统方面

2.1.1 工作原理

该系统主要是以直流伺服单元以及Mode15650A位置控制板面为基础,实现位置、电流以及转速三闭环控制的系统。

2.1.2 技术应用

为了使系统具有更高的可靠性,并提升其自诊断能力,可以通过系统仿真技术实现在线仿真功能,利用仿真,能够在无负载状态下对系统功能进行全面的测试,包括操作性能测试、安全性测试以及系统参数调试等,除此之外,还能对控制系统性能及其状态参数进行检测。这不仅能够将开发周期有效缩短,还能避免测试次数过多,对机械设备造成太大的损耗。而这需要在硬件设计中增加信号检测板以及多路模拟码盘信号板。这样可以在系统仿真期间,对直流伺服电机当中输出的码盘信号进行模拟。而在实际运行中,速度指令信号会从Mode15650A位控板面当中输出,并在V/F变换整形以后变为具有特定频率特征的方波信号,该信号会通过移相转换成两路方波信号,而这两路方波信号的相差为90°。主要被作为检测元件脉冲编码器信号的模拟仿真信号,而信号最终会向Mode15650A位控板进行反馈,最终达到在线仿真的目的[1]。

在线仿真功能主要具备以下作用:第一,能够在不负载的情况下对系统进行调试,这不仅能够保证系统调试的安全性,还能降低调试工作的资源消耗。而且在此基础上,还能提高调试工作的速度,将系统研发周期有效缩短;第二,在对系统进行正式使用以后,能够获得相应的仿真报告,对控制系统的相关参数以及分析结果进行报告;第三,在系统出现故障问题时,能够利用仿真功能进行故障检测,可以有效提高故障检测及维修的效率。

2.2 在六自由度移测架控制系统方面

2.2.1 移测架系统的具体工作原理

具体如图1所示,首先,计算机会向HY-6120进行控制指令的发送,而HY-6120会结合指令内容对继电器的运行进行驱动,实现人工按键的模拟,而运动坐标点的相关数据则会经由计算机串口向3 M 系统发送。

在角位移控制方面,计算机主要是借助PCL-839电机控制板面来实现的,PCL-839能够提供三个脉冲发生器,且这些发生器具有相互独立的特点,能够对三个步进电机进行同时的控制,与此同时,可以单独设置各轴的输出方式、运动模式以及运行速度。

图1 移测架工作原理Fig.1 Working principle of mobile measuring frame

六自由度数控坐标移测架本身具有较强的整体性,该系统中角位移子系统以及3 M 子系统通过统一协调的运动,能够实现线位移系统以及角位移系统的有效协调。除此之外,其可以对运行优先级以及线位移补偿进行准确的计算。但想要对相关试验需求加以满足,还需要运动控制过程具有较高的灵活性,所以,移测架系统从运动控制协调入手,进行了适当的优化,同时,在系统控制软件方面对多线程设计进行了应用,有效提升了运行控制过程的可靠性和灵活性[2]。

2.2.2 仿真技术的实际应用

虽然移测架系统具有较高的性能,但其在运行安全方面仍然需要进行不断地提升,因为,在传统的尾流场试验以及CTS试验当中,容易出现碰撞问题,使得探针或者是天平被损坏,而以仿真技术作为基础,不仅可以将碰撞问题解决,还能够对运动路径进行自动地寻找[3]。

2.3 对虚拟及抽象场景的模拟

想要对虚拟场景进行构建,还需要针对模型几何外形进行简化抽象处理,由于模型的几何外形较为复杂,如果根据模型外形的实际情况进行虚拟建模,会大大提升数据处理量,而且还会提升算法的复杂程度。当然,最为重要的就是在精度方面难以与实际外形完全一致。所以,在对模型几何外形实施抽象处理时,具体应该坚持以下原则:

第一,应按照立方体的形式对模型进行分解,并向模型实际外形贴近;第二,除了要根据模型的实际尺寸对立方体的尺度进行考虑以外,还要对试验精度方面的要求保持注意,一切工作都应该以安全为前提;第三,要将抽象体自身的坐标系中心与立方体中心对应。

在模型完成抽象处理以后,需要在试验以前对试验现场场景进行仔细的构造,要将现场各项抽象物的数据信息全部导入至计算机当中,以此来实现现场的可视化处理。对应现场的事物姿态运算以及三维显示, 可以对OpenGL等技术进行应用,进而在构架虚拟场景的过程中实现可视化建模[4]。

2.4 路径探测及碰撞检测

对于移测架运行而言,可以对其碰撞检测进行简化处理,将其转换为二维平面中的碰撞问题进行检测,而在此过程中,针对测量平面上的模型投影进行计算是实现模型碰撞准确检测的基础。在对模型进行抽象处理,实现虚拟场景构建的同时,需要结合试验的相关要求,将测量点平面作为投影平面,然后对模型在投影平面后面的部分展开计算,获得投影区域,简单地说就是,在移测架运行期间,如果与投影区域或者是边缘部分任何一点发生重合,都代表发生了碰撞[5]。

路径探测的首要任务就是对相应的图或者是网格进行构建,然后在涵盖投影的矩形中进行等密度取点,同时对各点进行连接,获得所需的网格。并将涵盖在投影当中的点以及连接去除,需要注意的是,和投影区域存在相交关系的连接也要去除,最后获得一个能够用于最短路径计算的无向图,针对该图按照起点到终点的顺序进行广度优先遍历,即可获得移测架运动的最短路径。当然,这种探测最短路径的方法在应用时必须要对网格密度进行合理的选择,如果网格密度过高会使计算工作量大大提升,影响系统测试的实时性,而如果密度过低,则会影响部分路径的连通效果,导致移测架难以运动到指定的点。具体需要结合实际情况,对七孔探针直径进行合理的选择,同时要保留相应的安全距离,并在此基础上确定网格最小密度。具体工作流程为:第一,对两点是否存在直接连通关系进行判断,如果连通则可以直接开始运行,如果不直接连通,则需要先按照5 0m m 的密度取点,并对最短路径进行计算,如果无法获得,需要增加点密度,直到能够获得最短路径[6]。

2.5 在风洞试验方面的应用

在流场测量试验中的应用。在对障碍物进行躲避时,应用传统的测量方式主要是结合模型情况进行截面分割,将其分为多个小区域以后,再分别进行测量,但这种方法会导致数据处理工作过于复杂,且要避免各截面出现相对位置混淆的情况,因此会对试验效率造成巨大的影响。而利用系统仿真技术,则可以一次给出测量截面,控制程序能够对测量区域中的障碍物进行自动检测,并结合实际对运行路径进行合理的选择,而这不仅会将数据处理工作有效减少,还能使试验效率得到相应的提升。

在CT S试验中的应用。该试验具有一定的危险性,主要是由于目标点存在不确定性,所以很多时候都不能确定投放物是否会在下一点和母机发生碰撞,传统的试验方法是通过人工的方式对下一点的可行性进行逐个的计算和判断,但这样显然无法保证试验效率,而在风洞控制系统中对系统仿真技术进行应用,则可以对碰撞检测工作进行有效地落实,其可以通过计算机对目标点的碰撞概率进行自动的检测,能够在确保试验安全的同时,将试验效率有效提升[7]。