系統(tǒng)仿真技術(shù)在風(fēng)洞控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

單永正

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司空氣動(dòng)力研究院,黑龍江哈爾濱 150001)

0 概述

在系統(tǒng)仿真技術(shù)當(dāng)中,“系統(tǒng)”主要是由一些存在密切關(guān)聯(lián),且具備特定功能的子系統(tǒng)組合而成。而系統(tǒng)模型則是利用定量方法對(duì)系統(tǒng)特征及其變化規(guī)律進(jìn)行反映的載體。是人們對(duì)事物進(jìn)行認(rèn)識(shí)的重要手段之一。而由于控制系統(tǒng)是借助數(shù)字模型來實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真的,所以,系統(tǒng)建模會(huì)對(duì)仿真結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性造成直接的影響。而系統(tǒng)仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn),實(shí)際就是結(jié)合控制系統(tǒng)給出的函數(shù)描述進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)空間進(jìn)行描述,對(duì)于系統(tǒng)仿真技術(shù)而言,其實(shí)現(xiàn)問題就要更加具體,需要對(duì)一次模型化獲得的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將其變?yōu)槟軌蛟谟?jì)算機(jī)當(dāng)中運(yùn)行的模型,可以將這一環(huán)節(jié)當(dāng)做是二次模型化處理。

對(duì)于風(fēng)洞而言,六自由度控制坐標(biāo)移測(cè)架以及模型姿態(tài)控制系統(tǒng)是較為常用的風(fēng)洞控制系統(tǒng),能夠?yàn)橄嚓P(guān)課題的研究與試驗(yàn)提供有力支持。但就目前我國(guó)的風(fēng)洞控制系統(tǒng)應(yīng)用情況來看,還存在試驗(yàn)?zāi)芰σ约霸囼?yàn)效率不高的情況,同時(shí),在系統(tǒng)維護(hù)方面,對(duì)于故障難以實(shí)現(xiàn)在線診斷,導(dǎo)致故障維修工作往往會(huì)對(duì)人力、物力造成大量的消耗,甚至?xí)诱`試驗(yàn)任務(wù)的完成時(shí)間,而想要對(duì)這種情況加以改善,還需要相關(guān)領(lǐng)域在風(fēng)洞控制系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,通過該項(xiàng)技術(shù)能夠使風(fēng)洞綜合試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫接行У靥嵘?因此,有必要針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。

1 仿真研究流程

從本質(zhì)上來看,系統(tǒng)仿真技術(shù)其實(shí)就是對(duì)仿真模型進(jìn)行構(gòu)建和試驗(yàn)的技術(shù),其主要被當(dāng)作一種研究和檢驗(yàn)方法在系統(tǒng)研究中進(jìn)行使用,對(duì)于事物的研究是通過相似類比關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的,具體研究流程如下:

第一,建模階段。需要結(jié)合研究目的、檢驗(yàn)知識(shí)以及觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,在明確各項(xiàng)要素的參數(shù)以及數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系以后,即可建立與系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)邏輯模型。

第二,模型變換階段。需要結(jié)合仿真的目的、原始的數(shù)學(xué)邏輯模型和計(jì)算機(jī)類型,對(duì)原始模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使其能夠變?yōu)檫m合通過計(jì)算機(jī)處理的模型形式,而這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的前提條件。

第三,要對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行科學(xué)的編制,并對(duì)模型進(jìn)行導(dǎo)入,使其能夠在計(jì)算機(jī)當(dāng)中運(yùn)行,相關(guān)工作人員需要通過計(jì)算機(jī)對(duì)模型運(yùn)行期間的各項(xiàng)變量變化進(jìn)行詳細(xì)地記錄,并結(jié)合運(yùn)行結(jié)果完成模型的驗(yàn)證工作。在最后根據(jù)試驗(yàn)的相關(guān)要求,給出相應(yīng)的報(bào)告。

2 系統(tǒng)仿真技術(shù)在風(fēng)洞控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

2.1 在模型姿態(tài)控制系統(tǒng)方面

2.1.1 工作原理

該系統(tǒng)主要是以直流伺服單元以及Mode15650A位置控制板面為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)位置、電流以及轉(zhuǎn)速三閉環(huán)控制的系統(tǒng)。

2.1.2 技術(shù)應(yīng)用

為了使系統(tǒng)具有更高的可靠性,并提升其自診斷能力,可以通過系統(tǒng)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線仿真功能,利用仿真,能夠在無(wú)負(fù)載狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行全面的測(cè)試,包括操作性能測(cè)試、安全性測(cè)試以及系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試等,除此之外,還能對(duì)控制系統(tǒng)性能及其狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。這不僅能夠?qū)㈤_發(fā)周期有效縮短,還能避免測(cè)試次數(shù)過多,對(duì)機(jī)械設(shè)備造成太大的損耗。而這需要在硬件設(shè)計(jì)中增加信號(hào)檢測(cè)板以及多路模擬碼盤信號(hào)板。這樣可以在系統(tǒng)仿真期間,對(duì)直流伺服電機(jī)當(dāng)中輸出的碼盤信號(hào)進(jìn)行模擬。而在實(shí)際運(yùn)行中,速度指令信號(hào)會(huì)從Mode15650A位控板面當(dāng)中輸出,并在V/F變換整形以后變?yōu)榫哂刑囟l率特征的方波信號(hào),該信號(hào)會(huì)通過移相轉(zhuǎn)換成兩路方波信號(hào),而這兩路方波信號(hào)的相差為90°。主要被作為檢測(cè)元件脈沖編碼器信號(hào)的模擬仿真信號(hào),而信號(hào)最終會(huì)向Mode15650A位控板進(jìn)行反饋,最終達(dá)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(fù)載的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,這不僅能夠保證系統(tǒng)調(diào)試的安全性,還能降低調(diào)試工作的資源消耗。而且在此基礎(chǔ)上,還能提高調(diào)試工作的速度,將系統(tǒng)研發(fā)周期有效縮短;第二,在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正式使用以后,能夠獲得相應(yīng)的仿真報(bào)告,對(duì)控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)以及分析結(jié)果進(jìn)行報(bào)告;第三,在系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題時(shí),能夠利用仿真功能進(jìn)行故障檢測(cè),可以有效提高故障檢測(cè)及維修的效率。

2.2 在六自由度移測(cè)架控制系統(tǒng)方面

2.2.1 移測(cè)架系統(tǒng)的具體工作原理

具體如圖1所示,首先,計(jì)算機(jī)會(huì)向HY-6120進(jìn)行控制指令的發(fā)送,而HY-6120會(huì)結(jié)合指令內(nèi)容對(duì)繼電器的運(yùn)行進(jìn)行驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)人工按鍵的模擬,而運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)則會(huì)經(jīng)由計(jì)算機(jī)串口向3 M 系統(tǒng)發(fā)送。

在角位移控制方面,計(jì)算機(jī)主要是借助PCL-839電機(jī)控制板面來實(shí)現(xiàn)的,PCL-839能夠提供三個(gè)脈沖發(fā)生器,且這些發(fā)生器具有相互獨(dú)立的特點(diǎn),能夠?qū)θ齻€(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同時(shí)的控制,與此同時(shí),可以單獨(dú)設(shè)置各軸的輸出方式、運(yùn)動(dòng)模式以及運(yùn)行速度。

圖1 移測(cè)架工作原理Fig.1 Working principle of mobile measuring frame

六自由度數(shù)控坐標(biāo)移測(cè)架本身具有較強(qiáng)的整體性,該系統(tǒng)中角位移子系統(tǒng)以及3 M 子系統(tǒng)通過統(tǒng)一協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)線位移系統(tǒng)以及角位移系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)。除此之外,其可以對(duì)運(yùn)行優(yōu)先級(jí)以及線位移補(bǔ)償進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。但想要對(duì)相關(guān)試驗(yàn)需求加以滿足,還需要運(yùn)動(dòng)控制過程具有較高的靈活性,所以,移測(cè)架系統(tǒng)從運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)入手,進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化,同時(shí),在系統(tǒng)控制軟件方面對(duì)多線程設(shè)計(jì)進(jìn)行了應(yīng)用,有效提升了運(yùn)行控制過程的可靠性和靈活性[2]。

2.2.2 仿真技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

雖然移測(cè)架系統(tǒng)具有較高的性能,但其在運(yùn)行安全方面仍然需要進(jìn)行不斷地提升,因?yàn)?在傳統(tǒng)的尾流場(chǎng)試驗(yàn)以及CTS試驗(yàn)當(dāng)中,容易出現(xiàn)碰撞問題,使得探針或者是天平被損壞,而以仿真技術(shù)作為基礎(chǔ),不僅可以將碰撞問題解決,還能夠?qū)\(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行自動(dòng)地尋找[3]。

2.3 對(duì)虛擬及抽象場(chǎng)景的模擬

想要對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建,還需要針對(duì)模型幾何外形進(jìn)行簡(jiǎn)化抽象處理,由于模型的幾何外形較為復(fù)雜,如果根據(jù)模型外形的實(shí)際情況進(jìn)行虛擬建模,會(huì)大大提升數(shù)據(jù)處理量,而且還會(huì)提升算法的復(fù)雜程度。當(dāng)然,最為重要的就是在精度方面難以與實(shí)際外形完全一致。所以,在對(duì)模型幾何外形實(shí)施抽象處理時(shí),具體應(yīng)該堅(jiān)持以下原則:

第一,應(yīng)按照立方體的形式對(duì)模型進(jìn)行分解,并向模型實(shí)際外形貼近;第二,除了要根據(jù)模型的實(shí)際尺寸對(duì)立方體的尺度進(jìn)行考慮以外,還要對(duì)試驗(yàn)精度方面的要求保持注意,一切工作都應(yīng)該以安全為前提;第三,要將抽象體自身的坐標(biāo)系中心與立方體中心對(duì)應(yīng)。

在模型完成抽象處理以后,需要在試驗(yàn)以前對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行仔細(xì)的構(gòu)造,要將現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)抽象物的數(shù)據(jù)信息全部導(dǎo)入至計(jì)算機(jī)當(dāng)中,以此來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的可視化處理。對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的事物姿態(tài)運(yùn)算以及三維顯示, 可以對(duì)OpenGL等技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,進(jìn)而在構(gòu)架虛擬場(chǎng)景的過程中實(shí)現(xiàn)可視化建模[4]。

2.4 路徑探測(cè)及碰撞檢測(cè)

對(duì)于移測(cè)架運(yùn)行而言,可以對(duì)其碰撞檢測(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,將其轉(zhuǎn)換為二維平面中的碰撞問題進(jìn)行檢測(cè),而在此過程中,針對(duì)測(cè)量平面上的模型投影進(jìn)行計(jì)算是實(shí)現(xiàn)模型碰撞準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)。在對(duì)模型進(jìn)行抽象處理,實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建的同時(shí),需要結(jié)合試驗(yàn)的相關(guān)要求,將測(cè)量點(diǎn)平面作為投影平面,然后對(duì)模型在投影平面后面的部分展開計(jì)算,獲得投影區(qū)域,簡(jiǎn)單地說就是,在移測(cè)架運(yùn)行期間,如果與投影區(qū)域或者是邊緣部分任何一點(diǎn)發(fā)生重合,都代表發(fā)生了碰撞[5]。

路徑探測(cè)的首要任務(wù)就是對(duì)相應(yīng)的圖或者是網(wǎng)格進(jìn)行構(gòu)建,然后在涵蓋投影的矩形中進(jìn)行等密度取點(diǎn),同時(shí)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行連接,獲得所需的網(wǎng)格。并將涵蓋在投影當(dāng)中的點(diǎn)以及連接去除,需要注意的是,和投影區(qū)域存在相交關(guān)系的連接也要去除,最后獲得一個(gè)能夠用于最短路徑計(jì)算的無(wú)向圖,針對(duì)該圖按照起點(diǎn)到終點(diǎn)的順序進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷,即可獲得移測(cè)架運(yùn)動(dòng)的最短路徑。當(dāng)然,這種探測(cè)最短路徑的方法在應(yīng)用時(shí)必須要對(duì)網(wǎng)格密度進(jìn)行合理的選擇,如果網(wǎng)格密度過高會(huì)使計(jì)算工作量大大提升,影響系統(tǒng)測(cè)試的實(shí)時(shí)性,而如果密度過低,則會(huì)影響部分路徑的連通效果,導(dǎo)致移測(cè)架難以運(yùn)動(dòng)到指定的點(diǎn)。具體需要結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)七孔探針直徑進(jìn)行合理的選擇,同時(shí)要保留相應(yīng)的安全距離,并在此基礎(chǔ)上確定網(wǎng)格最小密度。具體工作流程為:第一,對(duì)兩點(diǎn)是否存在直接連通關(guān)系進(jìn)行判斷,如果連通則可以直接開始運(yùn)行,如果不直接連通,則需要先按照5 0m m 的密度取點(diǎn),并對(duì)最短路徑進(jìn)行計(jì)算,如果無(wú)法獲得,需要增加點(diǎn)密度,直到能夠獲得最短路徑[6]。

2.5 在風(fēng)洞試驗(yàn)方面的應(yīng)用

在流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)中的應(yīng)用。在對(duì)障礙物進(jìn)行躲避時(shí),應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)量方式主要是結(jié)合模型情況進(jìn)行截面分割,將其分為多個(gè)小區(qū)域以后,再分別進(jìn)行測(cè)量,但這種方法會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理工作過于復(fù)雜,且要避免各截面出現(xiàn)相對(duì)位置混淆的情況,因此會(huì)對(duì)試驗(yàn)效率造成巨大的影響。而利用系統(tǒng)仿真技術(shù),則可以一次給出測(cè)量截面,控制程序能夠?qū)y(cè)量區(qū)域中的障礙物進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),并結(jié)合實(shí)際對(duì)運(yùn)行路徑進(jìn)行合理的選擇,而這不僅會(huì)將數(shù)據(jù)處理工作有效減少,還能使試驗(yàn)效率得到相應(yīng)的提升。

在CT S試驗(yàn)中的應(yīng)用。該試驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性,主要是由于目標(biāo)點(diǎn)存在不確定性,所以很多時(shí)候都不能確定投放物是否會(huì)在下一點(diǎn)和母機(jī)發(fā)生碰撞,傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法是通過人工的方式對(duì)下一點(diǎn)的可行性進(jìn)行逐個(gè)的計(jì)算和判斷,但這樣顯然無(wú)法保證試驗(yàn)效率,而在風(fēng)洞控制系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,則可以對(duì)碰撞檢測(cè)工作進(jìn)行有效地落實(shí),其可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的碰撞概率進(jìn)行自動(dòng)的檢測(cè),能夠在確保試驗(yàn)安全的同時(shí),將試驗(yàn)效率有效提升[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在風(fēng)洞控制系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,能夠進(jìn)一步提高風(fēng)洞控制系統(tǒng)的檢測(cè)效果,這對(duì)于系統(tǒng)性能的提升以及系統(tǒng)的有效應(yīng)用具有非常積極的作用,因此,相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該對(duì)該項(xiàng)技術(shù)保持高度的重視,在對(duì)其進(jìn)行深入研究的同時(shí),進(jìn)行合理的應(yīng)用,從而為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供支持。