基于dsp的磁悬挂天平数字控制技术研究（可复制）.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文
摘要
磁悬挂天平技术在风洞中的应用主要解决在传统方法上,无法解决对模型进行无支架
的空气动力测量的基本问题。由于没有支架干扰,测量的气动参数具有更高的可信度,模
型的姿态调整也更方便。同时,扩大了风洞实验的能力,对于受支架干扰较大的大攻角实
验、超声速下的实验、瞬变过程实验等,在使用后,实验结果都会有明显的改善。
在“八五”和“九五”期间都是用模拟控制器
控制的。然而,从国外的研究情况与发展前景来看,数字化悬浮是主流。同时,芯片
的发展日新月异,的功能日益强大,性能价格比不断上升,开发手段不断改进。
芯片己经在通信与电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航天航空、医疗、
家用电器、电力系统等多领域中得到了广泛的应用,而且新的应用领域在不断地被发掘。
综合数字控制的优点以及芯片的广泛成功的应用,在“十五”期间,就对
天平进行数字化改造。
本文以己经研制成功的磁悬挂天平为研究对象,运用美国公司的
芯片来设计。在本文中,简要地介绍了它的基本概念、基本原理。重点介绍了
磁悬挂天平数字悬浮控制系统的硬件设计和软件设计,并提供了原理设计图和控制程序。
关键词磁悬挂天平数字控制
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国防科学技术大学研究生院学位论文
第一章绪论
的研究概况
磁悬挂天平系统是由于风洞实验的需要而产生的。传统的风洞实验需要有机械支架来
支撑模型,但模型支架的存在,严重地干扰了模型的真实流场,使得气动试验的结果严重
地偏离了实际值,需要用经验公式进行修正。支架对风洞实验的影响主要表现在以下方面
支架的存在造成了绕模型流场的畸变。
支架的存在影响了对所试验的飞行器模型几何外形模拟的准确性。
支架的存在限制了飞行器模型平动和转动的范围对于动态试验,极大地限制了
振幅和频率,从而限制了风洞试验的能力。
使用机械支架,必然要用应变片测力,而应变片容易受温度梯度的影响,所以测
力数据精度受到影响,这种影响在高超音速试验时尤为严重。
随着飞行器向高超音速、大攻角复杂流场等方向发展,对风洞试验及其数据精度要求
越来越高,支架干扰对复杂流场的影响也变得越来越严重。因此,寻求无机械支架的模型
就成为解决问题的迫切需要。而磁悬挂天平实现了无支架悬浮,它的优点也就不言而喻了。
磁悬挂天平技术应用于风洞实验这个概念首先是由美国的教授于年提出
来的,这个想法一经提出就引起了世界上有关人士的广泛关注,从那以后世界上的许多研
究机构便开始了磁悬挂天平技术的研究,这无疑极大的促进了磁悬挂天平技术的发展。但
是,这项技术的发展也并不是一帆风顺的。五、六十年代形成了对技术研究的第一
个高峰。七十年代该项研究因技术原因曾落入低谷,但到了八、九十年代,技术又再
度兴旺起来。据不完全统计,在这三十年间,世界各国至少建立了座左右的装置。
日本的己经建成,美国研究中心曾计划筹建英尺英
尺和英尺英尺的大型超导磁悬挂天平。从当前
的形式来看,世界上磁悬挂天平的研究还只是处于一个实验室研究阶段,离实际的应用还
有一段距离。
我国从年开始的研究工作,相对而言起步较晚。主要研究单位是国防科技
大学和中国空气动力研究中心等。在年系统
研究组”,成功地完成了“国防预研办”下达的“八五”研究计划,研制了一台“
磁悬挂天平系统’笋。该系统采用了五自由度、对称电磁铁系统,完成了气动模型的五
自由度悬挂,同时实现了俯仰姿态调整。在简易风洞中还实现了吹风实验及气动五分量的
计算机数据采集,填补了我国在这一领域的空白,年,该成果获国防科工委科技成果
“二等奖”。
但是,该装置还存在着许多不尽人意的地方,比如,模拟式光电位置传感器的测量精
度不高,没有实现真正的风洞吹风验证,功率驱动元件还处于的阶段,开关频率只能
达到,气动测量精度只达到百分量级等等,无法完成实际的应用。
在该装置的基础上,课题组成员在“九五脸气动国防预研办的资助下,对装置又开展
了新一轮的研究工作。“九五”期间,课题组对原模拟光电位置传感器进行数字化改造,
选用了线阵列作为位置测量元件,研制成功了“五自由度位置测量系统”,并在
新研制的装置上调试成功。之后,又对原功率驰动元件,改换了工元件,
将脉冲调宽控制的开关频率提高至减少了噪声和电气干扰,提高了模型控
制时的动态响应时间。为了提高系统的数据采集系统的人机界面及