CN110207936B - 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 (9)

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模型：

式中，x₁为压力、x₂为压力变化率；J和C为模型参数，J代表质量系数、C代表阻尼系数；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、计算基于步骤a中的二阶系统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作为引射器调压阀执行机构输入电压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为一阶RC滤波电路电阻，C₁为一阶RC滤波电路电容。

3.根据权利要求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。

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b中，k_r≥|d|_max，|d|_max为控制干扰量绝对值的最大值。

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。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求6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_rsgn(s(k))；

式中，sgn(s(k))为符号函数，定义如下：

8.根据权利要求7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。

9.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。

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