風(fēng)洞應(yīng)變天平動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)校正方法研究.pdf

1、隨著國防事業(yè)的發(fā)展和節(jié)能降耗的需要，風(fēng)洞試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)測試的需求越來越多，常規(guī)測力試驗(yàn)中對風(fēng)洞天平動(dòng)態(tài)特性的要求也越來越高。當(dāng)前，應(yīng)變天平在風(fēng)洞應(yīng)用中最為廣泛。然而，由于風(fēng)洞應(yīng)變天平采用一體化彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、阻尼比小、固有頻率低，致使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大且存在維間動(dòng)態(tài)耦合，從而無法滿足動(dòng)態(tài)測試的要求。針對該問題，本文主要研究了風(fēng)洞應(yīng)變天平的動(dòng)態(tài)特性及其在線和離線兩種動(dòng)態(tài)校正方法，包括風(fēng)洞應(yīng)變天平的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)建模與動(dòng)態(tài)特性分析、

2、時(shí)域動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、時(shí)域動(dòng)態(tài)解耦-補(bǔ)償、頻域動(dòng)態(tài)修正、頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正，并研制了風(fēng)洞應(yīng)變天平實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)，以改善天平的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)其動(dòng)態(tài)測試能力。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1).采用“加載頭-天平-支桿”系統(tǒng)來模擬風(fēng)洞試驗(yàn)中的“模型-天平-支桿”以研究風(fēng)洞應(yīng)變天平的動(dòng)態(tài)特性，并采用負(fù)階躍單元加載實(shí)驗(yàn)法對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，獲取天平的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評價(jià)其時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。
　　(2).引入多維傳感器輸出耦合模型來描述風(fēng)洞應(yīng)變

3、天平的輸入/輸出之間的關(guān)系，并采用基于OE模型預(yù)報(bào)誤差法的系統(tǒng)辨識方法辨識天平各通道模型，分析和評價(jià)天平的測量帶寬以及制約其動(dòng)態(tài)特性的主要因素。
　　(3).采用基于OE模型預(yù)報(bào)誤差法的系統(tǒng)辨識法辨識設(shè)計(jì)天平動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，并基于DSP研制風(fēng)洞應(yīng)變天平實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變天平的在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以降低天平的主通道動(dòng)態(tài)誤差，加快其響應(yīng)速度。
　　(4).提出串行迭代動(dòng)態(tài)解耦-補(bǔ)償方法，對天平輸出信號進(jìn)行先迭代動(dòng)態(tài)解耦，再動(dòng)

4、態(tài)補(bǔ)償，然后再對動(dòng)態(tài)解耦-補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行靜態(tài)關(guān)系重構(gòu)，從而同時(shí)降低應(yīng)變天平的維間動(dòng)態(tài)耦合干擾與主通道動(dòng)態(tài)誤差，并保持天平靜態(tài)特性不變。特別是將Jacobi、G-S和SOR迭代方法引入到了天平的動(dòng)態(tài)解耦中，并提出基于頻變松弛因子的SOR迭代方法以改善迭代解耦的收斂特性。
　　(5).研究應(yīng)變天平動(dòng)態(tài)誤差頻域修正方法，以通過離線處理的方式提高天平動(dòng)態(tài)誤差修正的精度。具體地，提出基于數(shù)據(jù)拼接預(yù)處理與頻響函數(shù)插值法的傳感器頻響函數(shù)計(jì)算方法和

5、基于高低頻信號分解與窗函數(shù)法的傳感器頻響函數(shù)計(jì)算方法，以解決基于傳感器階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取其頻響函數(shù)時(shí)存在的數(shù)據(jù)周期延拓邊沿問題與無效修正函數(shù)值問題;提出基于高低頻信號分解的傳感器動(dòng)態(tài)誤差頻域修正方法，以克服傳感器輸出信號頻域修正過程中存在的邊界混疊誤差與吉布斯效應(yīng)。
　　(6).研究應(yīng)變天平的頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正方法，以通過離線處理的方式提高天平維間動(dòng)態(tài)耦合干擾的解耦精度和主通道動(dòng)態(tài)誤差的修正精度。具體提出基于頻域參數(shù)矩陣

6、求逆法的頻域解耦-修正原理，以解決頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正中的關(guān)鍵問題;提出基于高低頻信號分解與靜態(tài)重構(gòu)的傳感器頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正方法，以克服頻域解耦-修正過程中存在的邊界混疊誤差與吉布斯效應(yīng)，并確保頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正不改變傳感器的靜態(tài)特性。
　　本文具體以六分量Φ10桿式風(fēng)洞應(yīng)變天平為例，驗(yàn)證了上述方法的有效性。研究結(jié)果表明:該天平由于動(dòng)態(tài)特性差導(dǎo)致其各通道階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為幾百毫秒至幾秒不等，超調(diào)量則高至100％以上，動(dòng)態(tài)耦合誤差高

7、至近100％，整體測量帶寬低于30 Hz;該天平經(jīng)時(shí)域串行迭代動(dòng)態(tài)解耦-補(bǔ)償之后，其調(diào)節(jié)時(shí)間被縮短到了15 ms以內(nèi)（縮短94％以上），超調(diào)量被降低到了5％以內(nèi)，力方向動(dòng)態(tài)耦合誤差被降低到2.28％以內(nèi)（降低近80％以上），動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能將該天平除Fy方向外的各通道測量帶寬提高2-3倍;該天平經(jīng)頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正后，其調(diào)節(jié)時(shí)間被縮短至近3 ms以內(nèi)（縮短97％以上），超調(diào)量被降低至5％以內(nèi)，動(dòng)態(tài)耦合誤差被降低至2％以內(nèi)（全分量降低70％以上

8、，力方向降低近90％以上），頻域修正能將該天平整體測量帶寬提升至120 Hz左右。
　　由此可見，本文所提出的時(shí)域串行迭代動(dòng)態(tài)解耦-補(bǔ)償方法和頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正方法均能大幅度提高應(yīng)變天平的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，且頻域動(dòng)態(tài)解耦-修正方法的校正效果明顯優(yōu)于時(shí)域串行迭代動(dòng)態(tài)解耦-補(bǔ)償方法。這對于風(fēng)洞試驗(yàn)中通常情況下無實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)變天平數(shù)據(jù)的離線分析而言具有重要意義。因此，本文所研究的風(fēng)洞應(yīng)變天平動(dòng)態(tài)校正方法能大幅改善風(fēng)洞應(yīng)變天平的動(dòng)態(tài)特性，增