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支杆式风洞模型主动振动抑制控制方法研究

刘伟国  
【摘要】:在跨声速风洞试验中,试验模型通常采用支杆尾撑方式,导致系统整体刚度较低,在进行大攻角试验时,由于气流脉动载荷的作用,模型极其容易产生低频大幅度振动,直接影响风洞试验的安全性和数据的准确性。在模型支杆系统振动抑制方法中,主动抑振方法更具研究价值和应用前景。本文在分析支杆主动振动抑制原理的基础上,选用外套式主动抑振器,提出了基于PID控制理论和模糊控制理论的四种控制算法,构建了实时控制系统,通过地面对比实验和地面温降实验,对支杆式风洞试验模型主动振动抑制控制方法进行研究。(1)首先针对某型号风洞模型支杆系统,分析支杆式风洞模型主动抑振原理,明确支杆式风洞模型主动抑振系统的特性与主动控制的难点,根据特性与难点分析主动振动抑制控制系统对控制算法的要求,针对系统需求提出了基于模糊控制理论和PID控制理论的四种控制算法。(2)结合国内某型号风洞试验模型支杆系统振动特性,基于四种控制算法,本文设计了PID控制器、模糊控制器、模糊PID复合控制器和模糊自适应PID控制器,通过数值仿真对四种控制器的主动振动抑制控制性能进行理论验证。(3)选取模型定常载荷100N和150N,采用激振实验方法,探究PID控制器、模糊控制器与模糊PID复合控制器各自的控制性能,得到模糊PID复合控制器的控制性能优于PID控制器和模糊控制器;选取18种模型定常载荷(100N-185N),探究模糊PID复合控制器和模糊自适应PID控制器的控制性能和自适应性能,得到剩余振幅比例和调整时间两项控制主要性能指标上,模糊自适应PID控制器均优于模糊PID复合控制器的结论,与数值仿真结果一致。模糊自适应PID控制器剩余振幅比例最小达到8.35%,调整时间最小达到0.3s。(4)利用低温环境箱搭建主动抑振器地面温降实验平台,在15。至-30。温度范围内,采用阶跃响应实验方法和锤击实验方法,研究模型支杆系统和主动抑振器的温降特性,同时验证模糊自适应PID控制器温降时的控制性能和自适应性能。实验结果表明:随着环境温度下降,模型支杆系统阻尼比和固有频率逐渐增大,主动抑振器阶跃响应逐渐减小;同时,环境温度下降时,在模糊自适应PID控制器的控制下,主动抑振器工作时的系统阻尼比随温度降低波动范围较小,说明模糊自适应PID控制器在环境温度大幅度降低时仍能够保持较好的控制性能,具有良好的自适应性能。


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