[发明专利]基于时空变换的双闭环速度控制CTS试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于速度控制的高速风洞外挂物捕获轨迹（CTS）的试验方法。

背景技术

由于外挂物从飞机上发射/投放后，在离开飞机的初期正处于飞机的干扰流场中，可能会急剧抬头或低头甚至翻滚以至与飞机相碰，这些不良的投放分离特性不仅影响武器系统命中的精准度，更严重的是会危及飞机和飞行员的安全。

为此，在实战前必须对外挂物的分离特性进行评估，掌握投放/发射的实施条件、投放/发射后飞机的动态特性、飞机和外挂物之间的气动干扰、分离后飞机和外挂物各自的运动轨迹和姿态及其相对运动轨迹和姿态、投放/发射冲击力和力矩对飞机和外挂物的影响、外挂武器的命中精度、安全分离的判别边界等等，既确保飞机的飞行安全，又确保投放/发射武器的命中精度，有效打击敌方。

风洞外挂物捕获轨迹系统（CTS）主要关心外挂物在离开母机初期的分离轨迹。在轨迹分离后期，外挂物远离母机，对母机的安全影响以及相互间的干扰影响基本消除，其分离轨迹已不属于CTS系统测量的范围。分离初期更准确的含义，是指运动的外挂物仍处于母机之下的范围，例如投放炸弹时弹头脱离母机尾部、发射导弹时弹尾飞离母机头部后，CTS系统就终止分离轨迹的测量。

目前，国内CTS仍基于闭环形式的位置控制方式，导致外挂物模型处于定速间歇式运动模式，主要存在以下不足：

1）外挂物模型的运动是间歇式的，每次运动到目的位置后暂停，进行信号测量和数据计算，然后再进行下一步的运动，并需要对位置进行反复修正，故获得一条外挂物分离轨迹的时间较长，例如，真实飞行0.5～2秒的轨迹，该系统约需2～4分钟的风洞运行时间，其试验效率低、能耗高，尤其是我国高速主力风洞为暂冲式运行方式，这一缺点显得更加明显。

2）外挂物模型运动为非连续性，轨迹点的下一点位置（即                                               时刻）是预测产生，并不一定和外挂物模型六自由度动力学方程规定位置始终重合，模型重心也不能连续保持在真实运动轨迹上，容易导致外挂物模型及其支杆与母机模型相碰，迫使轨迹的生成半途中止，成为实验的安全隐患。

3）六自由度运动方程求解外挂物模型的位置坐标需要二次积分运算，较速度（只需要1次积分运算即可解出外挂物模型速度）控制试验精准度低。

虽然国外已提出CTS的速度控制方法，在风洞试验中仍然通过天平测得外挂物模型承受的气动力，将此气动力连同外挂物的质量、重心及惯性矩等参数代入外挂物飞行的六自由度动力学方程中，即可算出给定时间步长后外挂物的质心运动速度与绕质心转动的角速度，然后控制CTS系统的六自由度机械手按照运动轨迹与运动姿态移动，逐步推进完成一条分离轨迹的测量，但并未建立时间步长与CTS试验误差间的关系，的取值合理性和试验人员的经验相关，无法实现时间步长的自适应。

但传统工业六自由度机械手的成熟速度控制策略难以直接运用到CTS试验的速度控制中，原因如下：

外挂物承受的合力与合力矩源于弹射力、推力、重力和气动力，其中推力、重力和弹射力均为已知，而外挂物承受的气动力与外挂物在以母机质心为原点的坐标系中的位置与姿态相关，即外挂物的运动位置与姿态角决定，而反过来又改变外挂物的运动位置与姿态角，形成了力和外挂物的运动位置与姿态的耦合作用，导致CTS系统六自由度机械手的速度控制与传统工业六自由度机械手的速度控制不同，即CTS系统六自由度机械手运动的轨迹或速度不能在试验前确定，因此，传统工业六自由度机械手的成熟控制策略难以直接运用到CTS试验系统中。

另一方面，CTS系统六自由度机械手因受其运行最大速度与最大加速度的限制，可能达不到外挂物真实飞行的运动速度，当然也会出现CTS系统六自由度机械手运行速度大于的情况，因此，需要找出适合CTS系统处于最佳工作状态的时空变化尺度（用来描述CTS系统六自由度机械手能够实现的运动速度和外挂物模型飞行实际速度之比），才能在风洞试验中高效完成基于速度控制的分离轨迹测量。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种基于时空变换的双闭环速度控制CTS试验方法，提出双闭环速度控制方式，即下位计算机与速度传感器组成的传统速度闭环控制方式，以及天平测量外挂物模型载荷与载荷预估值组成的独创性闭环控制方式。