[发明专利]一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统

权利要求书

1.一种组合频率可变波形风洞试验突风生成系统，包括叶片摆动机构、驱动系统和控制系统，其特征在于，叶片摆动机构包括多组叶片、叶片转轴及叶片支撑，叶片支撑位于风洞内，多组叶片互相平行横贯风洞，每组叶片的两端分别通过叶片转轴安装在风洞中，每组叶片的中部与叶片支撑连接，驱动系统包括多台摆动式液压马达，每组叶片在风洞外的一端连接一个摆动式液压马达，独立进行驱动，控制系统用于分别控制多台摆动式液压马达，实现多组叶片按照设定的运动波形运动，从而对流过的气流产生一定波形和频率的扰动，实现实际飞行环境下的阵风模拟，控制系统采用闭环伺服控制，包括单通道位置伺服控制和多通道位置伺服控制，其中，摆动式液压马达的摆动缸的排量为：

D_m＝T_m/P_m (1)

D_m为液压摆动缸的单位弧度排量，T_m为动态扭矩需求，P_m为动态工作压力；

闭环伺服控制的控制模型分别如式(2)-(4)所示：

Q_L＝K_qx_v-K_cP_L (2)

P_LD_m＝J_ts²θ_m+B_msθ_m+T_l (4)

式中，Q_L-伺服阀的负载流量，K_q-伺服阀的流量增益，x_v-伺服阀的阀芯位移，K_c-伺服阀的流量压力系数，P_L-液压马达的两腔负载压降，D_m-液压马达的排量，s-拉普拉斯算子，θ_m-叶片运动角度，K_l-液压马达的泄漏系数，V_t-液压马达的负载容积，β_e-液压油有效弹性模量，J_t-液压马达转子和叶片的总转动惯量，B_m-负载粘性阻尼系数，T_l-气动负载力矩。

其中，单通道位置伺服控制采用了PID控制和基于干扰观测的位置控制，将叶片运动过程中的气动负载变化和未知负载都视为干扰，通过补偿环节进行补偿，干扰观测器是将外部干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型的输出差异，全部等效至控制输入端，即观测出等效干扰，在控制中引入等量的补偿，实现对干扰完全抑制，设G_P(s)为对象的传递函数，d为等效干扰，为观测干扰，u为控制输入，Q(s)为低通滤波器，名义模型G_n(s)的逆G_n^-1(s)来替代G_P^-1(s)，ξ为测量噪声，将u，d，ξ视为输入，由叠加原理，控制系统输出y为：

y＝G_UY(s)u+G_DY(s)d+G_ξY(s)ξ (5)

式中，G_UY(s)为U到Y的传递函数，G_DY(s)为D到Y的传递函数，G_ξY(s)为ξ到Y的传递函数；

由式(6)至(8)，首先，为使Q(s)G_n^-1(s)正，则Q(s)的相对阶应不小于G_n(s)的相对阶；其次，Q(s)带宽的设计：设Q(s)为理想的低通滤波器，即在低频段，当f≤f₀时，Q(s)＝1；在高频段，当f≥f₀时，Q(s)＝0；

则在低频时，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_n(s)，G_DY(s)＝0，G_ξY(s)＝-1 (10)

在高频段，Q(s)＝0，由式(6)至(8)，有：

G_UY(s)＝G_P(s)，G_DY(s)＝G_P(s)，G_ξY(s)＝0 (11)

其中，多通道位置伺服控制方法：

每个通道采用独立同等控制，对多个液压马达的位移进行互为补偿，采用一种交叉耦合同步控制结构，选择一个通道作为主运动通道，认为该通道的协同误差为0，其他通道的输出角度和主运动通道进行补偿，将两通道液压马达的角度进行求差，并将二者的差值反馈到前向通道，分别对液压缸的运行加以有效控制以达到减小同步偏差。