CN103123504A

CN103123504A - 一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法

Info

Publication number: CN103123504A
Application number: CN2012105497628A
Authority: CN
Inventors: 杜宁; 芮伟; 路波; 易凡; 余立; 罗建国; 杨兴华; 秦建华; 郁文山; 郭洪涛; 金志伟; 龙秀虹; 马永一; 苏北辰; 蒋婧妍
Original assignee: High Speed Aerodynamics Research Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: High Speed Aerodynamics Research Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-05-29

Abstract

本发明提供一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，涉及航空航天工业风洞试验技术领域；其解决了传统的流场控制方式，不能满足颤振试验的需求的问题；技术方案包括风洞启动冲压后，使总压和主引射器压力按照给定速率爬升至首阶梯设定值；流场调节环节，控制马赫数达到目标设定值；变总压调节环节，控制主调压阀和主排气阀，使风洞总压和主引射器压力均达到各自的目标值；风洞关车时，控制当前主引射器压力逐渐降到设定的关车主引射器压力，控制当前风洞总压逐渐降到设定的风洞总压值。能颤振试验对暂冲式跨声速风洞变速压流场控制的要求，具有快速、准确、可靠的试验效果，且总压控制和马赫数控制精度高。

Description

一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法

技术领域

本发明涉及航空航天工业风洞试验技术领域，尤其是涉及一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法。

背景技术

颤振是飞行器上出现的一种破坏性振动，一旦飞行速压超过临界值，振幅就迅速增大。它是气动力、弹性力和惯性力作用下的自激振动，是从气流中吸取能量的结果。由于颤振的危害性，飞行器在飞行包线内绝对不允许出现颤振现象。飞行器颤振试验的目的是：(1)选择飞行器结构方案，研究结构参数对颤振特性的影响；(2)校核已设计飞行器的颤振特性；(3)验证理论计算方法。为了评估飞行器安全飞行的颤振包络线，需要在暂冲式跨声速风洞建立颤振试验技术。该需求对风洞流场控制方式提出了新的要求，即通过连续增加试验段气流总压的方法增加速压(即变速压控制)，逐步逼近颤振临界速压，直至增加到模型出现颤振现象。

颤振试验对风洞控制系统提出的具体要求如下：

1、马赫数试验范围0.3～1.2；

2、一次车总压试验范围105kPa～450kPa，总压的阶梯跨度可高达150kPa以上；

3、在启动过程中，速压平滑上升，且要求各阶梯总压调节过程不得超过下一阶梯总压设定值，由于总压阶梯最小变化量为0.5kPa，即总压调节过程的超调量以0.5kPa为限；

4、在出现险情时，具有自动平稳关车的能力，即关车时总压下降要均匀、速度要受控；

5、一个启动要完成4个以上尽可能多的速压阶梯。

目前，风洞采用常规吹风，其主要存在以下缺陷：

1、在风洞启动充压过程中，主要采用时间最优控制策略，导致总压和马赫数存在较大的超调，对模型的冲击较大，无法满足颤振试验的需求；

2、在流场稳定阶段，风洞不具备阶梯变速压的功能；

3、在风洞关车阶段，风洞流场不受控制，对模型会有较大的冲击。

因此，这种传统的流场控制方式，不能满足颤振试验的需求，为此需要重新研制新的流场控制方法来满足试验要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种能颤振试验对暂冲式跨声速风洞变速压流场控制的要求，具有快速、准确、可靠的试验效果，且总压控制和马赫数控制精度高的适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

(1)风洞启动冲压后，首先通过主调压阀和主排气阀对风洞总压进行控制，当总压达到一定值时，主调压阀转入控制主引射器压力，由主排气阀负责对风洞总压进行控制，然后由PLC核心控制器分别控制主调压阀和主排气阀，使总压和主引射器压力按照给定速率爬升至首阶梯设定值；

(2)栅指和驻室流量阀由位置闭环控制切换到马赫数闭环控制，控制马赫数达到目标设定值；

(3)利用暂态控制器和稳态控制器相结合的方式分别控制主调压阀和主排气阀，使风洞总压和主引射器压力均达到各自的目标值；

(4)风洞关车时，通过PLC核心控制器按照斜坡控制策略控制当前主引射器压力逐渐降到设定的关车主引射器压力，同时，PLC核心控制器按照总压控制策略控制当前风洞总压逐渐降到设定的风洞总压值。

优选的，步骤(1)中所述的主调压阀转入控制主引射器压力的方法为：PLC核心控制器将通过模拟量通道采集到的主引射器压力和试验需要的设定主引射器压力分别送入PID控制器，PID控制器将控制输出指令直接送入主调压阀控制系统进行主引射器压力的控制。

优选的，步骤(1)中所述的主排气阀负责对风洞总压进行控制的方法为：PLC核心控制器将通过模拟量通道采集到的风洞总压和试验需要的设定风洞总压，分别送入PID控制器，PID控制器将输出指令直接送入主排气阀控制系统进行风洞总压的控制。

其特征在于，步骤(2)中所述的栅指和驻室流量阀由位置闭环控制切换到马赫数闭环控制的方法为：当步骤(1)方法进行时，栅指或驻室流量阀的位置保持不变，当0.3＜Ma＜0.95时，采用栅指调节马赫数；0.95＜Ma＜1.05时，采用栅指和驻室流量阀协同调节马赫数；1.05＜Ma＜1.2时，采用驻室流量阀调节马赫数，Ma表示马赫数。

优选的，步骤(3)中所述的暂态控制器和稳态控制器相结合的方式具体为：当目标风洞总压值/目标主引射器压力与风洞总压命令值/主引射器压力命令值相差大于0.5kPa时，主排气阀控制系统/主调压阀控制系统采用暂态控制器的输出，当当目标风洞总压值/目标主引射器压力与风洞总压命令值/主引射器压力命令值相差小于0.5kPa时，主排气阀控制系统/主调压阀控制系统采用稳态控制器的输出。

优选的，步骤(4)中所述的斜坡控制策略为：主引射器压力控制采用斜坡信号控制，斜坡信号的斜率计算为变化的主引射器压力除以预期变化的时间。

优选的，步骤(4)中所述的总压控制策略为：总压控制先采用阶跃信号控制，到达一定切换点后采用斜坡函数控制直至接近设定的风洞总压值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提出风洞流场控制方法，基于颤振试验的技术指标要求，提出了基于运动规律法的变速压控制策略，实现了对暂冲式跨声速风洞变速压流场控制的要求，具有快速、准确、可靠的试验效果；

2)本发明的变速压流场控制方法实现了速压上升平稳，总压超调量小于0.5Kpa，在稳态过程中的总压控制精度在0.5%以内，马赫数控制精度在0.005以内，马赫数试验范围在0.3～1.2。

3)风洞关车过程实现了总压以任意斜率下降至安全区，减少风洞关车过程中气流对模型的冲击，确保了试验的安全。

附图说明

图1为Ma数控制原理框图；

图2为变速压控制策略设计原理图；

图3为变总压受控过程图；

图4为单神经元控制器原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

风洞控制系统主要包括主调压阀控制系统、主排气阀控制系统、栅指控制系统、驻室流量阀控制系统。其中，主调压阀控制系统主要负责控制风洞总压和主引射器压力；主排气阀控制系统主要负责控制风洞总压；栅指控制系统和驻室流量阀控制系统主要负责控制马赫数(当0.3＜Ma＜0.95时，采用栅指调节马赫数；0.95＜Ma＜1.05时，采用栅指和驻室流量阀协同调节马赫数；1.05＜Ma＜1.2时，采用驻室流量阀调节马赫数)。

风洞所涉及的主要参数包括：风洞总压P₀、风洞静压P_ct、主引射器压力P_zy、马赫数Ma和速压q。其中，各参数测量及计算方式如下：

P₀＝P₀₁+P_大气压，P₀₁为PLC实时采集的风洞稳定段压力传感器信号；

P_ct＝P₀₂+P_大气压，P₀₂为PLC实时采集的风洞驻室压力传感器信号；

P_zy＝P₀₃+P_大气压，P₀₃为PLC实时采集的主引射器段压力传感器信号；

Ma = \sqrt{5 [{(\frac{p_{0}}{p_{ct}})}^{\frac{2}{7}} - 1]};

q＝0.7×p_ct×Ma²。

由速压公式可以得出，在Ma数一定的前提下，可以通过改变风洞静压的方式来改变速压。由马赫数公式可以得出，在Ma数一定的情况下，静压和总压是相关的。为此，结合风洞的实际情况，我们采用改变总压的方式来实现变速压流场控制。

风洞流场控制的基本原理为：风洞核心控制器PLC将实时采集的风洞P₀和Ma数与试验给定的P₀和Ma数进行比较的结果，用于PLC中特定的控制算法，计算出的控制信号通过PLC输出通道，来控制主调压阀、主排气阀、驻室流量阀以及栅指的位置，最终获取试验所需的流场。

本发明提供的变速压流场控制方法将整个变速压流场控制过程分为启动充压、流场调节、变总压调节和关车等四个控制环节。

一、启动充压环节主要实现风洞从无风状态到首个总压阶梯变化的调节过程。本阶段要求风洞的总压和主引射器压力按照一定的速率逐步爬升到首阶梯设定值。共涉及主调压阀由控制总压到控制主引射器压力的切换以及主排气阀由位置闭环到总压闭环的切换。总压控制先为阶跃信号控制，到达一定切换点后采用斜坡函数直至接近目标总压，在接近目标总压后采用PID控制方法；主引射器压力采用的斜坡信号，实现无风状态到目标主引射器压力的建立，斜坡信号的斜率计算为变化的主引压力值除以预期变化的时间，最终实现流场的平稳建立，避免了速压的超调和对模型的冲击。

根据风洞的特点，主调压阀首先协助主排气阀对风洞总压进行控制，当总压到达一定值时，主调压阀转入控制主引射器压力，主排气阀负责控制风洞总压、栅指和驻室流量阀负责控制风洞Ma数。

本环节所涉及的具体步骤是：(1)试验前，根据试验需求(总压、Ma数、主引射器压力)，确定主调压阀初始位置、主排气阀的目标位置和整个变化的时间以及栅指的初始位置(该部分属于位置控制)；(2)当风洞启动充压后，当风洞总压低于100kPa时，主调压阀迅速运行到初始位置，主排气阀关闭。当风洞总压大于100kPa时，主调压阀就由控制总压切换到控制主引射器压力，PLC通过模拟量通道采集到的主引射器压力和试验需要的设定主引射器压力分别送入PID控制器，PID控制器将输出直接送入主调压阀系统进行主引射器压力的控制；主排气阀就由位置闭环切换到总压闭环控制，PLC通过模拟量通道采集到的风洞总压和试验需要的设定总压，分别送入PID控制器，PID控制器将输出直接送入主排气阀系统进行总压的控制。3)“两个切换”完成以后，PLC核心控制器就采用PID控制方法分别控制主排气阀和主调压阀，使总压和主引射器压力按照给定速率爬升首阶梯设定值。在整个过程中，栅指(或驻室流量阀)的位置保持不变。

二、流场调节环节主要实现流场的精确调节，涉及栅指和驻流的Ma数闭环控制；

图1是Ma数控制原理框图，如其所示，在风洞启动冲压环节完成以后，就进入流场调节环节，涉及到栅指和驻流由位置闭环切换到Ma数闭环控制。根据风洞的结构特性，我们风洞一共有三种马赫数调节方式，当0.3＜Ma＜0.95时，采用栅指调节马赫数；0.95＜Ma＜1.05时，采用栅指和驻室流量阀协同调节马赫数；1.05＜Ma＜1.2时，采用驻室流量阀调节马赫数。Ma数的精确调节主要采用PID调节方式，将目标值与当前值一同送入Ma数PID控制器中，PID根据当前与目标的偏差值(|ΔMa|)的大小选用不同的PID参数进行Ma数的调节(PID调节参数见表1)，直至Ma数控制精度达到设定值。

表1Ma数精调参数表

三、变总压调节环节主要实现从当前总压到目标总压的变化过程，涉及总压、主引压力的协同变化控制，在该阶段采用暂态控制器和稳态控制器相结合的方法。图2是变速压控制策略设计原理图，如图2所示，当目标总压值与总压命令值相差大于0.5kPa时，总压控制器采用暂态控制器的输出，当目标总压值与总压命令值相差小于0.5kPa时，总压控制器采用稳态控制器的输出，整个控制的总压输出量直接控制主排，主引压力的控制直接控制主调压阀。

定义：e_P0(k)＝P0_给定(k)-P0_反馈(k)；

e₂~e₄是目标总压与设定总压值的差值，e₁是目标总压值与当前总压值的差值，单位为kPa，ΔS为延时，单位为S。

在暂态控制器中，根据运动规律法的特征，过程分为4个调节部分，各段则根据误差和误差变化率智能选择调节参数。第一部分：e₁→e₂(K1)段，采用Bang-Bang控制策略，总压和主引压力以较大的设定变化率，由于惯性的影响，该过程为匀减速运动，激发出较大偏差变化速度

第二部分：e₂→e₃(K2)段，适当的降低总压和主引压力的变化速率，保持

的值基本不变化，尽量减小e_P0(k)的值，该过程为一个匀速过程；第三部分：e₃→e₄(K3)段，进一步适当的降低总压和主引压力的变化速率，直接降低

的值，避免产生超调，达到控制精度要求的范围，该过程是一个匀加速运动；第四部分：e₄→目标总压(K4)段是匀加速运动，系统已运行到控制精度要求的范围，采用保持控制量的策略，通过调节延时ΔS的时间达到控制超调量的目的，然后转入到稳态控制器的调节，ΔS的计算如公式(1)。整个暂态控制器中控制参数选择如表2和表3。整个总压受控过程如图3所示。

表2暂态控制控制参数

e₁

e₂

e₃

e4

e₁≥20kPa	0.8×e₁	0.1×e₁	0.5kPa
				5kPa≤e₁＜20kPa	0.85×e₁	0.15×e₁	0.5kPa
e₁＜5kPa	0.9×e₁	0.2×e₁	0.5kPa

表3(表2续表)暂态控制控制参数

(公式1)

稳态控制为单神经元PID控制器，是传统PID与神经网络的结合，主要用于总压小阶差调节和稳态过程，其原理如图4所示。

在图中神经元的特征取为：

X (k) = K_{u} (Σ_{i = 1}^{3} w_{i} (k) u_{i} (k)) / Σ_{i = 1}^{3} | | w_{i} (k) | |

u (k) = f [x (k)] = U_{\max} \frac{1 - e^{- x (k)}}{1 + e^{- x (k)}}

为了使单神经元控制器具有PID特性，可分别取状态量：

\begin{matrix} u_{1} (k) = T Σ_{i = 1}^{k} e (i) \\ u_{2} (k) = e (k) \\ u_{3} (k) = [e (k) - e (k - 1)] / T = Δe (k) \end{matrix}\}

神经元控制器的学习算法为：

v_i(k)＝e(k)|u(k)|u_i(k)

ω_i(k+1)＝ω_i(k)+η_iv_i(k)

公式中，K_u为控制器系数；f(x)为目标函数；

为神经元权值；u_i(k)为神经元输出，为PID系数，其中u₁(k)为积分系数；u₂(k)为u₃(k)；U_max为控制主排的最大位移量,为100mm。

η_i为学习因子；v_i(k)神经元输入；e(k)为系统误差；u(k)为系统输出。其中，参数选择如表4。

表4稳态控制器参数

(4)关车环节主要是实现总压平稳下降，使该过程成为涉及主引射压力、总压的多变量控制过程。

在关车环节为避免速压突然降低对模型产生的强烈冲击而导致模型损坏，需要在该阶段对风洞速压(即对总压和主引射压力)进行控制，直至风洞流场速压到安全范围再关闭阀门。根据试验模型的颤振规律，试验前先设定模型的速压安全区域，并最终确定关车时总压和主引压力的下降范围。主引压力是通过PLC采集安装在主引射器位置的压力传感器信号获取的，在关车阶段主要是用主调压阀来控制主引射器压力。关车信号发出时，以当前主引压力为初始值，设定的关车主引压力为目标值，核心控制器PLC按照斜坡控制策略对主引压力进行控制，达到逐步关闭主调压阀的目的。在降低主引压力的情况下，会导致总压P₀出现波动，因此在关车信号发出的同时，以当前总压为初始值，设定的关车总压为目标值，核心控制器PLC按照变总压控制策略对主排气阀进行控制，达到降低总压的目的。当下降到速压安全区域后，关闭主调压阀，主排气阀保持位置不变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述的主调压阀转入控制主引射器压力的方法为：PLC核心控制器将通过模拟量通道采集到的主引射器压力和试验需要的设定主引射器压力分别送入PID控制器，PID控制器将控制输出指令直接送入主调压阀控制系统进行主引射器压力的控制。

3.根据权利要求1所述的一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述的主排气阀负责对风洞总压进行控制的方法为：PLC核心控制器将通过模拟量通道采集到的风洞总压和试验需要的设定风洞总压，分别送入PID控制器，PID控制器将输出指令直接送入主排气阀控制系统进行风洞总压的控制。

4.根据权利要求1所述的一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的栅指和驻室流量阀由位置闭环控制切换到马赫数闭环控制的方法为：当步骤(1)方法进行时，栅指或驻室流量阀的位置保持不变，当0.3＜Ma＜0.95时，采用栅指调节马赫数；0.95＜Ma＜1.05时，采用栅指和驻室流量阀协同调节马赫数；1.05＜Ma＜1.2时，采用驻室流量阀调节马赫数，Ma表示马赫数。

5.根据权利要求1所述的一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，步骤(3)中所述的暂态控制器和稳态控制器相结合的方式具体为：当目标风洞总压值/目标主引射器压力与风洞总压命令值/主引射器压力命令值相差大于0.5kPa时，主排气阀控制系统/主调压阀控制系统采用暂态控制器的输出，当当目标风洞总压值/目标主引射器压力与风洞总压命令值/主引射器压力命令值相差小于0.5kPa时，主排气阀控制系统/主调压阀控制系统采用稳态控制器的输出。

6.根据权利要求1所述的一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的斜坡控制策略为：主引射器压力控制采用斜坡信号控制，斜坡信号的斜率计算为变化的主引射器压力除以预期变化的时间。

7.根据权利要求1所述的一种适用于暂冲式跨声速风洞的变速压流场控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的总压控制策略为：总压控制先采用阶跃信号控制，到达一定切换点后采用斜坡函数控制直至接近设定的风洞总压值。