系統仿真技術在風洞控制系統中的應用

單永正

(中國航空工業集團公司空氣動力研究院,黑龍江哈爾濱 150001)

0 概述

在系統仿真技術當中,“系統”主要是由一些存在密切關聯,且具備特定功能的子系統組合而成。而系統模型則是利用定量方法對系統特征及其變化規律進行反映的載體。是人們對事物進行認識的重要手段之一。而由于控制系統是借助數字模型來實現數字仿真的,所以,系統建模會對仿真結果的精準性和可靠性造成直接的影響。而系統仿真技術的實現,實際就是結合控制系統給出的函數描述進一步對系統的狀態空間進行描述,對于系統仿真技術而言,其實現問題就要更加具體,需要對一次模型化獲得的數據模型進行轉換,將其變為能夠在計算機當中運行的模型,可以將這一環節當做是二次模型化處理。

對于風洞而言,六自由度控制坐標移測架以及模型姿態控制系統是較為常用的風洞控制系統,能夠為相關課題的研究與試驗提供有力支持。但就目前我國的風洞控制系統應用情況來看,還存在試驗能力以及試驗效率不高的情況,同時,在系統維護方面,對于故障難以實現在線診斷,導致故障維修工作往往會對人力、物力造成大量的消耗,甚至會延誤試驗任務的完成時間,而想要對這種情況加以改善,還需要相關領域在風洞控制系統當中對系統仿真技術進行應用,通過該項技術能夠使風洞綜合試驗能力得到有效地提升,因此,有必要針對該項技術的具體應用進行深入的研究。

1 仿真研究流程

從本質上來看,系統仿真技術其實就是對仿真模型進行構建和試驗的技術,其主要被當作一種研究和檢驗方法在系統研究中進行使用,對于事物的研究是通過相似類比關系來實現的,具體研究流程如下:

第一,建模階段。需要結合研究目的、檢驗知識以及觀察數據進行系統的分析,在明確各項要素的參數以及數學邏輯關系以后,即可建立與系統對應的數學邏輯模型。

第二,模型變換階段。需要結合仿真的目的、原始的數學邏輯模型和計算機類型,對原始模型進行轉換,使其能夠變為適合通過計算機處理的模型形式,而這是實現系統仿真的前提條件。

第三,要對試驗流程進行科學的編制,并對模型進行導入,使其能夠在計算機當中運行,相關工作人員需要通過計算機對模型運行期間的各項變量變化進行詳細地記錄,并結合運行結果完成模型的驗證工作。在最后根據試驗的相關要求,給出相應的報告。

2 系統仿真技術在風洞控制系統中的具體應用

2.1 在模型姿態控制系統方面

2.1.1 工作原理

該系統主要是以直流伺服單元以及Mode15650A位置控制板面為基礎,實現位置、電流以及轉速三閉環控制的系統。

2.1.2 技術應用

為了使系統具有更高的可靠性,并提升其自診斷能力,可以通過系統仿真技術實現在線仿真功能,利用仿真,能夠在無負載狀態下對系統功能進行全面的測試,包括操作性能測試、安全性測試以及系統參數調試等,除此之外,還能對控制系統性能及其狀態參數進行檢測。這不僅能夠將開發周期有效縮短,還能避免測試次數過多,對機械設備造成太大的損耗。而這需要在硬件設計中增加信號檢測板以及多路模擬碼盤信號板。這樣可以在系統仿真期間,對直流伺服電機當中輸出的碼盤信號進行模擬。而在實際運行中,速度指令信號會從Mode15650A位控板面當中輸出,并在V/F變換整形以后變為具有特定頻率特征的方波信號,該信號會通過移相轉換成兩路方波信號,而這兩路方波信號的相差為90°。主要被作為檢測元件脈沖編碼器信號的模擬仿真信號,而信號最終會向Mode15650A位控板進行反饋,最終達到在線仿真的目的[1]。

在線仿真功能主要具備以下作用:第一,能夠在不負載的情況下對系統進行調試,這不僅能夠保證系統調試的安全性,還能降低調試工作的資源消耗。而且在此基礎上,還能提高調試工作的速度,將系統研發周期有效縮短;第二,在對系統進行正式使用以后,能夠獲得相應的仿真報告,對控制系統的相關參數以及分析結果進行報告;第三,在系統出現故障問題時,能夠利用仿真功能進行故障檢測,可以有效提高故障檢測及維修的效率。

2.2 在六自由度移測架控制系統方面

2.2.1 移測架系統的具體工作原理

具體如圖1所示,首先,計算機會向HY-6120進行控制指令的發送,而HY-6120會結合指令內容對繼電器的運行進行驅動,實現人工按鍵的模擬,而運動坐標點的相關數據則會經由計算機串口向3 M 系統發送。

在角位移控制方面,計算機主要是借助PCL-839電機控制板面來實現的,PCL-839能夠提供三個脈沖發生器,且這些發生器具有相互獨立的特點,能夠對三個步進電機進行同時的控制,與此同時,可以單獨設置各軸的輸出方式、運動模式以及運行速度。

圖1 移測架工作原理Fig.1 Working principle of mobile measuring frame

六自由度數控坐標移測架本身具有較強的整體性,該系統中角位移子系統以及3 M 子系統通過統一協調的運動,能夠實現線位移系統以及角位移系統的有效協調。除此之外,其可以對運行優先級以及線位移補償進行準確的計算。但想要對相關試驗需求加以滿足,還需要運動控制過程具有較高的靈活性,所以,移測架系統從運動控制協調入手,進行了適當的優化,同時,在系統控制軟件方面對多線程設計進行了應用,有效提升了運行控制過程的可靠性和靈活性[2]。

2.2.2 仿真技術的實際應用

雖然移測架系統具有較高的性能,但其在運行安全方面仍然需要進行不斷地提升,因為,在傳統的尾流場試驗以及CTS試驗當中,容易出現碰撞問題,使得探針或者是天平被損壞,而以仿真技術作為基礎,不僅可以將碰撞問題解決,還能夠對運動路徑進行自動地尋找[3]。

2.3 對虛擬及抽象場景的模擬

想要對虛擬場景進行構建,還需要針對模型幾何外形進行簡化抽象處理,由于模型的幾何外形較為復雜,如果根據模型外形的實際情況進行虛擬建模,會大大提升數據處理量,而且還會提升算法的復雜程度。當然,最為重要的就是在精度方面難以與實際外形完全一致。所以,在對模型幾何外形實施抽象處理時,具體應該堅持以下原則:

第一,應按照立方體的形式對模型進行分解,并向模型實際外形貼近;第二,除了要根據模型的實際尺寸對立方體的尺度進行考慮以外,還要對試驗精度方面的要求保持注意,一切工作都應該以安全為前提;第三,要將抽象體自身的坐標系中心與立方體中心對應。

在模型完成抽象處理以后,需要在試驗以前對試驗現場場景進行仔細的構造,要將現場各項抽象物的數據信息全部導入至計算機當中,以此來實現現場的可視化處理。對應現場的事物姿態運算以及三維顯示, 可以對OpenGL等技術進行應用,進而在構架虛擬場景的過程中實現可視化建模[4]。

2.4 路徑探測及碰撞檢測

對于移測架運行而言,可以對其碰撞檢測進行簡化處理,將其轉換為二維平面中的碰撞問題進行檢測,而在此過程中,針對測量平面上的模型投影進行計算是實現模型碰撞準確檢測的基礎。在對模型進行抽象處理,實現虛擬場景構建的同時,需要結合試驗的相關要求,將測量點平面作為投影平面,然后對模型在投影平面后面的部分展開計算,獲得投影區域,簡單地說就是,在移測架運行期間,如果與投影區域或者是邊緣部分任何一點發生重合,都代表發生了碰撞[5]。

路徑探測的首要任務就是對相應的圖或者是網格進行構建,然后在涵蓋投影的矩形中進行等密度取點,同時對各點進行連接,獲得所需的網格。并將涵蓋在投影當中的點以及連接去除,需要注意的是,和投影區域存在相交關系的連接也要去除,最后獲得一個能夠用于最短路徑計算的無向圖,針對該圖按照起點到終點的順序進行廣度優先遍歷,即可獲得移測架運動的最短路徑。當然,這種探測最短路徑的方法在應用時必須要對網格密度進行合理的選擇,如果網格密度過高會使計算工作量大大提升,影響系統測試的實時性,而如果密度過低,則會影響部分路徑的連通效果,導致移測架難以運動到指定的點。具體需要結合實際情況,對七孔探針直徑進行合理的選擇,同時要保留相應的安全距離,并在此基礎上確定網格最小密度。具體工作流程為:第一,對兩點是否存在直接連通關系進行判斷,如果連通則可以直接開始運行,如果不直接連通,則需要先按照5 0m m 的密度取點,并對最短路徑進行計算,如果無法獲得,需要增加點密度,直到能夠獲得最短路徑[6]。

2.5 在風洞試驗方面的應用

在流場測量試驗中的應用。在對障礙物進行躲避時,應用傳統的測量方式主要是結合模型情況進行截面分割,將其分為多個小區域以后,再分別進行測量,但這種方法會導致數據處理工作過于復雜,且要避免各截面出現相對位置混淆的情況,因此會對試驗效率造成巨大的影響。而利用系統仿真技術,則可以一次給出測量截面,控制程序能夠對測量區域中的障礙物進行自動檢測,并結合實際對運行路徑進行合理的選擇,而這不僅會將數據處理工作有效減少,還能使試驗效率得到相應的提升。

在CT S試驗中的應用。該試驗具有一定的危險性,主要是由于目標點存在不確定性,所以很多時候都不能確定投放物是否會在下一點和母機發生碰撞,傳統的試驗方法是通過人工的方式對下一點的可行性進行逐個的計算和判斷,但這樣顯然無法保證試驗效率,而在風洞控制系統中對系統仿真技術進行應用,則可以對碰撞檢測工作進行有效地落實,其可以通過計算機對目標點的碰撞概率進行自動的檢測,能夠在確保試驗安全的同時,將試驗效率有效提升[7]。

3 結語

綜上所述,在風洞控制系統當中對系統仿真技術進行應用,能夠進一步提高風洞控制系統的檢測效果,這對于系統性能的提升以及系統的有效應用具有非常積極的作用,因此,相關領域應該對該項技術保持高度的重視,在對其進行深入研究的同時,進行合理的應用,從而為相關領域的發展提供支持。