CN101887267B

CN101887267B - 风洞马赫数控制器

Info

Publication number: CN101887267B
Application number: CN201010228521A
Authority: CN
Inventors: 罗印升; 邢绍邦; 宋伟; 陈太洪; 高倩; 沃松林; 包伯成
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu Xinpeng Heavy Electromechanical Manufacturing Co., Ltd.; Jiangsu University of Technology
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: CN101887267A

Abstract

本发明涉及一种流场品质和精度较高的风洞马赫数控制器，其包括：在风洞试验的启动阶段采用带有自调因子的模糊控制方法来控制风洞的试验段中气流的马赫数，当试验段中气流的实际马赫数Ma≤3ΔMW时，改为采用PID控制方法控制该试验段中气流的马赫数；当工业PC机连续5次判定实际马赫数Ma在ΔMW内，且试验模型的攻角已到位即试验模型姿态处于预设姿态时，工业PC机通过所述数据采集电路采集作用在试验模型上的多个空气动力参数；然后控制试验模型变化到下一个攻角和/或控制试验段中的气流变化到下一马赫数，并重复上述的马赫数控制和各空气动力参数数据的采集过程。

Description

风洞马赫数控制器

技术领域

本发明涉及风洞气流控制的技术领域，具体是一种风洞马赫数控制器。

背景技术

风洞是能人工产生和控制气流，用以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物体现象的一种管道试验设备。简而言之，风洞是在一个管道内用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力学实验的一种设备。风洞起源于航空航天技术的发展需要，在空气动力学研究和飞行器设计中起着十分重要的作用，也已经广泛应用于工业和建筑领域。

高速风洞主要由空气压缩机、储气系统(气源)、风洞、控制与测试系统组成。控制与测试系统由马赫数控制部分和模型姿态控制部分、数据测试部分和相应的软件构成。风洞结构示意如图1所示，风洞试验的过程及原理为：空气压缩机把外界的空气压缩、干燥后，经高压管道输送到储气罐中，当储气罐内气体压力达到8MPa后，就可进行风洞吹风试验。试验时，先运行风洞测控程序，在其中设定马赫数控制参数、攻角及模型等有关参数。开启调压阀和快速阀，高速气流经调压阀、稳定段和喷管后，加速到达试验段。在风洞试验段内的天平上安装有需要测试的试验模型。此时，通过马赫数控制装置不断调整调压阀开度从而调节气流马赫数，在试验段内控制气流马赫数达到设定值的过程中，就可以启动攻角机构改变试验模型到达所需的姿态，当试验模型姿态到位且气流马赫数控制达到设定值后，通过风洞中的天平来测试作用在试验模型上的阻力、升力、俯仰力矩等多个空气动力参数。一组数据采集完毕后，改变试验模型姿态或改变气流马赫数重复上述过程。当整个试验任务完毕后，关闭风洞快速阀，随后，进行数据处理与分析。

马赫数为物体速度与音速的比值，即音速的倍数。风洞马赫数为在风洞的管道内，气流速度与音速的比值。

风洞马赫数的控制技术和控制水平影响着整个风洞的流场品质和精确度。在风洞建成后，风洞的改造任务中马赫数的控制精度作为一项重要的内容来考虑。由于高速风洞气源容量、压力不同，试验段尺寸不同，虽然马赫数控制指标要求相近，但是控制马赫数的执行机构不同，控制策略和相应的参数也不同。目前相关的控制器还没有通用的，需要根据具体风洞情况进行设计和调试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、流场品质和精度较高的风洞马赫数控制器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风洞马赫数控制器，其包括：工业PC机，与该工业PC机相连的ISA总线，与ISA总线相连的用于控制调压阀和快速阀的模拟量输出控制电路，与ISA总线相连的用于获取气压、温度、调压阀开度和作用在试验模型上的多个空气动力参数的数据采集电路，与ISA总线相连的用于通过控制攻角机构而控制试验模型姿态的开关量输入输出电路。

在风洞试验的启动阶段采用带有自调因子的模糊控制方法来控制风洞的试验段中气流的马赫数，当试验段中气流的实际马赫数Ma≤3ΔMW时，改为采用PID控制方法控制该试验段中气流的马赫数；所述ΔMW为判断实际马赫数Ma是否稳定的误差值，ΔMW在0.001-0.005范围内取值。

当工业PC机连续5次判定实际马赫数Ma在ΔMW内，且试验模型的攻角已到位即试验模型姿态处于预设姿态时，工业PC机通过所述数据采集电路采集作用在试验模型上的多个空气动力参数；然后控制试验模型变化到下一个攻角和/或控制试验段中的气流变化到下一马赫数，并重复上述的马赫数控制和各空气动力参数数据的采集过程。

进一步，所述的带有自调因子的模糊控制方法包括如下步骤：分别选取当前计算出的实际马赫数和设定马赫数、风洞稳定段的总压和实际测量值之间的误差(E)和误差变化率(EC)作为模糊控制器的输入变量，U定义为控制变量；E、EC及U的论域选取如下式：{E}＝{EC}＝{U}＝{-N，…，-2，-1，0，1，2，…，N}，则在全论域范围内带有自调因子的模糊控制规则可表示为：U＝-[α×E+(1-α)×EC]，其中：

0≤a₀≤a_S≤1，α∈[a₀，a_S]。

进一步，所述PID控制方法的控制步骤包括：工业PC机将测得的风洞中实际的马赫数与设定的马赫数比较后，经过控制器中控制算法的计算，再经过模拟量输出控制电路输出控制信号，以调节调压阀门开度，以实现马赫数的闭环控制。

进一步，所述试验段中的实际马赫数的测量步骤包括：实时采集风洞稳定段总压P₀₁和试验段静压P₁₁，依据公式：P₀＝P₀₁-P₀₀+P_a0和P₁＝P₁₁-P₁₀+P_a0计算出相对总压P₀和相对静压P₁值；再根据公式：Ma＝sqrt(5.0*(POW(P₁/P₀，-0.2857)-1.0))，计算出实际马赫数Ma。

进一步，在风洞试验的启动阶段，根据积累的试验数据，预开调压阀到指定开度，然后打开风洞快速阀，高速气流经调压阀、稳定段和喷管后，加速到达试验段。

本发明的积极效果：(1)本发明的风洞马赫数控制器，基于风洞气源容量、压力和马赫数控制指标要求，提出了有效的马赫数控制策略，设计了风洞马赫数控制器，实现了对0.6米跨超音速风洞的连续马赫数和单喷管时的总压控制，达到了0.2％的控制精度要求。控制的过渡过程时间短、无超调，提高了试验的效率、节约了气源，达到了节能降耗的目的。(2)本发明的跨超音速风洞的连续马赫数控制精度要求达到0.002以内，单喷管时总压控制精度要求达到0.2％，过渡过程时间短、超调小或无超调，以提高试验效率、节约气源，实现节能降耗的目的。随着风洞试验的进行，在马赫数的控制过程中，气源压力会快速下降，且在不同的气源压力、不同的试验模型阻塞度下，马赫数和总压控制的参数是不同的，此外有些变量是难以预知的。面对这样一个非线性、多影响因素的系统，建立精确的数学模型是很困难的，采用单一的控制策略难以达到控制要求。为了提高风洞马赫数和总压控制的精度、快速性和进入误差带后的稳定性，在控制策略上采用分时间段使用不同的控制算法(亚跨音速马赫数控制、超音速总压控制均分为粗控和细调两个阶段)，在此基础上增加前馈控制环节和增加调压阀预开度的方法。增加前馈控制环节即就是根据气源压力的降低，对控制器提前增加一个控制量；调压阀预开度就是每次开始风洞试验前，计算机根据当前的球罐压力(气源压力)和第一个设定到的马赫数，将调压阀门调整到指定的开度(预开度)。粗控阶段采用带有自调因子的模糊智能控制算法，该智能控制方法可增强亚跨音速和超音速马赫数控制的适应性、快速性；细调阶段采用常规的PID控制算法以保证系统控制的准确性、稳定性。两者共同作用的结果是实现系统控制的快速性、准确性和稳定性。将实际马赫数Ma和给定的马赫数Mo进行比较，得到偏差ΔM＝Mo-Ma，根据带有自调因子的模糊智能控制算法或者常规的PID控制算法进行调节，控制算法的控制周期为0.1秒。当控制算法连续5次判定实际马赫数Ma在给定的误差范围内且试验模型的攻角已到位时，数据采集系统采集天平输出信号，采集数据完成后，系统自动变化到下一个攻角或者马赫数(通常称为试验的下一个状态)，然后重复前述的控制过程直到试验结束。(3)为了提高风洞马赫数和总压控制的精度、快速性和进入误差带后的稳定性，在控制策略上采用分时间段使用不同的控制算法(亚跨音速马赫数控制、超音速总压控制均分为粗控和细调两个阶段)，在此基础上增加前馈控制环节和增加调压阀预开度的方法。增加前馈控制环节即就是根据气源压力的降低，对控制器提前增加一个控制量；本控制器中的前馈控制环节也就是气源压力补偿控制，超音速要求气压大，但是气源容积有限，所以试验吹风过程中气源的压力下降较快，这就对总压控制系统产生了较大的扰动，使得系统控制品质降低。因此，增加气源压力补偿控制，根据检测到的气源压力提前给控制器增加一个控制量以弥补因气源压力的下降而引起的扰动。调压阀预开度就是每次开始风洞试验前，计算机根据当前的球罐压力(气源压力)和第一个设定到的马赫数，将调压阀门调整到指定的开度(预开度)。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为实施例中的风洞的结构示意图；图2为实施例中的风洞测控系统的组成框图；图3为实施例中的风洞测控系统的结构示意图；图4为实施例中的风洞控制的局部流程图；图5为实施例中的风洞控制流程图的A分支；图6为实施例中的风洞控制流程图的B分支。

具体实施方式

见图3-6，本实施例的风洞马赫数控制器包括：工业PC机，与该工业PC机相连的ISA总线，与ISA总线相连的用于控制调压阀和快速阀的模拟量输出控制电路，与ISA总线相连的用于获取气压、温度、调压阀开度和作用在试验模型上的多个空气动力参数的数据采集电路，与ISA总线相连的用于通过控制攻角机构而控制试验模型姿态的开关量输入输出电路。

当工业PC机连续5次判定实际马赫数Ma在ΔMW内，且试验模型的攻角已到位即试验模型姿态处于预设姿态时，工业PC机通过所述数据采集电路采集作用在试验模型上的多个空气动力参数(包括：作用在试验模型上的阻力、升力和俯仰力矩)。

然后控制试验模型变化到下一个攻角和/或控制试验段中的气流变化到下一马赫数，并重复上述的马赫数控制和各空气动力参数数据的采集过程。

所述的带有自调因子的模糊控制方法包括如下步骤：分别选取当前计算出的实际马赫数和设定马赫数、风洞稳定段的总压和实际测量值之间的误差(E)和误差变化率(EC)作为模糊控制器的输入变量，U定义为控制变量；E、EC及U的论域选取如下式：{E}＝{EC}＝{U}＝{-N，…，-2，-1，0，1，2，…，N}，则在全论域范围内带有自调因子的模糊控制规则的表达式可表示为：U＝-[α×E+(1-α)×EC]，其中：

0≤a₀≤a_S≤1，α∈[a₀，a_S]。

带有自调因子的模糊控制规则的特点是调整因子α在a_S至a₀之间随着误差绝对值|E|的大小呈线性变化，因N为量化等级，故α有N个可能的取值。所述模糊控制规则的表达式所描述的量化控制规则体现了按误差大小自动调整误差对控制作用的权重，且这种自动调整是在整个误差论域内进行的。对马赫数和总压控制来说，当马赫数和总压较大时具有高阶特性，所对应的误差变化率的加权要大些，误差加权要小些；当马赫数和总压较小时具有低阶特性，所对应的误差变化率的加权要小些，误差加权要大些；这一过程是自动调整完成的。显然，此自动调整过程充分体现了上述控制策略的要求，且具有不断优化的特点。

所述PID控制方法的控制步骤包括：工业PC机将测得的风洞中实际的马赫数与设定的马赫数比较后，经过控制器中控制算法的计算，再经过模拟量输出控制电路输出控制信号，以调节调压阀门开度，以实现马赫数的闭环控制。

所述试验段中的实际马赫数的测量步骤包括：实时采集风洞稳定段总压P₀₁和试验段静压P₁₁，依据公式：P₀＝P₀₁-P₀₀+P_a0和P₁＝P₁₁-P₁₀+P_a0计算出相对总压P₀和相对静压P₁值；再根据公式：Ma＝sqrt(5.0*(POW(P₁/P₀，-0.2857)-1.0))，计算出实际马赫数Ma。

在风洞试验的启动阶段，根据积累的试验数据，预开调压阀到指定开度，然后打开风洞快速阀，高速气流经调压阀、稳定段和喷管后，加速到达试验段。

当试验模型姿态到位且气流马赫数控制达到设定值后，通过风洞中的天平来测试作用在试验模型上的阻力、升力、俯仰力矩等多个空气动力参数。一组数据采集完毕后，改变试验模型姿态或改变气流马赫数重复上述过程。当整个试验任务完毕后，关闭风洞快速阀，随后，进行数据处理与分析。

风洞内的(总压是风洞稳定段的总压力，风洞内的静压是指试验段的静压力，均可通过不同的压力传感器获取数据)、气源压力、调压阀开度通过数据采集卡获得相应的数字量。在亚跨音速控制(Ma＝0.3-1.2，也称为连续马赫数控制)时，对获取的数据经过计算即可获得风洞中气流的实际马赫数，将其与设定的马赫数比较后，经过控制器中控制算法的计算，再经过模拟量输出控制卡输出控制信号到直流电动机驱动器，以改变电动机的转速和方向，从而调节调压阀门开度，进而改变风洞气压的大小，最终实现马赫数的闭环控制；在超音速控制(Ma＝1.35-2.5)时，对设定的不同马赫数，必须使用不同的喷管，对不同的喷管只需要控制稳定段的总压力到给定值，就认为达到了相应的马赫数值。

所述静压是流体中不受流速影响而测得的表面压力值。

所述总压是气流中静压与动压之和；动压是流体在流动过程中受阻时，由于动能转变为压力能而引起的超过流体静压力部分的压力。总压和静压均可通过不同的压力传感器获取数据。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims

1.一种风洞马赫数控制器，其特征在于包括：工业PC机，与该工业PC机相连的ISA总线，与ISA总线相连的用于控制调压阀和快速阀的模拟量输出控制电路，与ISA总线相连的用于获取气压、温度、调压阀开度和作用在试验模型上的多个空气动力参数的数据采集电路，与ISA总线相连的用于通过控制攻角机构而控制试验模型姿态的开关量输入输出电路；

在风洞试验的启动阶段采用带有自调因子的模糊控制方法来控制风洞的试验段中气流的马赫数，当试验段中气流的实际马赫数Ma≤3△MW时，改为采用PID控制方法控制该试验段中气流的马赫数；所述△MW为判断实际马赫数Ma是否稳定的误差值，△MW在0.001-0.005范围内取值；

当工业PC机连续5次判定实际马赫数Ma在△MW内，且试验模型的攻角已到位即试验模型姿态处于预设姿态时，工业PC机通过所述数据采集电路采集作用在试验模型上的多个空气动力参数；

然后控制试验模型变化到下一个攻角和/或控制试验段中的气流变化到下一马赫数，并重复上述的马赫数控制和各空气动力参数数据的采集过程；

所述PID控制方法的控制步骤包括：工业PC机将测得的风洞中实际的马赫数与设定的马赫数比较后，经过控制器中控制算法的计算，再经过模拟量输出控制电路输出控制信号，以调节调压阀门开度，以实现马赫数的闭环控制；

所述的带有自调因子的模糊控制方法包括如下步骤：

分别选取当前计算出的实际马赫数和设定马赫数、风洞稳定段的总压和实际测量值之间的误差E和误差变化率EC作为模糊控制器的输入变量，U定义为控制变量；

E﹑EC及U的论域选取如下式：

{E}={EC}={U}={-N，…，-2，-1，0，1，2，…，N }，

则在全论域范围内带有自调因子的模糊控制规则可表示为：

U=-[α×E+（1-α）×EC]，

其中：；0≤a₀≤a_S≤1，α∈[a₀,a_S]。

2.根据权利要求1所述的风洞马赫数控制器，其特征在于：所述试验段中的实际马赫数的测量步骤包括：

实时采集风洞稳定段总压P₀₁和试验段静压P₁₁，依据公式：P₀=P₀₁-P₀₀+P_a0和P₁=P₁₁-P₁₀+P_a0计算出相对总压P₀和相对静压P₁值；

再根据公式：Ma=sqrt(5.0*(POW(P₁/P₀,-0.2857)-1.0))，计算出实际马赫数Ma。

3.根据权利要求1所述的风洞马赫数控制器，其特征在于：在风洞试验的启动阶段，根据积累的试验数据，预开调压阀到指定开度，然后打开风洞快速阀，高速气流经调压阀、稳定段和喷管后，加速到达试验段。