SMA驅(qū)動(dòng)變體機(jī)翼后緣結(jié)構(gòu)連續(xù)偏轉(zhuǎn)模糊控制方法研究

吳 夢(mèng)，徐志偉

(南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

變體飛行器是指在飛行過(guò)程中可主動(dòng)地改變飛行器主要結(jié)構(gòu)(機(jī)翼、機(jī)身、進(jìn)氣道等)的相關(guān)參數(shù)，以適應(yīng)不同飛行條件并能夠獲得最優(yōu)飛行性能的飛行器。在變體飛機(jī)中，變體機(jī)翼是最重要的研究方向，主要包括：可變后掠角機(jī)翼、前后緣襟副翼偏轉(zhuǎn)機(jī)翼、可變厚度機(jī)翼等各種類(lèi)型。其中，機(jī)翼后緣襟副翼光滑連續(xù)偏轉(zhuǎn)是重要的研究方向之一，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究[1-4]。

在機(jī)翼變體過(guò)程中，常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式如液壓、電機(jī)等成熟可靠，但體積和重量較大，無(wú)法滿足機(jī)翼的設(shè)計(jì)要求，采用智能材料驅(qū)動(dòng)器和多點(diǎn)分布式驅(qū)動(dòng)是一種新型的解決方法[5]。在多種智能材料驅(qū)動(dòng)器中，形狀記憶合金SMA(Shape Memory Alloy)因具有高功重比、尺寸小、可消除復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)翼變體結(jié)構(gòu)中的首選驅(qū)動(dòng)器之一。鎳鈦合金材料經(jīng)過(guò)一定的工藝處理后，具備形狀記憶功能，即在低溫環(huán)境中受外力作用發(fā)生變形后，對(duì)其加熱至一定溫度可恢復(fù)至初始形狀，因此被稱(chēng)為形狀記憶合金。SMA材料內(nèi)部主要存在兩種合金相，低于所設(shè)定的溫度時(shí)為馬氏體相，此時(shí)SMA的彈性模量較小，容易產(chǎn)生變形；高于設(shè)定溫度時(shí)為奧氏體相，此時(shí)SMA的彈性模量較大，變形過(guò)程中可產(chǎn)生很大的回復(fù)力，可以作為驅(qū)動(dòng)器使用。但是，SMA材料易受外部溫度和外力的影響，具有很強(qiáng)的時(shí)變性，而且SMA本身具有很強(qiáng)的遲滯性和非線性，因此難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)其變形和驅(qū)動(dòng)力的精確控制。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，Bizdoacan等[6]針對(duì)一種基于SMA驅(qū)動(dòng)的觸手機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了滑膜模糊控制器并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明模糊控制器可提高系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。Kumagai等[7]通過(guò)線性函數(shù)的組合對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器的遲滯曲線進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用神經(jīng)模糊方法建立了SMA驅(qū)動(dòng)器的位移-加熱電壓動(dòng)態(tài)模型并進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型在期望軌跡跟蹤方面具有優(yōu)勢(shì)。Khodayari[8]設(shè)計(jì)了一種基于SMA絲驅(qū)動(dòng)的三連桿蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)偏轉(zhuǎn)極限為5°的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，建立驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型后采用模糊PID控制方法對(duì)其進(jìn)行了控制仿真，結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約20 s，穩(wěn)態(tài)誤差約0.2°。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)SMA控制方法的研究起步較晚。任秉銀等[9]設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制系統(tǒng)，并對(duì)偏動(dòng)式SMA驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該控制器可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。史振云等[10]研制了一種基于SMA驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍約±60°，建立了SMA絲的應(yīng)變-電阻模型，基于該模型設(shè)計(jì)了模糊PID控制器并進(jìn)行了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)角度的平均誤差約3.147°。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器的控制方法進(jìn)行了深入的研究，其中模糊控制方法具有較好的控制效果，但都以相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，SMA材料的制備工藝和成分變化后，已有的模型很難適用于新型的SMA驅(qū)動(dòng)器。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并制作了機(jī)翼后緣連續(xù)變彎度結(jié)構(gòu)，采用差動(dòng)式SMA絲作為驅(qū)動(dòng)器滿足后緣結(jié)構(gòu)的雙向偏轉(zhuǎn)，研究并采用了模糊邏輯控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)后緣偏轉(zhuǎn)的精確控制。該方法無(wú)需建立SMA驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，搭建了測(cè)控系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲得了良好的控制效果。

1 SMA驅(qū)動(dòng)可連續(xù)偏轉(zhuǎn)機(jī)翼后緣變體結(jié)構(gòu)

某機(jī)翼后緣要求能夠?qū)崿F(xiàn)±10°的上下偏轉(zhuǎn)，機(jī)翼展長(zhǎng)1.1 m、后緣弦長(zhǎng)0.12 m，為實(shí)現(xiàn)機(jī)翼后緣的連續(xù)上下偏轉(zhuǎn)，采用了多關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，后緣偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，為使翼面盡可能保持連續(xù)，采用分段翼肋和魚(yú)鱗疊層蒙皮構(gòu)型；為防止多段翼肋結(jié)構(gòu)的干涉問(wèn)題，采用3關(guān)節(jié)形式；其中關(guān)節(jié)1與機(jī)翼主骨架固定連接，相鄰兩關(guān)節(jié)鉸接；加強(qiáng)梁將翼肋和后緣蒙皮連接，同時(shí)也是SMA絲驅(qū)動(dòng)器的固定連接器件。后緣上下偏轉(zhuǎn)采用了SMA絲差動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中，將多根直徑2 mm的SMA絲對(duì)稱(chēng)布置在機(jī)翼弦平面上下兩側(cè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其主要力學(xué)特性參數(shù)如表1所示，其中MS為馬氏體相變開(kāi)始溫度，Mf為馬氏體相變結(jié)束溫度，AS為奧氏體相變開(kāi)始溫度，Af為奧氏體相變結(jié)束溫度，DM為馬氏體彈性模量，DA為奧氏體彈性模量，εl為最大殘余應(yīng)變。

圖1 SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)翼后緣結(jié)構(gòu)模型

表1 2 mmSMA絲力學(xué)性能

本文根據(jù)前期模型流場(chǎng)氣動(dòng)載荷仿真分析計(jì)算得到的氣動(dòng)載荷的要求，為確保SMA絲驅(qū)動(dòng)器可產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，在每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中上下共布置(2組)4根SMA絲。模型中根據(jù)實(shí)際后緣兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)位移與載荷大小，每側(cè)布置兩組SMA絲，每組兩根，每根長(zhǎng)度為2 428 mm，計(jì)算得到最大偏轉(zhuǎn)角度時(shí)最大變形量為2.04%。模型一側(cè)SMA絲驅(qū)動(dòng)器的布置如圖2(a)所示。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)一側(cè)SMA絲加熱，另一側(cè)絲冷卻，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的小角度偏轉(zhuǎn)，由于鉸鏈結(jié)構(gòu)的累積效應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)后緣結(jié)構(gòu)的大角度偏轉(zhuǎn)。設(shè)定關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別為α和β，后緣總體偏轉(zhuǎn)角度為θ，則有如下關(guān)系。

(1)

在后緣結(jié)構(gòu)中，以翼梢處的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為基準(zhǔn)，設(shè)定按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)為正，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍分別設(shè)定為[-6°，6°]和[-6.8°，6.8°]，則后緣整體結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度為±10°，模型中在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處都配置有角度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)角度的精確測(cè)量，布置方式如圖2(b)所示。每根SMA絲驅(qū)動(dòng)器上都安裝有熱電偶溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA絲驅(qū)動(dòng)器溫度的精確測(cè)量。

圖2 機(jī)翼后緣結(jié)構(gòu)中SMA驅(qū)動(dòng)器及角度傳感器布置

2 機(jī)翼后緣可變彎度模糊控制系統(tǒng)原理

SMA絲驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)控制溫度實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，本文中的SMA絲驅(qū)動(dòng)器采用電流加熱方式，利用脈寬調(diào)制(PWM)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA絲加熱電流的控制，從而控制其溫度；冷卻過(guò)程則是采用自然冷卻的方法。SMA絲驅(qū)動(dòng)器的精確控制主要受兩方面的因素影響，一方面，SMA絲性能的高度非線性和遲滯性，使得其溫度控制非常困難；另一方面，在SMA絲工作過(guò)程中，易受當(dāng)前環(huán)境溫度、氣流和外部載荷大小的影響，時(shí)變性使得難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。

控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)后緣結(jié)構(gòu)±10°(精度±1°)的上下偏轉(zhuǎn)，且在±10°位置在外部氣動(dòng)載荷作用下保持一定的時(shí)間。根據(jù)該要求并考慮到SMA絲驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，本文采用了模糊控制方法，該方法針對(duì)控制對(duì)象沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型、強(qiáng)非線性、時(shí)變性和滯后性的特點(diǎn)具有一定的優(yōu)勢(shì)。所設(shè)計(jì)的模糊控制器原理如圖3所示，先要確定輸入和輸出變量，輸入變量的個(gè)數(shù)為模糊控制器的維數(shù)。一般而言，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)，但維數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致模糊控制規(guī)則復(fù)雜，控制算法難以實(shí)現(xiàn)。一方面為了防止模糊控制規(guī)則數(shù)目過(guò)多，使模糊控制器簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)；另一方面，在SMA絲工作過(guò)程中，其溫度-應(yīng)力關(guān)系過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)SMA絲的溫度進(jìn)行模糊處理無(wú)法清楚地表達(dá)溫度-應(yīng)力關(guān)系。本文僅對(duì)各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度誤差及其變化率進(jìn)行了模糊化處理，即設(shè)計(jì)了一種二維模糊控制器，其輸入量為各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度誤差和誤差變化率。圖3中，r(t)為各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)期望偏轉(zhuǎn)角度；c(t)為各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度；e(t)為各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度誤差；ec(t)為各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度誤差的變化率；Ke和Kec分別為輸入量e(t)和ec(t)的模糊化因子。將輸入量e(t)和ec(t)分別與對(duì)應(yīng)的模糊化因子相乘即可得到對(duì)應(yīng)的模糊量e’(t)和ec’(t)；模糊推理決策根據(jù)e’(t)和ec’(t)在線推理出當(dāng)前的控制量u(t)；u(t)經(jīng)過(guò)解模糊得到PWM信號(hào)的占空比q(t)；q(t)經(jīng)過(guò)控制邏輯處理后獲得SMA絲加熱信號(hào)(PWM)的實(shí)際占空比q’(t)，實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制對(duì)SMA絲加熱電流的控制，從而控制其溫度。e(t)的計(jì)算公式定義如下：

圖3 模糊控制器原理

(2)

考慮到SMA絲的溫度過(guò)高會(huì)影響其形狀記憶功能，為了防止SMA絲溫度過(guò)高和實(shí)現(xiàn)SMA驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)控制，本文所設(shè)計(jì)的控制邏輯如圖4所示。以翼梢處的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)為基準(zhǔn)，設(shè)定按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，則T1，T2分別為上、下側(cè)SMA絲的溫度；D1，D2分別為上、下SMA絲加熱控制信號(hào)(PWM)的占空比。根據(jù)公式2，當(dāng)e(t)為負(fù)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)已產(chǎn)生超調(diào)，考慮SMA絲的特點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)停止加熱；當(dāng)e(t)為正時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)r(t)的符號(hào)判斷應(yīng)加熱絲的方向和位置，比如當(dāng)r(t)為正時(shí)，系統(tǒng)加熱上側(cè)SMA絲并冷卻下側(cè)SMA絲；當(dāng)r(t)為負(fù)時(shí)，加熱下側(cè)SMA絲并冷卻上側(cè)SMA絲，從而實(shí)現(xiàn)SMA絲驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)控制。綜合考慮SMA絲的相變溫度、冷卻速度和形狀記憶性能保護(hù)等要求，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，設(shè)定處于冷卻狀態(tài)中的SMA絲溫度小于35℃時(shí)，方可對(duì)另一側(cè)的SMA絲加熱，處于加熱狀態(tài)中的SMA絲溫度最高不能超過(guò)60℃。

圖4 模糊控制器控制邏輯

2.1 控制系統(tǒng)輸入變量的模糊化處理

模糊化是將精確量轉(zhuǎn)換為模糊量的過(guò)程，精確量的取值范圍為基本論域，模糊量的取值范圍為論域。因此，模糊化的過(guò)程本質(zhì)上是建立基本論域到論域映射關(guān)系的過(guò)程。本文根據(jù)各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和公式(2)，確定控制器輸入量e(t)的基本論域；根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)角度的誤差變化不超過(guò)±6°的要求，確定ec(t)的基本論域；u(t)解模糊后為占空比q(t)，q(t)的取值范圍即為基本論域。為確保模糊集能較好地覆蓋論域，根據(jù)論域的最大值與最小值之差不小于對(duì)應(yīng)變量模糊子集個(gè)數(shù)的兩倍的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定輸入量e(t)、ec(t)和輸出量q(t)的論域，各關(guān)節(jié)模糊控制器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。分別通過(guò)公式(3)和公式(4)完成輸入量e(t)和ec(t)的模糊化。

表2 模糊控制器的相關(guān)參數(shù)

(3)

(4)

式中：ae，be為e(t)的論域的最小值與最大值；ce，de為e(t)的基本論域的最小值與最大值;aec，bec為ec(t)的論域的最小值與最大值；cec，dec為ec(t)的基本論域的最小值與最大值。

2.2 輸入、輸出變量的模糊子集

定義模糊子集，實(shí)際上就是確定隸屬函數(shù)曲線的形狀，形狀較尖的模糊子集具有較高的分辨率和靈敏度，如三角形隸屬函數(shù)。定義模糊子集時(shí)需遵守3個(gè)基本規(guī)則：(1)論域中，任意一點(diǎn)的隸屬函數(shù)最大值要大于0.4，否則會(huì)降低模糊控制器的控制精度。(2)模糊子集交叉點(diǎn)處的隸屬函數(shù)值γ要在0.4～0.7范圍內(nèi)，γ較小時(shí)控制靈敏度較高，γ較大時(shí)模糊控制器具有較好的魯棒性。(3)為確保模糊集能較好地覆蓋論域，論域的最大值與最小值之差不小于對(duì)應(yīng)變量模糊子集個(gè)數(shù)的兩倍。為滿足控制變量的要求，同時(shí)考慮SMA絲的特點(diǎn)，模糊控制器應(yīng)具有較高的靈敏度和較好的魯棒性，本文選取結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的三角形隸屬函數(shù)和梯形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊子集的定義。如圖5所示，定義誤差e(t)的模糊集(語(yǔ)言值)為負(fù)大，負(fù)較大，負(fù)中，負(fù)較小，負(fù)小，零，正小，正較小，正中，正較大，正大，用符號(hào)表示即NB，NLB，NM，NLS，NS，Z，PS，PLS，PM，PLB，PB；誤差變化率ec(t)的模糊集為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，用符號(hào)表示即NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB；q(t)的模糊集為{零，小，中，大}，即{Z，S，M，B}。

圖5 模糊控制器中各變量的模糊子集

2.3 控制系統(tǒng)模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，包括一系列“IF前件THEN后件”型的模糊條件句，其中前件和后件分別為模糊控制器的輸入和輸出的語(yǔ)言值。本文基于SMA的控制經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)觀察，即基于操作人員的實(shí)際控制過(guò)程的方法建立模糊控制規(guī)則。具體建立思想如下：當(dāng)誤差e(t)為正且誤差變化率ec(t)為負(fù)大或負(fù)中時(shí)，此時(shí)誤差有快速減小的趨勢(shì)，應(yīng)降低輸出量(控制量)，又由于SMA絲響應(yīng)較慢，輸出量不宜較小，所以輸出量取較當(dāng)前誤差低一級(jí)的語(yǔ)言值；e(t)為正且ec(t)為正時(shí)，此時(shí)誤差有增大的趨勢(shì)，應(yīng)增大輸出量(控制量)，同時(shí)為避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，輸出量不宜過(guò)大，所以輸出量取較當(dāng)前誤差高一級(jí)的語(yǔ)言值；當(dāng)e(t)為正且ec(t)為零或負(fù)小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)，輸出量取與誤差同級(jí)的語(yǔ)言值；當(dāng)e(t)為負(fù)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)已產(chǎn)生超調(diào)，應(yīng)快速減小輸出，由于當(dāng)外部載荷基本恒定時(shí)且SMA驅(qū)動(dòng)器的冷卻過(guò)程為自然冷卻時(shí)，若繼續(xù)加熱，系統(tǒng)超調(diào)量將會(huì)增加，所以輸出量選取為Null，即停止對(duì)SMA絲加熱。設(shè)計(jì)的控制規(guī)則如表3所示。

表3 模糊控制規(guī)則

2.4 模糊控制系統(tǒng)的解模糊

在模糊控制器中，控制量u(t)為模糊量，需經(jīng)過(guò)解模糊獲得清晰量q(t)后，才可輸出至控制邏輯處理后進(jìn)行控制。常用的解模糊方法有最大隸屬度法、面積平分法和重心法等，其中重心法有效地計(jì)算了多個(gè)輸出語(yǔ)言值之間的最佳折中，因此本文采用重心法進(jìn)行解模糊，該方法首先計(jì)算輸出變量范圍內(nèi)換算后隸屬函數(shù)的面積，然后通過(guò)下式計(jì)算該面積的幾何中心。

(5)

式中：u(t)為模糊推理決策的結(jié)果；f[u(t)]為對(duì)應(yīng)隸屬函數(shù)；umin，umax分別為q(t)當(dāng)前語(yǔ)言值的范圍。

3 SMA驅(qū)動(dòng)器測(cè)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

在完成模糊控制系統(tǒng)原理性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要選擇和搭建控制系統(tǒng)硬件，并進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。綜合考慮測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、輸入輸出通道的數(shù)量、控制方法計(jì)算量的大小，以及顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文采用上下位機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)方案，下位機(jī)采用NI公司的PXI控制系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)，保證了多個(gè)角度傳感器和溫度傳感器的信號(hào)以及PWM輸出控制信號(hào)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的具體參數(shù)如表4所示；測(cè)控系統(tǒng)原理如圖6所示；搭建完成的控制系統(tǒng)如圖7所示。

表4 PXI控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)

圖6 機(jī)翼后緣變彎度測(cè)控系統(tǒng)原理

圖7 機(jī)翼后緣變彎度測(cè)控系統(tǒng)實(shí)物

PWM輸出控制信號(hào)的頻率為2 Hz，幅值為5 V，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變換成同頻率且幅值為10 V的PWM控制信號(hào)后輸入固態(tài)繼電器DD200D100的控制端，信號(hào)調(diào)理電路及SMA絲加熱電路如圖8所示。角度傳感器選用北京齊開(kāi)科技有限公司的QKJL-240霍爾傳感器，測(cè)量范圍0～240°，測(cè)量精度≤0.6°，輸出信號(hào)為4～20 mA電流，經(jīng)變送器WS15241轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號(hào)后輸入PXIe-6356采集。溫度傳感器為K型熱電偶，具體參數(shù)：測(cè)量范圍0～260 ℃，測(cè)量精度±0.3%，溫度漂移±0.015%/℃。

圖8 信號(hào)處理電路及SMA絲加熱電路

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件在LabVIEW中完成，測(cè)控過(guò)程如圖9所示。先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并判斷采集到的溫度信號(hào)和角度信號(hào)是否正常。若無(wú)異常，對(duì)SMA絲預(yù)熱，預(yù)熱是通過(guò)施加占空比為2%的PWM信號(hào)對(duì)所有的SMA絲加熱，保持SMA在30℃，以消除結(jié)構(gòu)的間隙和外界溫度及氣流對(duì)SMA絲的影響。預(yù)熱完成后，啟動(dòng)系統(tǒng)并根據(jù)各關(guān)節(jié)當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度誤差和期望角度的符號(hào)判斷應(yīng)加熱絲的方向和位置，實(shí)現(xiàn)SMA絲驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)控制。

圖9 測(cè)控過(guò)程軟件流程

4 機(jī)翼后緣偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究

SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)翼后緣偏轉(zhuǎn)模型和測(cè)控系統(tǒng)制備完成以后，對(duì)其進(jìn)行空載、靜態(tài)等效載荷加載和亞音速風(fēng)洞氣動(dòng)載荷加載實(shí)驗(yàn)。

4.1 模型地面空載實(shí)驗(yàn)

將后緣機(jī)翼模型固定在剛性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，空載情況下進(jìn)行后緣變彎度功能實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中后緣偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化曲線如圖11所示，共包括5個(gè)階段：0～18 s為后緣結(jié)構(gòu)由自然狀態(tài)下的初始位置向上偏轉(zhuǎn)至10°的階段，即上側(cè)SMA絲驅(qū)動(dòng)器的加熱響應(yīng)階段；19～31 s為10°穩(wěn)定階段，將后緣保持在上偏10°的狀態(tài)不變；32～195 s為上側(cè)SMA絲自然冷卻階段，此階段中控制系統(tǒng)不工作；196～227 s為下側(cè)SMA絲的加熱響應(yīng)階段，機(jī)翼后緣向下偏轉(zhuǎn)到-10°的位置；之后13 s為-10°穩(wěn)定階段。從圖11中可以看出，在后緣向上偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為18 s，無(wú)超調(diào)量；在后緣向下偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為32 s，超調(diào)量為2.5%(0.25°)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SMA絲的加熱信號(hào)(PWM)的占空比隨時(shí)間變化曲線如圖12所示，后緣偏轉(zhuǎn)至10°和-10°的狀態(tài)如圖13所示。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，機(jī)翼后緣可以實(shí)現(xiàn)±10°的偏轉(zhuǎn)。

圖10 機(jī)翼后緣偏轉(zhuǎn)地面空載實(shí)驗(yàn)

圖11 模型地面空載實(shí)驗(yàn)中后緣偏轉(zhuǎn)曲線

圖12 模型地面空載實(shí)驗(yàn)中SMA驅(qū)動(dòng)器加熱控制信號(hào)的占空比曲線

圖13 機(jī)翼后緣上偏10°和下偏-10°的狀態(tài)

4.2 模型等效靜態(tài)載荷加載實(shí)驗(yàn)

對(duì)機(jī)翼后緣結(jié)構(gòu)采用施加等效集中載荷的方式進(jìn)行靜態(tài)加載，根據(jù)前期對(duì)機(jī)翼在0.7 Ma風(fēng)速和8°迎角狀態(tài)下的氣動(dòng)載荷仿真分析結(jié)果，設(shè)定載荷質(zhì)量為6 kg，等效扭矩為7.2 Nm，為氣動(dòng)載荷扭矩的1.5倍。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖14所示，環(huán)境溫度為28 ℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中后緣偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化曲線如圖15所示。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)同樣劃分為5個(gè)階段，在后緣向上偏的過(guò)程中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為21 s，超調(diào)量為9%(0.9°)；在后緣向下偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為15 s，超調(diào)量為8.5%(0.85°)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SMA絲的加熱信號(hào)隨時(shí)間變化曲線如圖16所示。

圖14 機(jī)翼后緣偏轉(zhuǎn)靜態(tài)載荷加載實(shí)驗(yàn)

圖15 模型等效靜態(tài)載荷加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中后緣變彎度曲線

圖16 模型等效靜態(tài)載荷加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SMA驅(qū)動(dòng)器加熱控制信號(hào)占空比曲線

與空載實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在后緣向上和向下偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的超調(diào)量，主要是由SMA絲變形過(guò)程中的相變潛熱影響所致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型中SMA驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩能夠克服氣動(dòng)載荷力矩，實(shí)現(xiàn)后緣±10°的偏轉(zhuǎn)功能。

4.3 模型風(fēng)洞載荷加載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在2.4 m×2.4 m的連續(xù)式風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞中的周?chē)h(huán)境溫度始終保持在26°，風(fēng)速0.7 Ma，機(jī)翼迎角為8°，將變體機(jī)翼通過(guò)機(jī)身固定于風(fēng)洞側(cè)壁，如圖17所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中后緣偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化曲線如圖18所示，偏轉(zhuǎn)過(guò)程共分為5個(gè)階段，向下偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為22 s，超調(diào)量為0.7%(0.07°)；向上偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為33 s，超調(diào)量約為5.9%(0.59°)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SMA絲的加熱信號(hào)隨時(shí)間變化曲線如圖19所示。

圖17 模型風(fēng)洞載荷加載實(shí)驗(yàn)

圖18 模型風(fēng)洞載荷加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中后緣變彎度曲線

圖19 模型風(fēng)動(dòng)載荷加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SMA驅(qū)動(dòng)器加熱控制信號(hào)占空比曲線

在風(fēng)洞載荷加載實(shí)驗(yàn)中，SMA絲驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼后緣±10°的連續(xù)偏轉(zhuǎn)，獲得了理想的控制效果，實(shí)現(xiàn)了智能材料驅(qū)動(dòng)器在風(fēng)洞環(huán)境下對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)變形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了SMA驅(qū)動(dòng)的可變彎度機(jī)翼后緣結(jié)構(gòu)，針對(duì)SMA差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器具有強(qiáng)時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了不依賴(lài)于數(shù)學(xué)模型的模糊控制器。搭建了基于LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)控系統(tǒng)。將模糊控制器應(yīng)用在變彎度機(jī)翼后緣上，完成了變彎度機(jī)翼后緣的空載、地面等效載荷加載和風(fēng)洞載荷動(dòng)態(tài)加載偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SMA絲驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)翼后緣在0.7 Ma風(fēng)速和8°機(jī)翼迎角狀態(tài)下的連續(xù)偏轉(zhuǎn)，穩(wěn)態(tài)下的偏轉(zhuǎn)角度誤差小于±0.6°,超調(diào)量小于10%，采用的模糊控制方法基本實(shí)現(xiàn)了SMA驅(qū)動(dòng)器的較精確控制。