一種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下自主航行器的流體力學(xué)及控制領(lǐng)域，本發(fā)明屬于涉及超空泡航行體的水洞試驗(yàn)仿真技術(shù)和超空泡航行體的運(yùn)動控制技術(shù)的，一種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超空泡航行體是一種借助在水下航行體周圍形成完整氣泡層從而實(shí)現(xiàn)隔絕航行體表面和流體接觸，達(dá)到減小航行體所受流體阻力并實(shí)現(xiàn)加速目的的水下航行體。
[0003]水洞試驗(yàn)是一種在循環(huán)或重力水洞中對研究對象的模型或縮比模型進(jìn)行流體和控制方面的測試和研究的試驗(yàn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下航行體或其他水下部件的測試和研究中。
[0004]曹偉等在2012年發(fā)表的“基于循環(huán)水洞設(shè)備的超空泡創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究”(2012:67-70)給出了循環(huán)水洞超空泡航行體流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本流程和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男问?；JohnDzielski等在2012年發(fā)表了“Planing-Hull Forces and Moments on a CylindricalBody in a Cavi ty”( CAV2012，928-932)其在實(shí)驗(yàn)中令模型尾部可有限運(yùn)動；ArnarHj art ar son在 20 I 2年發(fā)表的 “Exp er i men t a I Study of Control Laws forSupercavitating Vehicles”中給出了一種空化器實(shí)時可控的超空泡縮比模型。以上文獻(xiàn)可見，目前在超空泡航行體的水洞試驗(yàn)中，所廣泛使用的航行體的縮比模型均為通過固定翼型固連在水洞蓋板上(只有模型的部分部件可以進(jìn)行小幅的運(yùn)動)，通過充氣和高速水流等手段使得超空泡航行體的縮比模型周圍產(chǎn)生空泡，以此對不同條件下的空泡的形態(tài)和其他的流體和控制特性進(jìn)行測試和研究。以上水洞試驗(yàn)所采用的超空泡航行體的縮比模型，由于其固連在水洞蓋板上，好處是能夠在水流沖擊中保持姿態(tài)不變，可適用于多數(shù)流體力學(xué)特性的測試試驗(yàn)，缺點(diǎn)是，其不能在水流沖擊時改變自身姿態(tài)，只能通過多組固定姿態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過公式換算的方法模擬航行體在改變姿態(tài)時特性，不能直觀的、全面的對超空泡航行體在姿態(tài)動態(tài)改變時的流體力學(xué)和控制特性進(jìn)行反應(yīng)。由于超空泡航行體的控制類試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)是超空泡航行體在姿態(tài)動態(tài)改變時所受的力及其他流體和結(jié)構(gòu)特性，所以以上文獻(xiàn)所給出的這種固定姿態(tài)超空泡航行體的縮比模型及其相應(yīng)結(jié)構(gòu)，無法滿足超空泡航行體的控制相關(guān)試驗(yàn)的要求。目前，尚未見到能夠?qū)Τ张莺叫畜w的模型的姿態(tài)進(jìn)行自主控制，并能對某些控制算法進(jìn)行驗(yàn)證的水洞用超空泡航行體的模型或相關(guān)的姿態(tài)控制裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單的超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置。本發(fā)明的目的還包括提供一種控制效果好的，超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制方法。
[0006]—種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制裝置，包括控制計(jì)算機(jī)1、電機(jī)控制器2、兩個電機(jī)、兩個電機(jī)固定支架、密封件5、傳動鋼絲繩6、連接件7、支撐鉸鏈8、安裝翼型9、超空泡航行體的縮比模型10、水洞上蓋板11和水洞下蓋板12;
[0007]超空泡航行體的縮比模型10位于水洞中，超空泡航行體的縮比模型10通過模型后部連接板上的支撐鉸鏈8與安裝翼型9的底端連接，安裝翼型9與水洞上蓋板11固連，傳動鋼絲繩6通過連接件7與超空泡航行體的縮比模型10的后部連接板固連，傳動鋼絲繩6的一端通過安裝翼型9后連接在一個電機(jī)的軸上，傳動鋼絲繩6的另一端穿過水洞下蓋板12的過孔連接在另一個電機(jī)的軸上，過孔使用密封件5保持水密，密封件5不影響鋼絲繩6的運(yùn)動;兩個電機(jī)分別通過一個電機(jī)固定支架固定，且獨(dú)立于水洞;兩個電機(jī)均與電機(jī)控制器2連接，電機(jī)控制器2與計(jì)算機(jī)連接。
[0008]一種超空泡航行體的水洞試驗(yàn)用模型的姿態(tài)控制方法，
[0009]在進(jìn)行水洞試驗(yàn)之前，確定超空泡航行體的縮比模型俯仰姿態(tài)控制算法為:
[0010]a = 0+arc tan(X/Y)+5
[0011]其中模型轉(zhuǎn)動的俯仰角為α°，模型的俯仰角初始姿態(tài)為β°，誤差修正值為δ°；
[0012]根據(jù)姿態(tài)控制算法反推直線電機(jī)的運(yùn)動規(guī)律；
[0013]在水洞試驗(yàn)中，由控制計(jì)算機(jī)I發(fā)出控制指令，由電機(jī)控制器2接收指令并將其發(fā)送給電機(jī)，兩個電機(jī)通過同時反向轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，同時放出和拉伸傳動鋼絲繩6，鋼絲繩6通過連接件7和支撐鉸鏈8帶動與超空泡航行體的縮比模型O進(jìn)行繞支撐鉸鏈8為中心進(jìn)行的角運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)超空泡航行體的縮比模型10在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰運(yùn)動。
[0014]有益效果
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，彌補(bǔ)了現(xiàn)有水洞超空泡縮比模型都是與翼型完全固連，無法進(jìn)行可控姿態(tài)變化的缺點(diǎn)，本發(fā)明的控制裝置可以令模型模擬超空泡航行體的動態(tài)俯仰角運(yùn)動，為研究超空泡航行體運(yùn)動中的充氣超空泡模型的流體特性變化及后續(xù)的控制策略設(shè)計(jì)、分析和仿真試驗(yàn)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，且不影響其他固定翼型采用的實(shí)驗(yàn)裝置的安裝。
[0016]因此本專利設(shè)計(jì)了一種適用于水洞試驗(yàn)、姿態(tài)可控的超空泡航行體的縮比模型的姿態(tài)控制裝置，此裝置能按照設(shè)定的規(guī)律，使航行體模型在縱向平面內(nèi)進(jìn)行可控的變姿態(tài)運(yùn)動，可用于進(jìn)行相應(yīng)的流體動力分析和控制算法驗(yàn)證試驗(yàn)。
【附圖說明】
[0017]圖1可控變姿態(tài)超空泡縮比模型結(jié)構(gòu)簡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]本發(fā)明提供一種在水洞試驗(yàn)中，在縱向平面內(nèi)對超空泡航行體的縮比模型的姿態(tài)進(jìn)行動態(tài)控制的控制裝置。
[0020]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0021]本發(fā)明面向超空泡航行體水洞試驗(yàn)中的縮比模型的姿態(tài)控制裝置設(shè)計(jì)及相應(yīng)的控制方法。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)見圖1，其結(jié)構(gòu)包括1.控制計(jì)算機(jī);2.電機(jī)控制器;3.電機(jī);4.電機(jī)固定支架;5.密封件;6.傳動鋼絲繩;7.連接件;8.支撐鉸鏈;9.安裝翼型；10.超空泡航行體的縮比模型；11.水洞上蓋板;12.水洞下蓋板。
[0022]本發(fā)明針對以往水洞用超空泡縮比模型只能通過安裝翼型固定安裝，無法進(jìn)行俯仰方向的角運(yùn)動的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款能夠通過電機(jī)控制超空泡模型在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰角運(yùn)動的水洞用超空泡試驗(yàn)縮比模型的姿態(tài)控制裝置。
[0023]本發(fā)明描述的，在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰角運(yùn)動的水洞用超空泡航行體的縮比模型的姿態(tài)控制裝置的構(gòu)成和工作原理如下:
[0024]超空泡航行體的縮比模型10通過模型后部連接板上的支撐鉸鏈8與安裝翼型9連接，翼型9與水洞上蓋板11固連，支撐鉸鏈8與翼型9的底端鉸接;傳動鋼絲繩6通過連接件7與縮比模型10的后部連接板固連，要求傳動鋼絲繩6在縮比模型10的后部連接板上下兩側(cè)是在同一條水平線上;傳動鋼絲繩6通過翼型11和水洞下蓋板12的過孔與兩個電機(jī)3連接，過孔中均使用密封件5保持水密，要求密封件不能影響鋼絲繩6的運(yùn)動，且鋼絲繩6的兩端均固定且纏繞在電機(jī)3的軸上;兩個電機(jī)3通過電機(jī)固定支架4固定在固定位置，且獨(dú)立于水洞;兩個電機(jī)3均通過電機(jī)控制器2接收計(jì)算機(jī)I的指令，計(jì)算機(jī)I發(fā)出控制指令，通過電機(jī)控制器2同時命令兩個電機(jī)3的軸實(shí)時反向轉(zhuǎn)動，即在一個電機(jī)放出鋼絲繩6的同時另一個電機(jī)回收鋼絲繩6。
[0025]控制方法設(shè)計(jì):
[0026]若直線電機(jī)3通過電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動，放出(收回)的鋼絲繩6的長度為X米，
[0027]當(dāng)水洞下蓋板12下側(cè)電機(jī)收回、水洞上蓋板11上側(cè)電機(jī)放出鋼絲繩6時為正，反之為負(fù)；則模型繞支撐鉸鏈8中心點(diǎn)為軸心，轉(zhuǎn)角順時針為負(fù)，逆時針為正;則模型俯仰姿態(tài)控制公式如下:
[0028]a = 0+arc tan(X/Y)+5 ； (1.1)
[0029]其中模型轉(zhuǎn)動的俯仰角為α°，模型的俯仰角初始姿態(tài)為β°，誤差修正值為，由于電機(jī)、鋼絲繩選用及安裝的原因，需安裝后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)，并估計(jì)修正值δ。
[0030]本發(fā)明的工作原理是:首先由試驗(yàn)?zāi)康?，決定超空泡航行體的縮比模型在縱向平面內(nèi)需要進(jìn)行的姿態(tài)角運(yùn)動規(guī)律，通過公式(1.1)推導(dǎo)出兩個電機(jī)3的運(yùn)動規(guī)律，在控制計(jì)算機(jī)I中根據(jù)得到運(yùn)動規(guī)律編程，試驗(yàn)中由控制