系统建模(动态实验)

实验中，应变天平装 载加载头内，加载头 装在加载台上。调整 好方位后通过钢丝挂 砝码（必要时绕过定 滑轮）连接至加载头 上定位点，从而实现 对天平的加载。
数据采 集仪
提供多个模拟输入通道， 记录实验中天平动态响应 数据
砝码
提供各种载荷， 模拟空气动力
加载台
动态标定 实验装置
支撑台架，提供最佳加载位置
加载头 （含定位件）
1、模拟飞行器模型对 天平的负载效应
2、提供准确的加载点
滑轮悬 挂系统
应变天平
标定对象
分布于加载台四周，提 供准确稳定的加载方位
杆式应变天平各方向加载方式
加载头 ①
加载台 G
Fy Fz
O
Fx
Fx方向单元加载
加载头 ②
G
加载台
Fy Fx
Fz O
Mx方向单元加载
杆式应变天平各方向加载方式
沃尔什变换方法 时间序列方法 神经元网络方法
机理建模方法
• 根据传感器的工作原理和结构特点，将 其等效为一阶或二阶系统，列出其微分 方程或偏微分方程，然后用解析方法推 导出动态响应的表达式；或者用数值方 法求解，得到动态响应过程的数值。
动态实验
• 脉冲响应法 • 阶跃响应法 • 频率响应法 • 随机响应法
系统建模与 信号处理
系统建模部分
参考书目
• 黄俊钦，静、动态数学模型的实用建模 方法，机械工业出版社，1988
• 黄俊钦，测试系统动力学，国防工业出 版社，1996
• 徐科军，传感器动态特性的实用研究方 法，中国科学技术大学出版社，1999
• 徐科军，陈荣保，张崇巍，自动检测中 的共性技术，清华大学出版社，2000
第三步，测量和记录腕力传感器的动态激励 和响应信号。对腕力传感器的每一个方向都要进 行三次以上的测量和记录。实验结果表明，腕力 传感器各个转换通道的阶跃响应，需要20ms至 100ms的时间才能达到稳态(10误差)，无法满足 应用要求，必须进行动态补偿。
实验数据
单维力传感器测得 的激励信号
构造的输入信号 1为构造的输入信号 2为输出信号
脉冲响应法
采用冲击锤对腕力传感器施加 脉冲力，同时记录锤头压电传感器 和腕力传感器输出信号。
所需设备少，方法简单；但是， 冲击锤的落点和角度，力的大小均 较难控制，而且无法进行力矩标定。
图24 Fx输入输出信号
图25 Fx动态补偿结果
图26 Fy输入输出信号
图27 Fy动态补偿结果
图28 Fz输入输出信号 图29 Fz动态补偿结果
实验方案
一、负阶跃响应法； 二、通过加载头对天平进行辅助加载； 三、单元加载法 四、选用钢丝挂砝码对天平加载头施加负载，并通过
剪断钢丝产生负阶跃力；
五、由数据采集仪记录天平动态响应数据。
实验步骤
一、调整加载台及滑轮悬挂系统，安装天平，确定天 平方位，连接数据采集仪；
二、用钢丝挂砝码（绕过定滑轮）连接至加载头定位点，并使其 稳定；
-0.2
-0.2
电压(V) 电压(V)
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8 0
5
10
时间(s)
-0.8
2.6
2.8
3
3.2
时间(s)
注：右图为左图的局部放大图（以下同）
Fy通道动态响应参数
负载(N) 超调量(%) 调节时间(ms)
19.60 73.17 1242.01
39.20 66.77 2527.07
加载头 ④
加载台 G
Fy
Fy Fz
O
Fx
My方向单元加载
加载头
加载台
③ G
Fy Fx
Fz O
Fy方向单元加载
杆式应变天平各方向加载方式
加载头 ⑤
加载台
Fy
G
Fx
Fz O
加载头wk.baidu.com⑥ G
加载台
Fy Fz
O
Fx
Fz方向单元加载
Mz方向单元加载
杆式天平实验结果
• Fy通道——升力
Fy通道响应输出 0
Fy通道响应输出
建模的意义
• 分析静态和动态特性,计算性能指标 • 设计控制环节和测量环节的依据 • 系统的概念是相对的
模型分类
• 静态模型 • 动态模型 • 线性模型 • 非线性模型
静态建模
• 解析建模方法 • 数值建模方法 • 计算机模拟方法
动态建模方法
• 机理建模方法 • 实验建模方法：系统辨识方法
图30 Fx动态补偿结果 图31 Fy动态补偿结果
图32 Fz动态补偿结果 图33 Mx动态补偿结果
图34 My动态补偿结果 图35 Mz动态补偿结果
可见，经过动态补偿，腕力传感器各个通道达到 稳态的时间均小于5ms，动态性能指标得到很大提 高。
风洞应变天平
在飞机、导弹、运载火箭等航空航天飞行器和 重大装备型号的风洞试验中，天平是测量飞行器 模型气动力的重要设备。它将作用在模型上的空 气动力和力矩，沿 3个相互垂直的坐标轴系进行 分解，并精确测量。
拥有五座高、低速 风洞可进行常规测 力、测压试验、先 进的流场显示与测 量试验等。
风洞天平静态校准设备
中小载荷应变天平校准装置 大载荷应变天平校准装置
风洞天平动态实验
动态实验
要研究风洞应变天平的动态特 性，则必须对其进行动态标定实验以得出其 动态响应输出数据。根据其动态响应数据分 析其动态特性，进而得出其动态性能指标。
按结构和测量原理，风洞天平分为机械式、应变式 和压电式等形式。
应变式天平适用于各类风洞。它利用应变测量原理， 通过测量天平上各受力元件的变形求得模型所受的气动 力和力矩。在超音速风洞、稀薄气体风洞和脉冲式风洞 中也可采用应变天平。
中国航空工业空气动力研究院
拥有雄厚的技术实力，集高、低速空气动力风洞 实验、飞行器先进气动布局和气动力基础预先研 究于一体。
三、装上光电装置（位置靠近剪断点并处于砝码一侧）；
四、确保加载稳定及数据采集仪准备好后，剪断钢丝（剪断点尽 量靠近加载头，并尽可能迅速），数据采集仪记录数据；
经初步实验确定，动态采集仪的放大倍数设为100，输入滤波 截至频率设为10KHz，记录长度为10s
五、每个方向选取多点载荷进行重复实验。
动态标定实验装置
阶跃响应法动态标定实验
动态标定设备框图
腕力传感器动态标定实验
传感器动态实验标定装置
腕力传感器动态标定实验
(a)做Mz标定示意图
(b)做Fy标定示意图 (c)做Mx标定示意图
标定示意图(图中，1、2为绳子)
标定过程
首先，调整一级放大器的零点。
第二步，测量静态输出电压。对腕力传感器 进行加载，测量腕力传感器8路静态输出电压和实 时数据采集与动态补偿系统的6路静态输出电压。