CN110441026A - 一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于气体流场测量技术领域，特别涉及一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，包括：标定差压变送器的静态零点值；通过自动对向探针对气体的流场进行测量；PLC对差压变送器电信号进行实时采集并转换成压力值，当铅垂面方向差压变送器与基准值的差值小于或等于第一预定值时，发送零的速度代码；否则计算得到俯仰角实时校准压力系数，并转换成速度控制代码；当探针角位移速度小于或等于第二预订数值时，将速度控制代码进行发送；否则设定的探针上限速度代码。本申请的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，解决了探针测量过程中超调量无法控制和测量时的探针摆动现象，提高沿栅距(或叶高)的步进速度，缩短试验周期，降低试验成本。

Description

一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法

技术领域

本申请属于气体流场测量技术领域，特别涉及一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法。

背景技术

在进行介质为气体的流场测量时，通常将测量探针安装在位移机构上对流场空间进行点、线和面的测量。所述四轴位移机构(栅后机构)，是能够在正交方向X、Y和Z三个方向上进行驱动，还有一个轴可以自由旋转，驱动探针沿探针轴旋转，如图1所示；所述三轴位移机构(栅前机构)，是能够在正交方向X和Y两个方向上进行驱动，还有一个轴可以自由旋转，驱动探针沿探针轴旋转。

在进行平面叶栅流场测量时，通常对试验件进、出口流场进行测量，叶栅测量示意图见图2，其中，1-1为进口测量截面，2-2为出口测量截面；在测量方式上有非对向测量、半自动对向测量和自动对向测量。非对向测量是将探针固定在图1旋转轴上，在沿栅距(或沿叶高)步进测量过程中，探针在图1旋转轴上转一定角度后旋转轴不动，录取探针在流场中的压力参数，根据探针校准曲线计算进出口流场的气动参数的过程；自动对向测量，是将探针固定在图1旋转轴上，探针是跟随气流变化发生角位移转动，并在控制角度误差范围内进行录取的流场气动参数，根据数据处理方法(算术平均、质量流量平均和掺混均匀)计算进出口流场的气动参数的过程；半自动对向是介于二者之间。

算术平均法是指使用探针测量一个栅距内的压力分布，以平均值作为出口截面(或进口截面)总压、静压和角度，计算出出口截面(或进口截面)实际马赫数；质量平均就是以测量点的质量流量为加权的平均值，其计算公式如下：

经无量纲化之后，上式可表示如下：

掺混均匀法如图2所示，以从测量截面到掺混均匀截面之间的一个栅距宽度的面积为控制体，通过求解其质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，即可得到掺混均匀截面的各项气动参数。其中，假设控制体工质为理想气体，具有恒定的比热容。

质量守恒方程如下：

轴向及周向动量守恒方程：

能量守恒方程：

以上各式中，下标1、2y和2分别代表上游进口测量截面、叶栅下游测量截面及掺混均匀截面，ω为气流速度。根据上面的假设，K1＝K2，T02＝T01，也即IM*＝IM。通过求解上述二次方程，可得：

一般来说，上式的最小正值即为要求解的临界马赫数。此时，不难求出掺混均匀截面的无量纲气动函数θ、q₂/P₂*和P₂/P₂*。将临界马赫数代入下式，可求得掺混均匀截面的马赫数及气流角。

将上述求得的各参数代入到周向动量守恒方程中，得到掺混均匀截面的无量纲总压P₂*/P₁*。在进口总压P1*已知的情况下，可求解掺混均匀截面的P₂*、P₂、q₂、M₂及气流角α₂，继而通过下式求得掺混均匀总压损失如下：

无论采用那种测量方式，都存在一定的测量误差，在非对向测量方法中存在探针校准误差、探针的安装误差和测量系统误差；在自动对向测量中也存在角度控制误差和测量系统误差，但二者使用的测量探针的探头是可以共用的，探针结构形式可以选用尖劈(或球型)的结构形式，尖劈探针探头结构形式如图3所示，图3中P₁、P₃为探针铅垂面方向测孔的压力值，P₂为探针总压测孔的压力值，P₄、P₅为探针管测静压。不同的是自动对向所使用的探针总压测孔在探针旋转的轴线上，这样探针无论如何旋转，总压孔都不会偏离测量截面。

在非对向测量中角度误差一般为±0.5°，可以采用算术平均、质量流量平均和掺混均匀的数据处理方法，自动对向系统如能控制探针偏离气流角在±0.5°范围内，也可以采用采用算术平均、质量流量平均和掺混均匀的数据处理方法。而传统的自动对向控制系统是由尖劈探针，差压变送器、转角机构、伺服放大器和可逆电机组成负反馈控制系统。探针自动跟踪系统采用的是负反馈控制模式，探针方向孔的压力信号输入到差压传感器上，将压力信号转换成电信号并输入到放大器中，由放大器控制角向可逆电机旋转，带动探针跟踪气流，同时位移机构沿图示测量截面进行步进沿栅距测量。由于系统采用的是硬件感应式负反馈控制跟踪方式，控制方法单一，控制完全靠硬件实现，必然导致探针在流场测量中产生波动，且波动幅度与差压变送器感应的流场压力信号的强弱成正比，这种探针在控制测量过程中存在一定小幅度的波动。

在测量过程中探针存在一定小幅度的波动，探针角度波动幅度在高马赫数变化达到±1.5°，在复杂流场中由于信号强探针波动的幅度会更大，探针甚至达到±2°的波动，而系统灵敏度靠手动调节，而在测量中是不便人工调节的，缺少智能化的控制手段，且在随动控制过程中测量气流角度超出非对向测量中角度误差±0.5°范围，表明采集测量的数据不适合质量流量平均和掺混均匀的数据处理方法，对提高流体气动参数的测量精度不利；另外探针波动到±1.5°，影响探针总压测量精度，不利于提高总压测试精度；当手动调低灵敏度时，探针随动控制系统感受信号的敏感度降低，尽管波动幅度减小，但探针跟随特性变差，跟踪气流精度变差，同样会影响到探针总压测量精度和角度测量的精度；在流场测量中，当高马赫数出现激波时，探针在一定程度波动(振动)幅度，对流场是一种扰动，对流场测量也会产生影响，特别是近壁面沿栅距测量，内部流动更为复杂，其测量的准确度严重降低，甚至影响壁面静压测量的精度。所以传统的探针负反馈控制系统，缺少智能的控制手段，灵敏度靠手动调节，随意性较大，在试验测量过程中，通过人为观察和判断，也很不便，不能实时处理，测量的数据重复性差。

综上所述，传统探针自动跟踪系统采用的是硬件负反馈的控制系统，其控制手段完全靠硬件实现，至少存在如下缺陷：

a)灵敏度靠手动调节，存在一定技术缺陷，如过程控制超调量大(或灵敏度低探针响应不敏感)，都会影响测量精度，在使用上也很不方便；

b)由于是硬件感应式负反馈控制方式，控制方法单一，探针波动受信号强弱影响很大，且系统缺少对灵敏度和超调量智能化控制方法，以及缺少对合格数据的诊断功能和减小探针波动幅度的手段，探针在测量中会有一定幅度的波动，这种探针小幅度的波动不利于提高测试系统的测量精度，也不利于提高测试系统的测量精度，探针的波动就决定了探针录取的数据不适合新型的数据处理方法的应用；

c)由于采用的硬件负反馈控制系统，其控制的稳态精度差的特点，限制了移位速度，试验周期长，增加了试验成本；

d)由于不能有效控制探针的波动，在高马赫数工况下，探针头部产生的激波会对流场有扰动，不利流场测量。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法。

本申请公开了一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，包括：

步骤一、标定接入方向测孔差压变送器的静态零点值，并做为差压变送器的基准值存入PLC指定的內存单元；

步骤二、通过自动对向探针对气体的流场进行测量；

步骤三、PLC对差压变送器电信号进行实时采集，其中，差压变送器用于实时感受探针总压测孔的压力值以及探针铅垂面方向两个测孔的压力值；

步骤四、PLC将采集到的差压变送器电流信号转换成压力值，并判断铅垂面方向两个测孔差压变送器与基准值的差值是否小于或等于第一预定值，当小于时，进行步骤五；当不小于时进行步骤六；

步骤五、PLC向伺服驱动器发送零的速度代码；

步骤六、PLC计算得到俯仰角实时校准压力系数，并经PLC将俯仰角校准压力系数放大取整，转换成速度控制代码，并进行步骤七；

步骤七、PLC判断自动对向探针角位移速度是否小于或等于第二预订数值，当小于时，进行步骤八，当不小于时进行步骤九；

步骤八、PLC实时将步骤六中转换后的速度控制代码发送给伺服驱动器；

步骤九、PLC将设定的探针上限速度代码实时发送给伺服驱动器。

根据本申请的至少一个实施方式，所述自动对向探针为五孔尖劈探针。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，所述第一预定数值为±0.04mA。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，所述俯仰角校准压力系数K_β通过如下公式获得：

其中，P₂为探针总压测孔的压力值，P₁和P₃分别为探针铅垂面方向两个测孔的压力值。

根据本申请的至少一个实施方式，所述第二预定数值为0.8转/分。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法及控制系统至少存在如下优点：

1)兼顾稳定性和动态相应的特点，建立了不同马赫状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系的控制算法，解决了探针测量过程中超调量无法控制和测量时的探针摆动现象，从而建立了伺服电机驱动探针和探针与气流偏角对应的速度关系，让探针在位置随动控制过程中自动协调稳态和动态对应的关系，提高了沿栅距(或叶高)的步进速度，缩短了试验周期，降低了试验成本；

2)解决了探针的波动和减小了稳态的控制精度，使探针在跟踪气流测量过程中角度控制在±0.3°范围内，满足非对向测量数据处理方法要求的基本条件(不波动，已知探针输入角度±0.3°的误差)，拓宽了测量试验数据处理方法的应用范围，如算数平均、质量流量平均和掺混均匀截面数据处理方法的应用，还可应用到更宽广范围内的数据处理方法。

附图说明

图1是四轴位移机构和测量探针结构示意图；

图2是叶栅测量示意图；

图3是超跨音速五孔尖劈探针结构示意图(部分剖视)；

图4是探针自动跟踪测控系统工作框图；

图5是探针方向测孔示意图；

图6是使用的五孔尖劈探针在±10°范围内标定的数据曲线图；

图7是使用的五孔尖劈探针在±0.9°范围内标定的数据曲线图；

图8是软件编程的基本指令；

图9是探针角位移随动系统控稳流程；

图10是一个栅距采集的出口气流角测量信息图；

图11是一个栅距采集的出口总压测量信息图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

为了提高流场测试精度和自动跟踪气流稳定性，使探针在流场测量过程中测得到、控得稳、测得准，就需要探针自动跟踪系统具有较高的控制精度和气流跟踪特性，气流跟踪特性包括稳定性、稳态精度和动态响应能力。

为解决探针负反馈控制模式下测量过程中波动的技术难题，和消除测量过程中的超调量过大现象，实现探针测量多用途、可测试性、可靠性高及智能化控制的特点。结合探针的结构形式、控制方式、数据处理方法和叶栅试验器结构的特点，改进了原探针自动跟踪系统，设计了既能用于自动对向又能用于非自动对向处理的探针自动控制系统，通过伺服驱动器位置控制模式和软件控制算法，生成对应于不同马赫数状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系的控制算法，以提高探针自动跟踪气流稳定程度，进一步提高了探针自动跟踪过程中自动采集气动参数的准确度，使探针测量与流场精细化测量及数据处理方法更好的融合，使测控系统在多用途，可测试性、可靠性高的智能化控制方面起到作用。

解决问题的具体技术方案说明如下：

改进后探针自动跟踪测控系统，该系统由压力测量探针、伺服驱动器、位移机构、伺服电机角位移编码器、差压变送器、DSA3217压力数据采集模块、PLC(可编程控制器)以及位移控制计算机、数据采集计算机和气动参数计算机组成。

PLC控制系统与上位机进行指令和数据交换，并接受上位机指令后对位移机构进行控制，拖动探针完成自动跟踪气流并移动点位完成平面叶栅位置测量控制工作，由PLC控制器通过软件控制算法，发序列发脉冲完成对伺服驱动器的控制，由伺服驱动器控制伺服电机，拖动探针跟踪气流的过程(包括消除探针波动和测量时锁定电机的功能)，提高自动对向测量精度和实现多种数据处理方法的应用；采用PSI9010、DSA3217和VXI对各温度测点、压力测点等进行测量，由数据采集计算机进行数据采集和控制；由位移控制计算机完成与PLC及气动参数计算机之间指令交换；由气动参数计算机进行气动性能计算并输出数据处理结果，系统工作框图见图4。

自动对向控制技术就是探针在流场中跟随气流变化的控制及探针所在位置信息的录取技术。探针自动对准气流含义如图5所示，探针的头部为楔型，两个楔面上各有一个垂直于楔面的方向测孔，用于感受气流压差的变化。如果探针对准气流，则两个方向测孔所感受的压力相等，即P₁＝P₃(或二者差值在阈值范围内)。探针自动跟踪系统工作性质就是在探针测量过程中，控制探针并保证P₁＝P₃，探针在各个测量点位置上，探针的轴线始终对准气流(忽略加工误差)。

图6为使用的五孔尖劈探针在±10°范围内标定的数据曲线，X轴为尖劈探针与气流方向的夹角，Y轴是五孔尖劈探针方向测孔的压力差值。从图中标定的数据曲线可以看出，探针在各个测量点位置上随着马赫数增大，探针方向测孔的差压值是变大的。图7是在图6的基础上，在±0.9°范围内，间隔0.1°插值后获得的探针标定曲线，从图中可以查出探针与气流夹角在±0.5°范围，且马赫数在0.3～0.9之间,探针方向测孔的最大差压值≯220Pa,根据非对向测试数据处理方法对探针测量精度要求≯±0.5°(≯220Pa)，且探针稳定就可以采用非对向的数据处理方法，如果有自动对向装置，能够自动跟踪气流，并能控制探针在±0.5°范围，测量时探针稳定不动，并保证探针在各个测量点位置上，探针的气动轴线始终对准气流，且在跟随气流过程中，角位移随动控制稳态精度误差域值不大于±0.3°(探针气动轴线不偏离气流±0.3°)，即可实现非对向测试数据处理方法的功能，且探针可以减少很多角度的标定范围，节省探针的校准费用。

由于原有的自动探针自动跟踪系统采用的是硬件负反馈控制系统，它的输出量的信息是(P1-P3)的压力信号，经压力变送器转换成模拟量信号与压力变送器零点的基准信号进行比较，经PLC比较后，通过偏差量的大小发出控制指令，控制伺服电机，完成探针自动跟踪气流并进行测量录取数据的过程；但是，其在探针跟踪气流的过程中会出现一定的波动。

为了提高系统测量的稳定性，避免探针波动过大和抖动带来测量误差，防止探针在跟踪气流过程中出现过大的超调量，解决的思路和具体步骤如下：

首先在探针转速上设定最高转速0.9转/分，其目地是避免探针对流场扰动，保持被测流场的相对稳定；

其次，为提高探针响应速度和在跟踪气流过程中增加系统敏感度自适应调节的能力，根据五孔尖劈探针校准压力系数公式，通过测量探针压力参数，经计算取得K_β修正系数，经PLC将K_β放大取整转换成速度控制代码,通过采用伺服驱动器位控模式，以达到控制控制伺服驱动器脉冲的频率，通过PLC对伺服驱动器进行控制，让伺服电机带动探针朝着能使差值电压减小的方向转动，以拖动探针跟踪气流，在逼近目标值时探针减速为零，从而使得探针在气流流动方向上(β≤±0.3°)达到自动平衡。

第三步是建立起不同马赫数工况下探针形成的位置与探针跟踪气流角位移速度的对应关系，从而使控制系统获取探针所处的流场形成位置、压力信息，并形成位置、压力-控制角位移速度的关系，使控制系统自动获取控制电机的转速代码，从而达到控制探针的稳定性，减小探针的稳太精度，避免探针波动，提高响应速度和不同马赫数的敏感度自适应调整能力。

第四步就是通过软件编程技术设定控制阈值，即设定稳态控制精度，将设定的上、下限值写入数据寄存器，将p₁-p₃测量参数也写入特定的数据寄存器中，通过PLC数据比较指令，判断探针与气流方向对向程度，及控制电机转动方向，并在设定的稳态精度范围内控制电机停转，提高探针的稳定性。

探针自动跟踪系统动作要求如下：探针偏离气流后，要有一定的响应速度，就需要拖动探针的伺服电机转速随探针角位移偏离气流的大小发生转速的变化，当探针轴线接近气流方向时，要求伺服电机转速趋于零，以达到减小探针的波动幅度；探针偏离气流后，在不同工况下要有一定的灵敏度的自适应调整能力，即当探针处于不同马赫数跟踪气流方向时，就需要拖动探针的伺服电机转速随马赫数强弱的大小发生转速的变化，避免气流强带来探针过大的波动，控制超调量；当探针对准气流后，在稳态精度范围内要防止探针抖动，既在设定阈值范围内锁定电机，避免了探针在测量采集时探针产生抖动现象，提高系统测量的稳定性。

根据探针自动跟踪系统动作要求，采用伺服驱动器位控模式，目的是避免模拟信号输入伺服驱动器产生零点漂移和电磁干扰的环节，另外便于PLC发出序列脉冲串控制伺服驱动器，增加硬件系统的稳定性，减小探针波动幅度；增加智能控制环节，将硬件和软件融合在一起，控制伺服驱动器，利用PLC判断探针方向测孔压力差值的极性及探针与气流方向偏移的程度，从而建立了伺服电机驱动探针和探针与气流偏角对应的速度关系，让探针在位置随动控制过程中自动协调稳态和动态对应的关系，并经PLC信号处理系统折算成速度信号发送给角位移控制系统来改写角位移控制速度代码和控制电机的方向；增加测量采集的控制环节，使系统对稳态精度具有能测性和能控性，能够判断对准气流的信息，在设定的稳态精度阈值范围内锁定电机，目的就是避免了探针在自动跟踪测量采集过程中产生抖动现象，提高测试精度和其它数据处理方法的应用。

实现的手段是依据PLC硬件特性和软件编程实现的，主要基本指令见图8，DT170是动态稳态误差转换代码，K20是设定控制稳态误差阈值的转换代码，当动态稳态误差在设定控制稳态误差阈值范围内，内部续电器工作，同时断开相应的触点，停止PLC向伺服驱动器发字符串系列脉冲，此时电机是处于锁定状态；DT160是放入采集差压变送器零点基准值，DT120是放入实时采集差压变送器的信号值，通过数据比较指令(实时采集值和零点基准值差值的极性)控制伺服电机的转向；DT324放入速度控制代码，经过PLC计算取得K_β修正系数，再将K_β放大取整转换成速度控制代码，以便在不同工况下自动控制电机的转速。

控制精度依据传统自动对向积累的数据：根据传感器0.3公斤量程及满量程输出毫伏值70毫伏(按放大器灵敏度0.1毫伏)计算，探针感受到的最大压力盲区范围[按公式△P＝(灵敏限/满量程毫伏)×量程]为：-0.429克～+0.429克.换算成水柱为-0.43cm～+0.43cm；如果采用0.1公斤量程及满量程输出毫伏值70毫伏，则探针感受到的最大压力盲区范围为：-0.143克～+0.143克，换算成水柱为-0.143cm水柱～+0.143cm水柱。

新机构组成的自动对向系统，其系统设定的不灵敏区为≤±0.05毫安，根据传感器0.1公斤量程及满量程输出毫伏值20毫安(按系统灵敏度±0.05毫安)计算，探针感受到的最大压力盲区范围[按公式△P＝(灵敏限/满量程毫伏)×量程]为：-0.25克～+0.25克，换算成水柱为-0.25cm～+0.25cm；如果系统设定的不灵敏区为≤±0.1毫安，则探针感受到的最大压力盲区范围为：-0.5克～+0.5克，换算成水柱为-0.5cm水柱～+0.5cm水柱。自动对向系统经过U型管水柱验证，稳态对向时，不超过1cm水柱，可以满足测量要求。

本发明控制系统稳的方法是在考虑了动态响应、稳态误差和试验成本前提下，根据五孔尖劈探针校准压力系数式中K_β为俯仰角校准压力系数，它反映β角的无因次量，之所以选择K_β，是因为它和探针管侧方向孔压力值有关联。式中通过P₁-P₃的极性，确定控制电机的转向；通过P₁-P₃的大小，建立探针的动态响应速度的关系；由于2P₂-(P₁+P₃)反映了不同马赫数下的量值关系，它与不同的马赫数状态有关(不同马赫数下测量的总压不同)，利用这一变化关系从而可建立灵敏度变化参数的控制，达到敏感度的自动调整，从而控制强气流波动的幅度。所以通过K_β建立了不同马赫状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系的控制算法，并经PLC信号处理系统折算成速度信号发送给角位移控制系统来改写角位移控制速度代码，从而建立了伺服电机驱动探针和探针与气流偏角对应的速度关系，让探针在位置随动控制过程中自动协调稳态和动态对应的关系及在稳态精度范围内锁定电机。即当偏角较大时，电机转速加快；当偏角较小时，电机转速减慢；当P₁-P₃在稳态精度阈值范围内时(探针方向测孔压力差值在设定的在阈值范围内)，电机不转动，目的就是避免了探针在自动跟踪测量过程中产生抖动现象。

通过这种理论控制方法，首先通过软件流程设定稳态精度阈值(不灵敏区范围)，在稳态精度阈值范围内锁定电机，避免探针抖动，以提高探针的无扰动稳定测量，以适合上述多种数据处理方法，提高测量的稳定性；其次通过K_β，建立了不同马赫状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系，提高探针感受气流敏感度进行自适应调节的能力，减小探针跟踪气流过程中的超调量和波动，以提高自动跟踪系统的稳定性和减小稳态误差，其流程图见图9所示。

具体地，结合图9，对本申请的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法的步骤总结如下：

步骤一、标定接入方向测孔差压变送器的静态零点值，并做为差压变送器的基准值存入PLC指定的內存单元；

步骤二、通过自动对向探针对气体的流场进行测量；其中，在通过尖劈探针对气体的流场进行测量时，自动对向探针优选为五孔尖劈探针。

步骤三、PLC对差压变送器电信号进行实时采集，其中，差压变送器用于实时感受探针总压测孔的压力值以及探针铅垂面方向两个测孔的压力值；

步骤四、PLC将采集到的差压变送器电流信号转换成压力值，并判断铅垂面方向两个测孔差压变送器与基准值的差值是否小于或等于第一预定值，当小于时，进行步骤五；当不小于时进行步骤六。其中，优选第一预定数值为±0.04mA。

步骤五、PLC向伺服驱动器发送零的速度代码；

步骤六、PLC计算得到俯仰角实时校准压力系数，并经PLC将俯仰角校准压力系数放大取整，转换成速度控制代码，并进行步骤七。

其中，俯仰角校准压力系数K_β通过如下公式获得：

其中，P₂为探针总压测孔的压力值，P₁和P₃分别为探针铅垂面方向两个测孔的压力值。

步骤七、PLC判断自动对向探针角位移速度是否小于或等于第二预订数值，当小于时，进行步骤八，当不小于时进行步骤九。其中，优选第二预定数值为0.8转/分。

步骤八、PLC实时将步骤六中转换后的速度控制代码发送给伺服驱动器；

步骤九、PLC将设定的探针上限速度代码实时发送给伺服驱动器。

本申请的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法中，智能控制是自动对向测试技术过程中提高流场测量稳定性和减小稳态误差的关键技术手段，确定了本发明的关键点：通过探针校准压力系数K_β，建立了不同马赫数状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系的控制算法，通过改变控制速度字的变量，建立了伺服电机驱动探针和探针与气流偏角对应的速度关系，让探针在位置随动控制过程中自动协调稳态和动态对应的关系，减小负反馈控制系统的超调量，提高探针测控系统的稳定性和测量精度，图10一个栅距采集的出口气流角测量信息，横轴为栅距，步长为0.25毫米，纵轴为气流角；图11为一个栅距采集的出口总压测量信息，所有压力值测量均为表压。从图10测量绘制的曲线来看，在探针随动控制测量中，在主流区相邻点角度差异≯0.3°，小于±0.5°的要求；从图11测量绘制的曲线来看，在试验中绝对压力值的精度为0.2％，满足平面叶栅压力测量精度的基本要求：△P＜±0.3％；从图10、11测量绘制的曲线来分析，在探针随动控制测量中，探针未产生抖动，进而提高了探针测量准确度，提高了控制的稳定性和探针测量气动参数的准确性。

综上所述，与原有的系统技术方案相比，本申请的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法及控制系统具有测试性与软件智能控制相融合的特点，优点和效益如下：

1)兼顾稳定性和动态相应的特点，建立了不同马赫状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系的控制算法，解决了探针测量过程中超调量无法控制和测量时的探针摆动现象，从而建立了伺服电机驱动探针和探针与气流偏角对应的速度关系，让探针在位置随动控制过程中自动协调稳态和动态对应的关系，提高了沿栅距(或叶高)的步进速度，缩短了试验周期，降低了试验成本；

2)采用了软件智能控制方法，对单点位置测量方面，在单点位置上设置采集次数和阈值限制，在设置上都更方便，通过调小阈值和在阈值范围内锁定电机的控制方法，便于掌握控制精度的调整，实现探针空间点的单点稳定控制和测量，提高了气动参数测量的稳定性和测量的准确度；

3)由于前两项智能化的控制手段，解决了探针的波动和减小了稳态的控制精度，使探针在跟踪气流测量过程中角度控制在±0.3°范围内，满足非对向测量数据处理方法要求的基本条件(不波动，已知探针输入角度±0.3°的误差)，拓宽了测量试验数据处理方法的应用范围，如算数平均、质量流量平均和掺混均匀截面数据处理方法的应用，还可应用到更宽广范围内的数据处理方法。

最后总结一下本申请的关键点和保护点：

本申请的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法及控制系统，探针在不同马赫数工况下自动跟踪气流过程中，自动调整响应速度的步骤，从而建立不同马赫数工况下探针形成的位置与探针跟踪气流角位移速度的对应关系，也就是建立了伺服电机驱动探针和探针与气流偏角对应的速度关系，从而使控制系统获取探针所处的流场形成位置、压力信息，并形成位置、压力-控制角位移速度的关系，所述的方法包括以任何适当的方式排序的下列步骤：

1)根据探针校准曲线和所选被控压力变送器的量程，对系统灵敏度阈值进行设定，以确定探针在随动过程中感受气流的不敏感区间，避免探针测量时产生抖动现象；

2)对系统进行静态校准，读取探针所处流场的静态零点值(即P₁-P₃＝0，2P₂-(P₁+P₃)＝0时)，探针在静态流场状态下，读取接入探针测孔的压力变送器的基准参考的信息值(即基准值)；

3)对真实流场进行控制和测量，其中所述不同马赫状态下探针角位移偏移量与气流方向之间存在相对的运动，并建立动态响应和敏感度控制传递的相应关系；

4)生成对应于在3)步骤中获得不同马赫状态下探针角位移偏移量与拖动探针角位移变化伺服电机转速的对应关系的控制算法，以调整探针负反馈控制过程中波动幅度；

5)对在未装试验件的风口及马赫数测量范围内对控制系统进行实际参数粗调整，在保证探针控制精度±0.3°且不抖动状态下，确定控制速度字的的系数值K(n＝K K_β)；

6)对试验件流场测量中及马赫数测量范围内进行实际参数细调整，让探针在位置随动控制过程中，兼顾稳态控制和动态响应，以减小负反馈控制系统的超调量，提高探针测控系统的稳定性和测量精度。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，其特征在于，包括：

步骤一、标定接入方向测孔差压变送器的静态零点值，并做为差压变送器的基准值存入PLC指定的內存单元；

步骤二、通过自动对向探针对气体的流场进行测量；

步骤三、PLC对差压变送器电信号进行实时采集，其中，差压变送器用于实时感受探针总压测孔的压力值以及探针铅垂面方向两个测孔的压力值；

步骤四、PLC将采集到的差压变送器电流信号转换成压力值，并判断铅垂面方向两个测孔差压变送器与基准值的差值是否小于或等于第一预定值，当小于时，进行步骤五；当不小于时进行步骤六；

步骤五、PLC向伺服驱动器发送零的速度代码；

步骤六、PLC计算得到俯仰角实时校准压力系数，并经PLC将俯仰角校准压力系数放大取整，转换成速度控制代码，并进行步骤七；

步骤七、PLC判断自动对向探针角位移速度是否小于或等于第二预订数值，当小于时，进行步骤八，当不小于时进行步骤九；

步骤八、PLC实时将步骤六中转换后的速度控制代码发送给伺服驱动器；

步骤九、PLC将设定的探针上限速度代码实时发送给伺服驱动器。

2.根据权利要求1所述的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，其特征在于，所述自动对向探针为五孔尖劈探针。

3.根据权利要求1所述的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述第一预定数值为±0.04mA。

4.根据权利要求3所述的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述俯仰角校准压力系数K_β通过如下公式获得：

其中，P₂为探针总压测孔的压力值，P₁和P₃分别为探针铅垂面方向两个测孔的压力值。

5.根据权利要求1所述的提高探针自动跟踪测量控制稳定性的方法，其特征在于，所述第二预定数值为0.8转/分。