CN110207936A - 一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法 - Google Patents

Abstract

一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，能够实现一类亚跨超风洞亚跨声速试验的引射开车方式，降低模型载荷，进而提高试验精度。本发明采用基于模型的PI鲁棒控制方法提高引射压力控制的稳定性，减小引射压力波动，从而减小前室总压波动，提高流场品质；同时搭建了一阶RC低通滤波电路去除引射压力传感器反馈的高频噪声，减少执行器高频做动。本发明提出的亚跨声速引射开车方法流程如下：根据风洞试验马赫数确定引射压力，同时确定相关控制参数；开启引射器，利用基于模型的PI鲁棒控制方法控制引射压力；待引射压力稳定后开启主调压阀开始主调压阀调压；待试验数据采集完毕，关闭主调压阀和引射器，试验完成。

Description

一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法

技术领域

本发明属于风洞试验领域，涉及到风洞系统运行和压力闭环控制，具体是一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法。

背景技术

风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并度量气流对实体的作用效果的实验设备，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。风洞气流速度是风洞试验的重要指标，一般以马赫数表征，其定义为气流流速与当地声速的比值，用Ma符号表示。马赫数越高，气流速度越快。根据马赫数的不同，可将风洞分类为低速风洞，亚跨声速风洞，超声速风洞，高超声速风洞等。本发明针对一类亚跨超三声速风洞开展研究。图1给出了一种亚跨超三声速风洞的总体布局，其核心包括气源、主调压阀、前室、喷管、试验段、扩散段和引射器。

目前的风洞试验中，风洞的运行方式有两种：常规开车和引射开车。常规开车引射器处于关闭状态，仅靠主调压阀进行风洞马赫数调节；而引射开车采用“主调压阀+引射器”的工作模式。引射器是一种输送流体(气体、液体)的装置，它依靠高压流体流经喷管后所形成的高速流，引射另一种低压流体，即用一股流体带动另外一股流体运动。引射器用于风洞时，主要是作为风洞的驱动装置，在保证马赫数不变的前提下，通过引射器抽吸降低前室压力，进而减小试验模型载荷，或改变试验段雷诺数以满足试验需求等。

目前，引射开车方式主要用于超声速试验中，在亚跨试验中的应用较少。熊波等人在发明“引射驱动的闭环回流的暂冲式超声速流场控制方法”提出了把引射器作为风洞主驱动的亚跨引射开车方式，但其能量比较低；侯逸青等在发明“一种用于暂冲式亚跨超风洞亚跨流场引射开车的方法”中率先提出“冲压+引射”的亚跨开车方式，但其仅仅针对开车流程和阀门预置开度进行了研究。以上成果均未考虑引射压力波动对风洞试验的影响，事实上，对比超声速引射开车，亚跨引射开车在原理上存在如下难点：相对于气流方向，引射器位于试验段后侧，引射压力发生的波动会前传到试验段，因而会导致前室总压不稳；而超声速试验引射压力波动不会前传到试验段。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出了一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法。该方法可以实现亚跨声速试验的风洞引射开车，有效降低模型载荷，减小模型疲劳，进而提高试验精度。为了减小引射压力波动，本发明在控制策略上，提出了基于模型的PI鲁棒控制律来控制引射压力；在硬件上，采用一阶RC滤波电路对引射压力传感器输出进行低通滤波，滤除高频噪声。

本发明的技术解决方案为：一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，包含以下步骤：

步骤1：根据风洞试验给定的马赫数Ma确定引射器引射压力p_ig，并预置主调压阀开度a₀＝f₀(Ma)和引射器调压阀开度a_i＝f_i(p_ig)，其中，f₀()和f_i()分别是由历史吹风数据拟合得到的以Ma和p_ig为自变量的函数；

步骤2：开启引射器；

步骤3：利用气压传感器实时测量得到当前控制周期内的引射压力p_i(k)，经一阶RC滤波电路滤波后采集至流场控制下位机；

步骤4：根据步骤1中的引射器引射压力p_ig和步骤3所得的当前控制周期内的引射压力p_i(k)，利用基于模型的PI鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k)，执行机构驱动引射器调压阀运动，进行引射压力控制；k为正整数；

步骤5：根据步骤1中的引射器引射压力p_ig和实时测得的当前控制周期内的引射压力p_i(k)，判断引射压力是否稳定；若引射压力不稳定，返回步骤3，进行引射压力闭环控制；若引射压力稳定，进入步骤6；

步骤6：开启主调压阀，并根据步骤1中给定的马赫数Ma调节前室总压，使试验段马赫数达到给定值；

步骤7：关闭主调压阀和引射器。

步骤3中，一阶RC滤波电路的滤波截止频率f计算公式如下：

式中，R为滤波电路电阻，C₁为滤波电路电容。

步骤4中，利用基于模型的PI鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k)的具体步骤如下：

a、将引射器调压阀建模为如下二阶系统：

式中，x₁为压力、x₂为压力变化率；J和C为模型参数，分别代表质量系数和阻尼系数；u为控制输入，d为加在控制量上的干扰量；

b、设定控制周期为T，比例系数k_p，积分系数k_i，误差系数c，鲁棒系数k_r；

c、计算当前控制周期内的压力误差e(k)；

d、计算当前控制周期内的误差函数s(k)；

e、计算基于模型的当前控制周期内的控制项u_m(k)和鲁棒控制项u_r(k)；

f、计算当前控制周期内的控制输出u(k)，驱动引射器调压阀运动，进行引射压力调节；

g、返回步骤c，继续循环，进行闭环控制。

步骤a中，根据历史吹风数据，通过模型辨识获取引射器调压阀的模型参数J和C。

步骤b中，k_r≥|d|_max，|d|_max为控制干扰量绝对值的最大值。

步骤c中，e(k)＝p_ig-p_i(k)；

其中，p_i(k)代表当前控制周期内的引射压力。

步骤d中，

其中，p_i(k-1)代表上一控制周期内的实测引射压力。

步骤e中，

u_r(k)＝k_r sgn(s(k))；

式中，sgn(s(k))为符号函数，定义如下：

步骤f中，

其中，j＝0,1,2,3,...,k。

步骤5中，判断引射压力是否稳定的条件如下：

若连续10个控制周期内，p_i(k)、e(k)均满足如下条件，则判定引射压力稳定：

且

式中，max、min分别代表最大值函数和最小值函数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出的基于模型的PI鲁棒控制对于外界干扰和参数摄动具有较强的鲁棒性，可降低引射压力波动，避免压力波动影响前室总压波动；

(2)本发明提出的基于模型的PI鲁棒控制不关注控制的稳态误差，可提高引射压力控制的快速性，从而减小用气成本；

(3)本发明利用RC一阶滤波电路对传感器输出进行低通滤波以减小执行器高频做动，有利于减小引射压力波动。

附图说明

图1为暂冲式亚跨超三声速风洞的总体布局结构示意图；

图2为本发明亚跨声速引射开车方法流程图；

图3为一阶RC低通滤波电路图；

图4为引射压力控制系统的控制原理框图；

图5为基于模型的PI鲁棒控制算法流程图；

图6(a)是引射压力控制曲线；

图6(b)为风洞前室总压控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图2、图4所示，一种亚跨超风洞亚跨声速引射开车方法，具体包括下列步骤：

步骤1：根据风洞试验给定马赫数Ma确定引射器引射压力p_ig，并预置主调压阀开度a₀＝f₀(Ma)和引射器调压阀开度a_i＝f_i(p_ig)，其中f₀()和f_i()分别是由历史吹风数据拟合得到的以Ma和p_ig为自变量的函数。

步骤2：开启引射器。

步骤3：利用气压传感器实时测量得到当前控制周期内的引射压力p_i(k)，经一阶RC滤波电路滤波后采集至流场控制下位机。一阶RC滤波电路图如图3所示，其中R为滤波电路电阻，C₁为滤波电路电容。滤波电路截止频率计算公式如下：

选择合适的R和C₁可滤除高于截止频率f的高频噪声。

步骤4：利用基于模型的PI鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k)，此时执行机构驱动引射器调压阀运动，进行引射压力控制，具体整理为以下7个顺序执行步骤，如图5所示：

a、将引射器调压阀建模为如下二阶系统：

式中，x₁为压力、x₂为压力变化率；J和C为模型参数，分别代表质量系数和阻尼系数；u为控制输入，d为加在控制量上的干扰量。首先根据历史吹风数据，通过模型辨识获取引射器调压阀的模型参数J和C。

b、设定控制周期为T，比例系数k_p，积分系数k_i，误差系数c，鲁棒系数k_r。其中k_r≥|d|_max，|d|_max为控制干扰量绝对值的最大值，由先验知识和历史数据获取。

c、计算当前控制周期内的压力误差e(k)，其中

e(k)＝p_ig-p_i(k)；

p_i(k)代表当前控制周期内的引射压力；

d、计算当前控制周期内的误差函数s(k)，其中

p_i(k-1)代表上一控制周期内的实测引射压力。

e、计算基于模型的当前控制周期内的控制项u_m(k)和鲁棒控制项u_r(k)，其中

u_r(k)＝k_rsgn(s(k))

式中sgn(s(k))为符号函数，定义如下：

f、计算当前控制周期内的控制输出u(k)，驱动引射器调压阀运动，进行引射压力调节。其中

j＝0,1,2,3,...,k；

g、返回步骤c，继续循环，进行闭环控制。

步骤5：判断引射压力是否稳定，判断引射压力是否稳定的方法如下：在连续10个控制周期内的采集引射压力p_i(k)并计算引射压力误差e(k)，若连续10个控制周期内，p_i(k)、e(k)均满足：

且

则引射压力稳定。式中，max、min分别代表最大值函数和最小值函数。

若引射压力不稳定，返回步骤3，进行引射压力闭环控制；若引射压力稳定，进入步骤6。

步骤6：开启主调压阀，并根据步骤1所得的所述给定马赫数Ma调节前室总压，使试验段马赫数达到给定值。

步骤7：试验完成，同时关闭主调压阀和引射器。

按照上述步骤，本发明开展了亚跨引射开车风洞试验。相关参数配置如下：试验马赫数Ma＝0.9，给定引射压力p_ig＝0.38MPa；滤波电阻R＝4.7kΩ，滤波电容C₁＝6.8μF；模型参数J＝8.012，C＝11.364；控制周期T＝0.02s，比例系数k_p＝1.2，积分系数k_i＝0.013，误差系数c＝2，鲁棒系数k_r＝0.2。

试验结果展示在图6(a)、图6(b)之中，并在两个方面展示了本发明的有效性。

图6(a)是引射压力控制曲线，由图可知，引射压力在第82个采样点达到稳定，稳定后max(e(k))＝0.009， 引射压力波动很小，控制效果良好。

图6(b)展示了风洞前室总压控制效果图，可见在第82个采样点主调压阀开启，且总压稳定后稳定在0.094MPa附近，波动范围在0.4％以内，可见引射压力波动对总压的影响符合试验标准；同时，由历史吹风数据可知，若采用常规开车方式，总压会稳定在0.12MPa附近，而总压越大，模型载荷越大，故本发明提出的方法能有有效降低模型载荷。

需要说明的是，上述实施过程中的算法相关参数可依据实际情况酌情修改，并非是本发明的实施方式限定。对于本发明所属领域的从业人员来说，在上述说明的基础之上可以酌情修改相关算法参数。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：根据风洞试验给定的马赫数Ma确定引射器引射压力p_ig，并预置主调压阀开度a₀＝f₀(Ma)和引射器调压阀开度a_i＝f_i(p_ig)，其中，f₀()和f_i()分别是由历史吹风数据拟合得到的以Ma和p_ig为自变量的函数；

步骤2：开启引射器；

步骤3：利用气压传感器实时测量得到当前控制周期内的引射压力p_i(k)，经一阶RC滤波电路滤波后采集至流场控制下位机；

步骤4：根据步骤1中的引射器引射压力p_ig和步骤3所得的当前控制周期内的引射压力p_i(k)，利用基于模型的PI鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k)，执行机构驱动引射器调压阀运动，进行引射压力控制；k为正整数；

步骤5：根据步骤1中的引射器引射压力p_ig和实时测得的当前控制周期内的引射压力p_i(k)，判断引射压力是否稳定；若引射压力不稳定，返回步骤3，进行引射压力闭环控制；若引射压力稳定，进入步骤6；

步骤6：开启主调压阀，并根据步骤1中给定的马赫数Ma调节前室总压，使试验段马赫数达到给定值；

步骤7：关闭主调压阀和引射器。

2.根据权利要求1所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤3中，一阶RC滤波电路的滤波截止频率f计算公式如下：

式中，R为滤波电路电阻，C₁为滤波电路电容。

3.根据权利要求1或2所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤4中，利用基于模型的PI鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k)的具体步骤如下：

a、将引射器调压阀建模为如下二阶系统：

式中，x₁为压力、x₂为压力变化率；J和C为模型参数，分别代表质量系数和阻尼系数；u为控制输入，d为加在控制量上的干扰量；

b、设定控制周期为T，比例系数k_p，积分系数k_i，误差系数c，鲁棒系数k_r；

c、计算当前控制周期内的压力误差e(k)；

d、计算当前控制周期内的误差函数s(k)；

e、计算基于模型的当前控制周期内的控制项u_m(k)和鲁棒控制项u_r(k)；

f、计算当前控制周期内的控制输出u(k)，驱动引射器调压阀运动，进行引射压力调节；

g、返回步骤c，继续循环，进行闭环控制。

4.根据权利要求3所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤a中，根据历史吹风数据，通过模型辨识获取引射器调压阀的模型参数J和C。

5.根据权利要求4所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤b中，k_r≥|d|_max，|d|_max为控制干扰量绝对值的最大值。

6.根据权利要求3所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤c中，e(k)＝p_ig-p_i(k)；

其中，p_i(k)代表当前控制周期内的引射压力。

7.根据权利要求3所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤d中，

其中，p_i(k-1)代表上一控制周期内的实测引射压力。

8.根据权利要求3所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤e中，

u_r(k)＝k_r sgn(s(k))；

式中，sgn(s(k))为符号函数，定义如下：

9.根据权利要求3所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤f中，

其中，j＝0,1,2,3,...,k。

10.根据权利要求1所述的一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法，其特征在于：步骤5中，判断引射压力是否稳定的条件如下：

若连续10个控制周期内，p_i(k)、e(k)均满足如下条件，则判定引射压力稳定：

且

式中，max、min分别代表最大值函数和最小值函数。