专利名称：风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风洞气动测试技术，具体涉及一种风洞连续变角度运动测力试验数据米集系统。
背景技术：
风洞试验是一种快速、经济和准确的空气动力研究方法，在军机和民机的研制与改型过程中，需要在风洞中进行大量的测力试验，对提高试验效率，降低试验成本有着极为迫切地需求。以往的风洞常规测力实验是由气动人员预先制定一些实验角度，控制机控制角度机构按顺序行走到对应的位置，等待模型稳定后，采集此位置的实验数据。之后再走到下一个位置，重复上面过程直到结束实验。这种实验方式的缺点是实验点数少，不容易观察气动力突变的规律，试验效率低。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统。采用这种系统，利于空气动力研究人员掌握整个试验过程，能够提高气动力分析的完整性和准确性。本实用新型的目的是这样实现的一种风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统，包括上位机、控制卡、驱动器、伺服电机、PLC计数器和VXI数据采集系统，其特征在于上位机连接控制卡，控制卡连接驱动器，驱动器连接伺服电机，伺服电机上的编码器的输出端通过继电器与PLC计数器输入端连接，PLC计数器的输出端与VXI数据采集系统连接；上位机通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号传输到伺服电机，从而实现伺服电机的控制；同时伺服电机反馈的信号回送到驱动器，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器中，PLC计数器从给定点开始计数，PLC计数器等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。本发明是在试验要求测量的角度范围内，模型姿态角以一定的速率连续变化，与此同时，数据采集系统连续采集被测参数，采集的大量数据按特定的规律进行挑选、处理，从而得到所要求的角度下的各被测参数。采用这种试验技术，利于空气动力研究人员掌握整个试验过程，能够提高气动力分析的完整性和准确性。同时，提高试验效率，节约成本。连续变姿态角测量法是指一次风洞试验过程中，在要求测量的姿态角范围内，模型姿态角以一定的速率连续变化，与此同时，用高采样频率数据采集系统连续地采集被测参数，然后通过计算机对采集的大量数据进行复杂的计算、挑选、处理，从而得到要求姿态角下的各被测参数。其优点体现在以下方面①极大地缩短试验时间。测力试验常规采集方式每次采集数据之前，均需模型静止一段时间，以减弱模型抖动，而连续采集则无此等待时间。②获得更精细的试验数据。连续测量可得到所测姿态角范围内的任意一个姿态角和任意姿态角间隔的试验数据。③通过调节模型姿态角的角速度，既能获得可以忽略角速度影响的定常气动数据，也可以获得反映模型大迎角迟滞效应的气动数据，更接近飞机真实飞行状态的气动力特性。本发明将一改以往的定点测量现状，采集系统跟随机构由起始角度连续采集至终止角度，得到大量的试验数据。本发明不仅大大提高工作效率，节约成本(进气道等喷气试验尤为显著)，而且能够获得试验全程的真值，某些气动力突变的规律在试验测量中直接捕获，无需通过插值计算近似获得。这必将减少计算带来的误差和其他错误，从而提高气动分析的完整性和准确性。
图1为本实用新型的结构方框图。
具体实施方式
以下结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1结合图1，本发明一种风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统，包括上位机1、控制卡2、驱动器3、伺服电机4、PLC计数器5和VXI数据采集系统6，上位机连接控制卡2，控制卡2连接驱动器3，驱动器3连接伺服电机4，伺服电机4上的编码器的输出端通过继电器与PLC计数器5输入端连接，PLC计数器5的输出端与VXI数据采集系统6连接；上位机I通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡2，控制卡2输出相应脉冲到驱动器中3，经驱动器3解码成交变信号传输到伺服电机4，从而实现伺服电机4的控制；同时伺服电机4反馈的信号回送到驱动器3，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器5中，PLC计数器5从给定点开始计数，PLC计数器5等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统6，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。实施例2本发明依托风洞现场总线系统，由控制机构发送代表当前角度的脉冲信号对VXI采集系统进行触发采集，从而完成连续测力试验。试验可以一次从起始角度连续采集至结束角度，测得大量的实验数据，得到所测角度范围内任意一个角度和角度间隔的试验数据，能够反应整个实验过程。以尾撑标模实验为例(行走角度为-4° 20° )，定点阶梯式采集角度间隔2°，实验点数13点，机构行走速度为2° /秒。角度到位稳定时间2秒，采集时间2秒，电机启动和停止以及网络延迟等时间，预计试验时间不小少1. 5分钟；而采用连续变角度运动测力假设机构的运行速度O. 5° /秒，外加启动时间，50秒既能完成试验。几乎可以省一半的时间，如采用1° /秒的速度节约试验时间的优势就更加明显了。此种测力方式为，控制系统按比例发出一系列表征当前模型位置的脉冲，此脉冲触发采集系统进行连续采集，根据脉冲可计算出当前的模型角度。角位置脉冲，可以由控制模型姿态变化的伺服电机获得。伺服电机的编码器输出的A、B相脉冲，接入PLC可编程控制器的高速计数器输入端，由PLC进行分频驱动输出，分频比和初始脉冲位置由上位机软件给定。输出脉冲送入VXI采集系统采集系统同步进行采集。[0014]由于机构启停有较大的惯性力，考虑到此阶段测试的数据必然存在抖动等因素。所以，系统设计中要保证测试数据在机构是平稳时获得的，也就是说，试验中模型角度测试范围要包涵在模型的真实运动之中。例如假设试验名义测试角度是-4° 16°，那么模型的运动范围要设置为-5° 17°，处理脉冲位置设计从-4°开始至16°。试验过程先把模型走到-5°，设置好分频比和初始脉冲位置即-4°位置，设置VXI外触发并启动采集，行走角度机构，系统将自行在-4° 16°之间发出触发信号进行采集，当角度机构运行完毕，即完成了静矩的采集。同理，再次将模型走到-5°，复位计数器并重新设好分频比和初始脉冲位置，启动VXI外触发采集，启动风速电机，待风速达到给定值时运行该控制机构，VXI进行采集，采集完成后形成有风载数据，该次试验完成。在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，角度之间相当密集。另外，由于运动过程中模型可能抖动，气流也可能在脉动，此时采集的数据可能有的波动，并不能真实的反映当前状态。这时，选取试验点前后的一定点数进行平均，作为当前点的试验数据显然更加合理。而不同模型，不同的机构平均点数的选取的合理性还需就试验的具体情况而定。当然，为了获取更好的试验数据，数字滤波、平滑滤波等后期的处理也必不可少。实施例3—.系统设备使用硬件电机(松下1000W)PLC可编程控制器(西门子224XP)VXI采集系统软件操作系统Windows XP, VB6. O, PLC (St印6. O)二.整个系统和方法的实现过程首先，编制“角度控制程序”(使用VB编程语言)，实现电机的控制，完成模型角度机构的变化。从程序界面上给出要控制的设备节点号、电机行走的角度值，电机行走的速度，然后通过计算形成字节变量送入驱动器。步骤二 编制PLC计数器的计数过程与扫描工作的“底层用户程序”(S7-200环境下编程，此程序可由编程向导直接生成，只根据需要改变参数即可)，实现高速计数。程序调试成功后下载到PLC内部，接受上位机的调用。在上位机上编制“计数器分频程序”(使用VB编程语言)，用以与之上的PLC的底层用户程序的通讯，此程序可根据试验要求随时输入试验的起始点和采集间隔。也就是说平时我们对PLC的操作是通过这个程序实现的。因为，PLC底层程序一旦下载到PLC中就固化在PLC的CPU中，它的功能的实现是上位程序与其通讯实现的。采用VB编制的上位程序是开放的，通过从上位程序的界面输入控制计数器的具体参数即起始点和采集间隔。步骤三软件编制完成后，开始硬件的连接。(I)在PLC输出端O.1接入一个继电器，继电器的两组开关触点分别接模型的迎角控制电机和侧滑角控制电机，这样可根据试验要求程控选择指定姿态角的连续测力。(2)从控制电机的编码器中将A/B相正交信号截�。簿褪谴臃蠢〗涌谥写鞟\B的芯柱引出线接入PLC计数器输入端的O. 3、O. 4触点上；
(3)从PLC计数器输出端O. O触点引出脉冲信号连接到VXI系统外触发接口处。整套系统的工作过程即为系统利用PLC计数器输出端O.1接入一个继电器搭建一个开关量来切换模型的迎角和侧滑角机构，在同一套PLC中实现程控制选择纵向、横向两套机构分别进行连续测力；PLC计数器输入端接受电机编码器的A/B交变信号，产生相位差，根据相位差来进行高速计数；PLC计数器输出端根据对PLC计数器的编程按要求输出等间隔脉冲(即分频的过程)触发VXI系统进行连续测力各分力的采集，采集过程直至模型停止运动即模型姿态角行走完全程。步骤四数据处理连续采集完毕，进行数据处理，分析采用该种测试在进行连续变角度运动测力数据采集时，每个角度信号只采集一次，角度之间相当密集；另外，由于运动过程中模型可能抖动，气流也可能在脉动，此时采集的数据可能有的波动，并不能真实的反映当前状态，因此在进行数据处理时，首先选取试验点前后的一定点数进行平均，之后进行数字滤波、平滑滤波，这样形成较为合理的数据结果，提供给气动进行分析。总结风洞试验过程模型安装完毕，硬件依照步骤三连接完毕，开始试验。在上位机上运行“角度控制程序”、“计数器程序”和“VXI采集程序”。“角度控制程序”给定的模型机构的运行速度和行走角度数值；“计数器程序”给出起始位置值和采集间隔；νχι采集系统给出采集点数。然后，尽量达到同时启动以上三程序“计数器程序”、“角度控制程序”、“VXI采集程序”。则模型姿态角经由“角度控制程序”开始变化并发出脉冲给PLC，PLC开始进行高速计数并进行分频，分频后的脉冲触发VXI进行采集，采集后的数据存储于本机或网络上任一台机器，数据经平均和滤波等处理形成的较为合理的数据交付气动人员进行气动分析。
权利要求1.一种风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统，包括上位机、控制卡、驱动器、伺服电机、PLC计数器和VXI数据采集系统，其特征在于:上位机连接控制卡，控制卡连接驱动器，驱动器连接伺服电机，伺服电机上的编码器的输出端通过继电器与PLC计数器输入端连接，PLC计数器的输出端与VXI数据采集系统连接；上位机通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号传输到伺服电机，从而实现伺服电机的控制；同时伺服电机反馈的信号回送到驱动器，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器中，PLC计数器从给定点开始计数，PLC计数器等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存 到VXI数据采集系统。
专利摘要风洞连续变角度运动测力试验数据采集系统，包括上位机、控制卡、驱动器、伺服电机、PLC计数器和VXI数据采集系统，上位机通过主控程序计算出控制的脉冲量，将其送入控制卡，控制卡输出相应脉冲到驱动器中，经驱动器解码成交变信号传输到伺服电机，从而实现伺服电机的控制；同时伺服电机反馈的信号回送到驱动器，在此分出一路反馈信号送入PLC计数器中，PLC计数器从给定点开始计数，PLC计数器等间隔输出脉冲触发VXI数据采集系统，从而采集风洞内模型的天平信号、风洞/室内温度信号和大气压力信号，采集结果保存到VXI数据采集系统。本系统减少了计算带来的误差和其他错误，提高气动分析的完整性和准确性。
文档编号G01M9/06GK202916068SQ20122054574
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者周志坚, 马晶, 刘立坤, 冯昕华, 闫永昌, 黄文吉, 杨伟毅, 张连河, 张伟, 王玲, 赵衍庭, 马飞, 徐龙金, 王萍, 张超, 贾成文, 刘畅 申请人:中国航空工业空气动力研究院
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