CN106527519A - 一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流暂冲式超声速风洞的变速压流场控制方法，涉及超声速风洞试验控制领域；其解决了超声速风洞常规控制方法单次车不能进行多阶梯总压控制以及总压上升速率不可控，无法满足超声速颤振试验要求的问题；本发明包括风洞启动充压建立流场，总压稳定调节环节，变总压调节环节，风洞关车环节，根据不同情况采取不同关车策略，最终使风洞安全关车；该控制方法满足颤振试验对超声速风洞变速压流场控制的要求，具有运行可靠、参数给定方便等特点，总压控制超调小、精度高。

Description

一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法

技术领域

本发明涉及航空航天工业超声速风洞试验控制领域，尤其是涉及一种适用于直流暂冲式超声速风洞的变速压流场控制方法。

背景技术

颤振是在飞机、导弹等飞行器飞行中飞行速压超过临界值后出现的一种破坏性的结构振动，它是气动力、弹性力和惯性力相互作用下的一种自激振动。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在风洞中用动力相似模型再现颤振现象，了解飞行器颤振特性，确定危险飞行状态下的颤振临界速压和颤振频率，为飞行器安全飞行提供飞行包线数据。为了评估飞行器安全飞行的颤振包线，需要在超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要求，即单次车可以完成多个总压阶梯的控制，并且总压上升速率可控。

风洞速压计算公式为：

q＝0.7×P₀×(1+0.2×Ma²)^-3.5×Ma² (1)

其中，P₀表示稳定段总压，Ma表示马赫数。超声速风洞洞体条件确定后马赫数即确定，从式(1)中可以看出，在马赫数一定的条件下，速压与稳定段总压成正比，即可以通过改变稳定段总压值来调节速压(即变速压控制)，逐步逼近颤振临界速压，直至模型出现颤振现象。

超声速风洞常规试验流场控制方法分为启动充压、恒压调节和关车三个阶段，启动充压阶段主调压阀高开，待总压上升到目标值附近时回到预置开度位置，然后进入恒压调节阶段；恒压调节采用分段PID的串级控制方法；关车阶段，当马赫数小于等于2.0时直接关车，即直接关闭主调压阀，当马赫数大于2.0时引射关车，即开启引射调压阀调节引射压力，关闭主调压阀，待总压下降到小于预设的关车总压值后再关闭引射调压阀。这种常规控制方法主要存在以下缺陷：1、单次试验不能进行多个总压阶梯控制；2、总压上升速率不可控。3、关车时不能降低速压。

虽然暂冲式跨声速风洞已具备变速压流场控制能力，但超声速风洞与跨声速风洞结构不同，流场控制方法也不相同：跨声速风洞通过主调压阀控制主引压力，通过主排控制总压，同时通过栅指调节马赫数；在变速压试验的流场调节和变总压调节环节，采用了基于运动规律法的变PI智能控制方法，涉及主引和总压的协同变化控制，其本质上是压力闭环调节。而超声速风洞马赫数通过试验前预置的喷管型面确定，试验中通过主调压阀控制总压，因此跨声速风洞变速压流场控制方法并不适用于超声速风洞。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种满足颤振试验对直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制的要求，具有运行可靠、参数给定方便，且总压控制精度高的变速压流场控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据试验工况要求，确认试验马赫数、总压阶梯数、总压阶梯值、总压变化速率、总压PID控制参数等；

步骤二：风洞启动充压阶段，主调压阀高开，待总压快速上升到首阶梯值附近时再回到预置位置；

步骤三：总压稳定调节阶段，总压由主调压阀控制，采用总压分组、误差分段的PID控制方法；

步骤四：变总压调节阶段，根据设定的总压变化速率线性变目标总压至下一总压阶梯值，在该过程中根据当前气源压力、目标总压，通过压比-主调开度曲线实时计算出主调压阀位置值，控制主调压阀位置得到随时间变化的总压值；

重复上述步骤三、四直至完成所有预设总压阶梯；

步骤五：风洞关车阶段，当模型未发生颤振，风洞按程序完成所有总压阶梯后自动进入正常关车流程。

在上述技术方案中，在步骤二中，所述的主调压阀高开，是根据马赫数不同，在预置开度的基础上加上一个固定值；预置开度是试验前根据气源压力和目标总压，由压比-主调开度曲线计算出来的主调压阀位置。

在上述技术方案中，根据需要决定是否采用引射调压阀调节引射压力，辅助建立流场，当首阶梯总压值低于常规总压时，开启引射调压阀调节引射压力，辅助建立流场；当首阶梯总压值高于常规总压时，不开启引射调压阀。

在上述技术方案中，所述PID控制方法为：根据各阶梯总压值大小分组控制，每组采用不同的PID参数；在每组PID控制参数中，再根据总压误差大小分段选取PID参数。

在上述技术方案中，步骤四中变总压阶段基于压比-主调开度曲线的控制策略为：通过目标总压值和当前气源压力根据压比-主调开度曲线实时计算出主调开度，再通过主调位置闭环控制得到稳定段总压。

在上述技术方案中，线性变目标总压的方法是：根据要求的总压变化速率每个控制周期改变一次目标总压值，即每个控制周期的目标总压等于上个控制周期的目标总压与总压增量之和，其中总压增量等于设定的总压变化速率与控制周期时间的乘积。

在上述技术方案中，任一马赫数下的压比-主调开度曲线均通过该马赫数条件下历史试验数据用最小二乘法拟合得到。

在上述技术方案中，在步骤五中模型未发生颤振时，则主调压阀保持当前位置，待试验模型回退到驻室内后同时关闭主调压阀和引射调压阀。

在上述技术方案中，在步骤当模型发生颤振现象时，主调压阀按照设定速率关闭以降低风洞速压，使模型退出颤振状态，待试验模型回退到驻室内后再同时关闭主调压阀和引射调压阀。

在上述技术方案中，在步骤三与步骤四任一个步骤中如果模型发生颤振，则进入关车阶段。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明提出了总压分组、误差分段的PID总压稳定控制策略，单次车可以完成多个总压阶梯的控制，且总压控制精度高；

本发明提出了基于压比-主调开度曲线的变总压控制策略，使得总压上升速率可控，具有调试车次少、运行可靠、控制参数给定方便等优点。

本发明改变了常规控制方式，满足了颤振试验要求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

超声速风洞是在试验前根据马赫数要求将喷管型面和超扩段型面调节至对应位置，试验过程中调节稳定段总压得到相应马赫数条件下的超声速流场。主调压阀控制系统负责控制稳定段总压；引射调压阀控制系统负责控制引射压力；模型插入机构控制系统负责控制模型的插入与撤收。

超声速风洞速压计算公式如下：

q＝0.7×P₀×(1+0.2×Ma²)^-3.5×Ma²。

其中，q表示速压；P₀表示稳定段总压；Ma表示马赫数。

超声速风洞洞体条件确定后马赫数即确定，从速压公式中可以看出，在马赫数一定的条件下，速压与稳定段总压成正比，即可以通过改变稳定段总压值来调节速压。

本发明提供的变速压流场控制方法采用总压分组、误差分段的PID控制方法完成总压稳定控制；采用基于压比-主调开度曲线的方法完成变总压控制；不同情况采取不同关车方式，使风洞安全运行，取得较好效果。

如图1所示，试验前，根据试验工况调节风洞喷管型面和超扩段型面等洞体条件，确定总压阶梯数、总压阶梯值、总压上升速率、PID参数等控制参数。试验开始，由控制程序按照预定流程完成整个试验过程。

首先是风洞启动环节。本阶段要求稳定段总压快速上升到首阶梯目标总压附近，视情况是否启动引射调压阀辅助流场建立。当首阶梯总压值小于常规试验总压时启动引射调压阀调节引射压力，当首阶梯总压值大于等于常规试验总压时不启动引射调压阀。

启动环节的具体方法是：如果不需要引射，引射调压阀始终保持关闭，主调压阀首先开至高开位置，待总压上升到首阶梯目标总压值附近时主调压阀再开至预置开度位置。如果需要引射，试验开始首先引射调压阀开至预置开度位置，延时2秒后闭环调节使其稳定在目标引射压力；同时主调压阀开至高开位置，待总压上升到首阶梯目标总压值附近时主调压阀再开至预置开度位置。

其次是总压稳定调节环节。总压稳定调节环节主要实现总压精确调节，使其稳定在目标值允许误差范围内。

风洞在完成启动充压环节后，进入总压稳定调节环节，采用总压分组、误差分段的控制方法。为满足宽范围内不同总压阶梯的稳定要求，设置了三组总压稳定控制参数，通过“变速压阶段1”和“变速压阶段2”两个参数确定不同总压阶梯采用的总压稳定控制参数。具体划分方法如式(1)所示：

例如：Ma＝1.5时，总压阶梯序列为50kPa、70kPa、120kPa、140kPa、210kPa，设定“变速压阶段1”＝2，“变速压阶段2”＝5，则总压阶梯50kPa、70kPa采用组1的PID参数，总压阶梯120kPa、140kPa采用组2的PID参数，总压阶梯210kPa采用组3的PID参数。

在每组PID参数中，再根据目标总压与实际总压的误差值分段选取PI参数，具体规则如式(2)和式(3)所示：

式中，Kp、Ki分别为比例系数和积分系数；PO_err为总压目标值减去实际总压值的差值；E_p、E_i分别为设定的总压误差阈值。

例如：E_p1＝5kPa，E_p2＝1kPa，当总压误差P0_err＞5kPa时，比例系数取Kp1；当总压误差1kPa＜PO_err≤5kPa时，比例系数取Kp2；当PO_err≤1kPa时，比例系数取Kp3。

再次是变总压环节。变总压环节主要实现从当前阶梯总压按照预定速率平滑变化到下一阶梯总压，在该阶段采用基于压比-主调开度曲线的方法。

压比-主调开度曲线与常规试验相同，马赫数不同，压比-主调开度曲线不同。进入变总压环节，首先根据要求的总压变化速率确定目标总压的斜坡曲线，具体方法是：每个控制周期的目标总压等于上个控制周期的目标总压与总压增量之和，其中总压增量等于要求的总压变化速率与控制周期时间的乘积。然后根据当前气源压力、当前目标总压，结合压比-主调开度曲线实时计算出主调压阀位置，通过控制主调压阀位置来得到相应的总压。由于实际总压会滞后目标总压，因此当目标总压已增加到下一阶梯总压值后，目标总压保持该阶梯值，待总压上升到该目标总压误差范围内，再进入总压稳定调节环节。变总压环节和总压稳定调节环节如此循环，直至完成所有预设总压阶梯，进入关车环节。

最后是关车环节。关车环节主要实现风洞平稳关车，防止模型损坏。如果模型未发生颤振，在完成最后一个总压阶梯后，主调压阀保持当前位置，待试验模型回退到驻室内后关闭主调压阀和引射调压阀；试验中如果模型发生颤振现象，则输出-0.5V的电压给主调压阀控制器，使主调压阀以一定速率关闭，降低风洞速压，使模型退出颤振状态，同时进行试验模型撤收，待试验模型回退到驻室内后再同时关闭主调压阀和引射调压阀。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据试验工况要求，确认试验马赫数、总压阶梯数、总压阶梯值、总压变化速率、总压PID控制参数等；

步骤二：风洞启动充压阶段，主调压阀高开，待总压快速上升到首阶梯值附近时再回到预置位置；

步骤三：总压稳定调节阶段，总压由主调压阀控制，采用总压分组、误差分段的PID控制方法；

步骤四：变总压调节阶段，根据设定的总压变化速率线性变目标总压至下一总压阶梯值，在该过程中根据当前气源压力、目标总压，通过压比-主调开度曲线实时计算出主调压阀位置值，控制主调压阀位置得到随时间变化的总压值；

重复上述步骤三、四直至完成所有预设总压阶梯；

步骤五：风洞关车阶段，当模型未发生颤振，风洞按程序完成所有总压阶梯后自动进入正常关车流程。

2.根据权利要求1所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于：在步骤二中，所述的主调压阀高开，是根据马赫数不同，在预置开度的基础上加上一个固定值；预置开度是试验前根据气源压力和目标总压，由压比-主调开度曲线计算出来的主调压阀位置。

3.根据权利要求2所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于根据需要决定是否采用引射调压阀调节引射压力，辅助建立流场，当首阶梯总压值低于常规总压时，开启引射调压阀调节引射压力，辅助建立流场；当首阶梯总压值高于常规总压时，不开启引射调压阀。

4.根据权利要求1所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于所述PID控制方法为：根据各阶梯总压值大小分组控制，每组采用不同的PID参数；在每组PID控制参数中，再根据总压误差大小分段选取PID参数。

5.根据权利要求1所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于步骤四中变总压阶段基于压比-主调开度曲线的控制策略为：通过目标总压值和当前气源压力根据压比-主调开度曲线实时计算出主调开度，再通过主调位置闭环控制得到稳定段总压。

6.根据权利要求5所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于线性变目标总压的方法是：根据要求的总压变化速率每个控制周期改变一次目标总压值，即每个控制周期的目标总压等于上个控制周期的目标总压与总压增量之和，其中总压增量等于设定的总压变化速率与控制周期时间的乘积。

7.根据权利要求5所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于任一马赫数下的压比-主调开度曲线均通过该马赫数条件下历史试验数据用最小二乘法拟合得到。

8.根据权利要求1所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于在步骤五中模型未发生颤振时，则主调压阀保持当前位置，待试验模型回退到驻室内后同时关闭主调压阀和引射调压阀。

9.根据权利要求8所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于在步骤当模型发生颤振现象时，主调压阀按照设定速率关闭以降低风洞速压，使模型退出颤振状态，待试验模型回退到驻室内后再同时关闭主调压阀和引射调压阀。

10.根据权利要求1～9任一所述的一种大型直流暂冲式超声速风洞变速压流场控制方法，其特征在于在步骤三与步骤四任一个步骤中如果模型发生颤振，则进入关车阶段。