FL-51風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器電液伺服控制系統(tǒng)

于金革， 卜 忱， 吳 帥， 李 立， 明 強(qiáng)， 馬占元

(1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院， 黑龍江 哈爾濱 150001；2.低速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150001； 3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

引言

飛機(jī)在飛行中不可避免地會遭遇各種程度的陣風(fēng)，因而帶來附加的結(jié)構(gòu)動載荷和機(jī)翼彈性模態(tài)振動，使飛行員難于操作，降低了乘客舒適性，甚至?xí)痫w機(jī)顛簸等，最終造成疲勞損傷或損壞[1-2]。在空中飛行的導(dǎo)彈，若是遭遇陣風(fēng)，可能影響導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)安全、電氣設(shè)備的可靠性及命中精度[3-4]。

為預(yù)測陣風(fēng)對飛行器的影響，通常采用數(shù)值模擬及風(fēng)洞試驗(yàn)的方式開展。在數(shù)值計算方面，主要包括頻域計算和時域計算。頻域計算方法主要是計算頻率中若干離散頻率的非定常氣動力[5]， 但該模型往往很難考慮到非線性帶來的影響。伴隨CFD技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了在時域內(nèi)直接模擬陣風(fēng)響應(yīng)的方法[6]。該方法既能較為準(zhǔn)確地模擬飛機(jī)陣風(fēng)特性，又可以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性，因而受到更廣泛關(guān)注。

陣風(fēng)發(fā)生器是陣風(fēng)響應(yīng)及載荷減緩試驗(yàn)的重要設(shè)備，從20世紀(jì)60年代開始，國外出現(xiàn)了各種形式的陣風(fēng)發(fā)生器。俄羅斯中央空氣流體動力研究院在直徑7 m 的T-104低速風(fēng)洞開口試驗(yàn)段[7]出口處配置2個擺動葉片，為提高葉片剛度，采用3根豎向鋼索將葉片分為3段，但鋼索自身具有彈性，因此對葉片的剛度提高貢獻(xiàn)有限，引起葉片的彈性變形，導(dǎo)致陣風(fēng)場橫向不均勻。此外，葉片由立于試驗(yàn)段兩側(cè)的框型梁支撐，該支撐形式多適用于開口風(fēng)洞[8]。

歐美國家則以高校的研究較多。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)在2.85 m×2.85 m風(fēng)洞中設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動的兩葉片陣風(fēng)發(fā)生器[9]，發(fā)生器根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)縱向與橫向陣風(fēng)場的轉(zhuǎn)換。意大利米蘭理工學(xué)院在4 m×3.84 m低速風(fēng)洞中設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動的六葉片陣風(fēng)發(fā)生器[10]，發(fā)生器只能產(chǎn)生橫向陣風(fēng)場，葉片采用NACA0012翼型，展長為3.56 m，弦長0.4 m，單葉片重量約為15 kg。美國杜克大學(xué)陣風(fēng)發(fā)生器采用旋轉(zhuǎn)開槽氣缸與固定翼型配對，以產(chǎn)生升力并使氣流轉(zhuǎn)移[11]。國外在高速風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器方面也開展了廣泛的研究，其中有美國TDT風(fēng)洞在試驗(yàn)段上游安裝了4個振蕩機(jī)翼[12-13]以簡諧方式運(yùn)動，后方的尾流模擬陣風(fēng)；英國皇家學(xué)會有TWT風(fēng)洞的尾緣吹氣式陣風(fēng)發(fā)生器[14-15]。

經(jīng)過十幾年的積累，國內(nèi)在低速風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器研制與應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)步。有代表性的是中國空氣動力研究與發(fā)展中心在4 m×3 m和8 m×6 m低速風(fēng)洞研制的陣風(fēng)發(fā)生器[16-17]，已開展多期試驗(yàn)。

由于國內(nèi)外陣風(fēng)發(fā)生器多為電機(jī)帶動直線連桿驅(qū)動方式，所有葉片只能按同波形、同頻率、同擺角運(yùn)動，無法實(shí)現(xiàn)葉片組合波形運(yùn)動，不能分別設(shè)置每個葉片的運(yùn)動參數(shù)，限制了發(fā)生器的使用范圍。此外，隨著飛行器對陣風(fēng)場模擬指標(biāo)的提升，需提高擺動葉片式發(fā)生器葉片的弦長、展長、擺角和擺頻等參數(shù)，這就意味著驅(qū)動系統(tǒng)需提供更大角加速度和扭矩。

電液伺服系統(tǒng)由于具有功率質(zhì)量比高、負(fù)載剛度大、有效載荷能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，被廣泛使用在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域。針對高精度電液位置伺服控制，學(xué)者們提出了多種伺服控制算法，包括針對干擾抑制的線性自抗擾控制器[18]，魯棒自適應(yīng)高精度位置控制[19]，自適應(yīng)魯棒的電液伺服轉(zhuǎn)臺雙馬達(dá)同步控制等[20]。

為此，針對FL-51風(fēng)洞陣風(fēng)試驗(yàn)需求，研究了采用伺服液壓馬達(dá)直驅(qū)形式可以使風(fēng)洞內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)少、耦合振動小，并提供較大的扭矩和運(yùn)動頻率，可形成不同頻率的正弦波、三角波、方波、隨機(jī)波等多種波形的組合運(yùn)動。研究了基于相位補(bǔ)償?shù)耐娇刂扑惴ǎ嵘税l(fā)生器的性能指標(biāo)，為陣風(fēng)相關(guān)試驗(yàn)研究提供了較好的模擬條件。

1 電液陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計

1.1 總體方案

陣風(fēng)發(fā)生器安裝在FL-51風(fēng)洞的閉口試驗(yàn)段中，試驗(yàn)段尺寸為11 m(長)×4.5 m(寬)×3.5 m(高)，空風(fēng)洞最大風(fēng)速為100 m/s。陣風(fēng)發(fā)生器總體方案如圖1所示，主要由電液伺服擺動缸、擺動缸支座、葉片組件和豎向支撐等組成。擺動缸驅(qū)動葉片做一定角度的往復(fù)擺動，使葉片對試驗(yàn)段中的氣流產(chǎn)生一定的擾動，從而生成變化的陣風(fēng)。葉片運(yùn)動的波形、擺角和頻率不同，就可以實(shí)現(xiàn)不同陣風(fēng)環(huán)境的模擬。

圖1 陣風(fēng)發(fā)生器總體方案

陣風(fēng)發(fā)生器的傳動路徑為：電液伺服擺動馬達(dá)—彈性聯(lián)軸器—葉片驅(qū)動端轉(zhuǎn)軸—豎向支撐的調(diào)心軸承—葉片從動端。

陣風(fēng)發(fā)生器葉片翼型為NACA0015，翼型展長3 m，翼型弦長0.4 m，葉片間距為0.57 m。為降低葉片加工強(qiáng)度要求，防止葉片運(yùn)動過程中振動過大，采用豎向支撐將葉片等分為2段，每段葉片與豎向支撐通過調(diào)心軸承相連，增加了支撐結(jié)構(gòu)的剛度。

1.2 葉片結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，葉片是電液伺服馬達(dá)的負(fù)載，其參數(shù)對電液伺服控制性能具有非常大的影響，主要包括固有頻率和轉(zhuǎn)動慣量。固有頻率如果和風(fēng)洞結(jié)構(gòu)重疊就容易引起結(jié)構(gòu)共振，而轉(zhuǎn)動慣量大則會要求驅(qū)動力矩大，導(dǎo)致輸入功率大，頻響低，但減小轉(zhuǎn)動慣量的同時還不能影響剛度和強(qiáng)度。所以需要對葉片的固有頻率、轉(zhuǎn)動慣量、葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、葉片剛度等進(jìn)行優(yōu)化。

為避免發(fā)生器的工作頻率與葉片固有頻率有重疊，采取每組葉片獨(dú)立驅(qū)動的方式。此外，將葉片支撐結(jié)構(gòu)安裝在風(fēng)洞的支柱上，不與洞壁接觸，避免了支撐結(jié)構(gòu)與葉片、洞體發(fā)生耦合振動。葉片結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析結(jié)果(見圖2和表1)，表明葉片一階固有頻率為27.85 Hz，而陣風(fēng)發(fā)生器的運(yùn)動頻率范圍為0～15 Hz，不會發(fā)生共振。

圖2 葉片模態(tài)分析

表1 葉片模態(tài)分析結(jié)果

為了保證葉片具有較小轉(zhuǎn)動慣量，同時還具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，保證動態(tài)性能，葉片結(jié)構(gòu)布置采用雙主梁、疏框架結(jié)構(gòu)，見圖3。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將葉片的質(zhì)心控制在葉片的轉(zhuǎn)動中心上，即葉片1/4弦長位置，有效減小了葉片擺動時的轉(zhuǎn)動慣量，降低葉片的振動。通過模型分析獲得葉片的轉(zhuǎn)動慣量為0.27 kg·m2。

圖3 葉片結(jié)構(gòu)

1.3 電液驅(qū)動與控制系統(tǒng)

為滿足陣風(fēng)發(fā)生器葉片運(yùn)動時氣動力矩和慣性力矩大、擺動頻率高的要求，采用液壓伺服擺動缸進(jìn)行驅(qū)動。電液伺服擺動馬達(dá)驅(qū)動與控制系統(tǒng)如圖4所示，主要包括大流量伺服閥，伺服擺動馬達(dá)和運(yùn)動控制器等組成。

圖4 陣風(fēng)發(fā)生器驅(qū)動原理圖

葉片需要實(shí)現(xiàn)15°，10 Hz和5°，15 Hz兩種典型的高頻正弦運(yùn)動。根據(jù)計算，可得15 Hz，5°正弦運(yùn)動的最大速度為471.24(°)/s(8.22 rad/s)，最大角加速度為44413.22(°)/s2(775.09 rad/s2)；10 Hz，15°正弦運(yùn)動的最大速度為942.48(°)/s(16.45 rad/s)，最大角加速度為59217(°)/s2(1033.53 rad/s2)。

葉片和傳動軸的總轉(zhuǎn)動慣量為0.335 kg·m2，乘以轉(zhuǎn)動慣量可得最大慣性負(fù)載為346 N·m。通過流場數(shù)值模擬分析，得到葉片在風(fēng)洞受到的最大氣動扭矩約為300 N·m，所以液壓馬達(dá)總的驅(qū)動力矩要大于646 N·m。考慮到外部機(jī)構(gòu)的摩擦等其他損失，按照85%的帶負(fù)載效率考慮，液壓馬達(dá)額定輸出扭矩不應(yīng)小于760 N·m，再考慮50%的預(yù)留量，設(shè)計擺動缸的動態(tài)輸出扭矩為1100 N·m，據(jù)此計算擺動缸的排量為：

Dm=Tm/pm

(1)

式中，Dm—— 液壓擺動缸的單位弧度排量

Tm—— 動態(tài)扭矩需求

pm—— 動態(tài)工作壓力，取動態(tài)工作壓力為14 MPa，則可以計算得到排量Dm=78.5 mL/rad

獲得排量之后，根據(jù)擺動缸的速度要求，就可以計算出伺服閥的流量需求為78 L/min。為滿足裝置高頻、高精度的控制要求，采用高性能的電液伺服閥作為控制元件，其-3 dB頻響大于200 Hz。

2 系統(tǒng)建模與控制研究

本系統(tǒng)的控制需求是實(shí)現(xiàn)3個葉片按照設(shè)定的運(yùn)動波形運(yùn)動，從而對流過的氣流產(chǎn)生一定波形和頻率的擾動，實(shí)現(xiàn)實(shí)際飛行環(huán)境下的陣風(fēng)模擬。其控制需求，主要是高頻運(yùn)動波形的控制精度和多通道間的相位同步要求。

本研究中的陣風(fēng)發(fā)生器的葉片驅(qū)動系統(tǒng)是一個典型的閥控馬達(dá)位置閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型主要包括滑閥的流量方程、液壓馬達(dá)的流量連續(xù)性方程和液壓馬達(dá)和負(fù)載的力平衡方程，3個方程對應(yīng)的拉氏變換分別如式(2)～式(4)：

QL=Kqxv-KcpL

(2)

(3)

pLDm=Jts2θm+Bmsθm+Tl

(4)

式中，QL—— 伺服閥的負(fù)載流量

Kq—— 伺服閥的流量增益

xv—— 伺服閥的閥芯位移

Kc—— 伺服閥的流量壓力系數(shù)

pL—— 液壓馬達(dá)的兩腔負(fù)載壓降

Kl—— 液壓馬達(dá)的泄漏系數(shù)

Vt—— 液壓馬達(dá)的負(fù)載容積

βe—— 液壓油有效彈性模量

Jt—— 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子和葉片的總轉(zhuǎn)動慣量

Bm—— 負(fù)載黏性阻尼系數(shù)

Tl—— 氣動負(fù)載力矩

綜合式(2)～式(4)可以得到如下的綜合傳遞函數(shù)：

(5)

上式等號左邊為閥芯位置輸入，以及負(fù)載力矩和負(fù)載力矩的微分，等號右邊為葉片角度乘以三階動態(tài)傳遞函數(shù)。其中，忽略伺服閥的動態(tài)，則控制輸入和伺服閥閥芯位置對應(yīng)，負(fù)載力矩可以視為干擾。所以葉片角度控制是一個具有強(qiáng)干擾的三階動態(tài)系統(tǒng)控制難題。

針對控制需求，本研究的總體控制方法如圖5所示。每個葉片的控制策略用PID反饋控制保證跟蹤精度和對抗干擾，采用前饋控制提高響應(yīng)，采用超前滯后校正調(diào)整動態(tài)響應(yīng)特征，以及實(shí)現(xiàn)通道間相位的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)各通道間的同步。

圖5 控制算法框圖

3 系統(tǒng)測試

在設(shè)計和仿真的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)設(shè)計和測試，包括葉片模態(tài)測試，葉片同步控制測試，不同波形控制測試和陣風(fēng)流場校測測試。

3.1 葉片模態(tài)測試

為檢驗(yàn)葉片在風(fēng)洞內(nèi)安裝后的模態(tài)情況， 采用移動傳感器、固定錘擊點(diǎn)的方法對安裝在風(fēng)洞中的葉片進(jìn)行了固有頻率測試(見圖6)，表2給出了3組葉片(由低到高)前4階的固有頻率值，通過表中數(shù)據(jù)可知，所有葉片的最低階固有頻率均高于葉片工作頻率的最大值15 Hz，因此不會發(fā)生器葉片工作頻率內(nèi)與葉片固有頻率重疊而引起的振動，實(shí)測結(jié)果也驗(yàn)證了模態(tài)計算值的正確性。

圖6 葉片模態(tài)測試

表2 葉片前4階固有頻率值

3.2 葉片同步控制測試

為了測試葉片的控制精度和同步控制的效果，進(jìn)行了擺角15°、擺頻10 Hz的正弦同步控制測試。3組葉片同步驅(qū)動的結(jié)果如圖7所示，指令之間的誤差曲線如圖8所示。從結(jié)果可以看出，葉片很好的跟蹤了需要的運(yùn)動軌跡，每個通道的角度誤差都在0.6°以內(nèi)，任意2個葉片運(yùn)動波形的相位差都小于1°，滿足陣風(fēng)發(fā)生器的使用要求。

圖7 3組葉片同步運(yùn)動曲線

圖8 3組葉片同步運(yùn)動誤差曲線

3.3 葉片不同運(yùn)動波形測試

由于采用獨(dú)立的液壓伺服擺動缸驅(qū)動葉片運(yùn)動，裝置可實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波及隨機(jī)波等多種波形的組合運(yùn)動，圖9給出了3組葉片同時擺動，不同運(yùn)動波形圖，更加真實(shí)地模擬了大氣中不同運(yùn)動形式、不同頻率成分的擾流，尤其是隨機(jī)波的生成，擴(kuò)展了發(fā)生器的使用范圍。

圖9 3組葉片同時擺動(不同運(yùn)動)波形圖

3.4 陣風(fēng)流場校測

圖10為來流風(fēng)速40 m/s、葉片擺角8°、擺動頻率8 Hz，校測位置高度為1.75 m，沿風(fēng)洞軸線為1.2， 3.6，6 m的3個點(diǎn)，熱線探針分別在3個點(diǎn)獲得的陣風(fēng)場頻域曲線。從圖中可看出，3個點(diǎn)上的主頻都非常明顯，表明在測量范圍內(nèi)正弦流場都較均勻。此外，由獲得陣風(fēng)幅值可見，與葉片距離越大，陣風(fēng)幅值越小，最小的陣風(fēng)幅值為3.98 m/s。

圖10 陣風(fēng)流場葉片擺動方向頻域曲線

圖11為來流風(fēng)速70 m/s、葉片擺角4°，校測位置高度為1.75 m，沿風(fēng)洞軸線6 m處的點(diǎn)，3組葉片擺動頻率由下至上設(shè)置為2，3，4 Hz，由曲線可見，各葉片擺動主頻很明顯，表明該發(fā)生器葉片一次運(yùn)動中獨(dú)立采用不同頻率，就可模擬多頻率成分的陣風(fēng)。

圖11 葉片組合頻率運(yùn)動

4 結(jié)論

通過FL-51風(fēng)洞電液陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計和測試研究，可以得出以下結(jié)論：

(1) FL-51風(fēng)洞電液陣風(fēng)發(fā)生器設(shè)計合理，采用液壓伺服擺動缸驅(qū)動單獨(dú)葉片的獨(dú)特設(shè)計方式，可以實(shí)現(xiàn)高頻的葉片波形控制，實(shí)現(xiàn)陣風(fēng)模擬；

(2) 通過采用同步驅(qū)動控制模式，發(fā)生器同步控制精度高，可實(shí)現(xiàn)不同葉片同步驅(qū)動，又具備不同葉片分別驅(qū)動能力。具有較強(qiáng)的陣風(fēng)模擬能力，可形成隨機(jī)波、正弦波及三角波等多種陣風(fēng)波形組合運(yùn)動，大大滿足了各型號試驗(yàn)的需求。