CN112462813A - 一种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置及控制方法，包括：风洞，其前端安装有气源压力传感器，风洞稳定段安装有稳定段压力传感器；控制器，其通过电缆连接有高频响阀，高频响阀安装在液压阀组上；伺服油缸，液压阀组通过液压管与伺服油缸的无杆腔和有杆腔相接，且伺服油缸固定连接有调压阀，伺服油缸和调压阀位于风洞内部；伺服油缸内部安装有内置位置传感器，调压阀的阀体上安装有外置位置传感器，且内置位置传感器、外置位置传感器、气源压力传感器和稳定段压力传感器分别通过电缆与控制器相接。本发明的控制方法可虚拟出调压阀的具体位置，实现调压阀位置控制，避免因调压阀失控带来安全事故。

Description

一种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装 置及控制方法

技术领域

本发明属于暂冲式高速风洞控制技术领域，更具体地说，本发明涉及一 种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置及控制方法。

背景技术

目前，随着先进飞行器研制的提速发展，为了满足型号研制的需求，对 风洞流场品质要求越来越高。在高速风洞领域，为了提高风洞流场品质，通 常采用大收缩比的稳定段的设计方案。该设计方案的优势可以有效提高风洞 湍流度指标，对准确模拟飞行器表面转捩位置和气流分离有较大益处。但是 缺陷是显著增大了稳定段的容积，使得通过进气管道进入稳定段的气体存在 明显的迟滞效应，较大程度的影响了该类风洞的总压控制精度。由于迟滞效 应的影响，传统基于稳定段压力反馈的总压闭环控制策略很难在较短的控制周期内消除该迟滞效应，实现总压的快速精确闭环控制，只能增加控制周期， 增加调节时长来实现总压的闭环控制。如此一来，一是显著增加的风洞总压 控制时间，增大的风洞能源消耗，不利于提高风洞试验效率；二是对控制参 数的调试和整定要求很高，如果参数匹配不好，容易造成总压控制震荡和发 散，超声速时极易引起超声速流场的破坏，造成正激波回退，使得试验模型 出现较大幅度的振动，严重时，风洞设备和试验模型都存在巨大的安全风险。 为了解决总压大滞后的问题，在控制逻辑上采用了基于调压阀位置闭环控制的总压控制策略，该控制策略的优势是在压力迟滞效应严重的启动阶段采用 调压阀大开度，实现稳定段气体的快速充压需求，满足高开切换点后，调压 阀迅速采用低开度，实现稳定段启动过充气体的快速排放，满足低开切换点 后，调压阀迅速转入稳态闭环控制。采用该方法很好的解决了压力迟滞的问 题。但是该方法的缺点是必须高度依赖调压阀的实时阀门位置反馈。如果调 压阀位置传感器出现故障，整个阀门将失控且最终调压阀将处于全开状态。 当出现该故障时极易使得风洞稳定段超压过载，虽然可以通过稳定段的电接 点压力表实现快速阀的关闭，但是在调压阀失控过程中，对风洞内构件和试 验模型将带来成倍的载荷冲击，安全风险异常突出。目前针对该问题，还未 发现在技术上有较为成熟的解决方案。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说 明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于虚拟阀位 解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置，包括：

风洞，其前端安装有气源压力传感器，风洞稳定段安装有稳定段压力传 感器；

控制器，其通过电缆连接有高频响阀，所述高频响阀安装在液压阀组上； 伺服油缸，所述液压阀组通过液压管与伺服油缸的无杆腔和有杆腔相接，且 所述伺服油缸固定连接有调压阀，所述伺服油缸和调压阀位于风洞内部；

所述伺服油缸内部安装有内置位置传感器，所述调压阀的阀体上安装有 外置位置传感器，且所述内置位置传感器、外置位置传感器、气源压力传感 器和稳定段压力传感器分别通过电缆与控制器相接。

优选的是，其中，所述高频响阀根据控制器输出的电流大小驱动伺服油 缸运动，伺服油缸推动调压阀运动，从而实现调压阀运动控制；内置位置传 感器和外置位置传感器正常状态下负责完成调压阀位置反馈，当内置位置传 感器和外置位置传感器出现故障时，控制器立即将反馈切换到虚拟阀位解算 算法回路，根据气源压力传感器和稳定段压力传感器分别实时测量的气源压 力和风洞稳定段压力实时计算获得压比条件下，虚拟出调压阀的具体位置， 并依托该位置，实现风洞总压的闭环控制。

一种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置的控制方 法，包括以下步骤：

步骤一、给定试验条件，包括：风洞洞体条件、马赫数M_i、稳定段压力 P₀₁和稳定段压力误差dP；

步骤二、根据气源压力传感器实时测量的气源压力P_A和稳定段压力P₀₁， 计算出调压阀高开位置开度S_g1；这里，在系统调试完后，通过查表可以得到 调压阀位置开度S_g1；

步骤三、开始试验，控制器进行基于调压阀阀门位置闭环控制的稳定段 压力P₀₁闭环压力控制；

步骤四、实时检测内置位置传感器和外置位置传感器，如果内置外置传 感器正常，则继续使用内置位置传感器接入位置反馈回路参与调压阀位置控 制；

步骤五、如果内置位置传感器出现异常而外置位置传感器工作正常，则 断开内置位置传感器传输给控制器的反馈信号，将外置位置传感器接入位置 反馈回路参与调压阀位置控制；

步骤六、如果内置位置传感器和外置位置传感器均出现异常，则断开内 置位置传感器和外置位置传感器传输给控制器的反馈信号，控制器直接切换 到基于虚拟阀位解算的调压阀阀位安全控制策略；根据气源压力传感器测量 的气源压力P_A和给定的稳定段压力P₀₁实时计算压比ε₁，计算方法为： ε₁＝P₀₁/P_A；

步骤七、根据气源压力传感器测量的P_A和实时风洞稳定段压力P₀₂计算压 比ε₂，计算方法为：ε₂＝P₀₂/P_A；

步骤八、根据风洞调试数据获得的调压阀阀门位置与压比的函数关系， 将ε₁和ε₂分别代入，反算求解获得调压阀实时目标开度S_g和当前实际开度S_r；

步骤九、根据对应的需要调节的调压阀相对位置变化Δs＝s_g-s_r，经过 Δi＝k_pΔs算法调节获得输出控制信号Δi；

步骤十、控制器根据ΔS输出控制信号Δi至高频响应阀，调节调压阀位置；

步骤十一、如此往复循环步骤六～步骤十，进行风洞稳定段压力闭环控制， 当|ΔP₀＝P₀₂-P₀₁|≤k·dP时，执行关车流程，其中1≤k＜2。

优选的是，其中，所述步骤八中调压阀阀门位置与压比的函数关系为 ε＝f(λ_wi,λ_2i,ξ_i,s)，ε＝f(λ_wi,λ_2i,ξ_i,s)的具体表达式如下：

其中，λ_wi为马赫数M_i对应的阀门前速度关系；λ_2i为马赫数M_i对应的阀 门后速度关系；ξ_i为马赫数M_i对应的总压力损失系数；

为阀门最小相对开 度；

为阀门最大相对开度；

为阀门曲线切换点，取值范围(0,1)；s_max为 调压阀阀门最大位置开度；

为调压阀阀门相对位置开度；s为调压阀阀门开 度。

优选的是，其中，所述控制器向高频响阀传输电流信号大小为﹣ 10mA～10mA，用以控制高频响阀阀芯运动；

所述内置位置传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20m A；

所述外置位置传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20m A；

所述稳定段压力传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20 mA；

所述气源压力传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20m A。

优选的是，其中，所述控制器为NI PXI-8119RT控制器；

所述气源压力传感器和稳定段压力传感器为Mensor CPT6180压力传感 器；

所述内置位置传感器为MTS RH-M-0620M-D60-A-A01位移传感器；

所述位置位置传感器为NOVOtechnic LWX-002型电位器式位移传感器；

所述高频响阀为MOOG D662-4659高频响阀；

所述伺服油缸为力士乐CSH1MT4/140/90液压油缸。

本发明至少包括以下有益效果：本发明提供的基于虚拟阀位解算的暂冲 式高速风洞调压阀安全控制装置及控制方法，在内置位置传感器和外置位置 传感器出现故障时，能立即切换反馈回路，采用本发明的控制方法据需实现 调压阀位置的可靠控制，可以避免因调压阀失控带来安全事故。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将 通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明提供的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控 制装置结构示意图；

图2为本发明提供的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控 制方法步骤示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照 说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不 配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语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发明和简化描述，并不是 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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于 描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置 有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连 接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连 接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部 的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介 间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征 在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下 方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示：本发明的一种基于调压阀虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞 调压安全控制装置，包括：

风洞5，其前端安装有气源压力传感器62，风洞5稳定段安装有稳定段 压力传感器61；

控制器1，其通过电缆连接有高频响阀21，所述高频响阀21安装在液压 阀组22上；伺服油缸3，所述液压阀组22通过液压管与伺服油缸3的无杆 腔和有杆腔相接，且所述伺服油缸3固定连接有调压阀5，所述伺服油缸3 和调压阀5位于风洞内部；

所述伺服油缸3内部安装有内置位置传感器41，所述调压阀5的阀体上 安装有外置位置传感器42，且所述内置位置传感器41、外置位置传感器42、 气源压力传感器62和稳定段压力传感器61分别通过电缆与控制器1相接。

工作原理：如图1所示，图1中粗线箭头表示气流方向，即气流从风洞 5的前端流向稳定段，通过控制调压阀5的开度可以控制风洞5稳定段的气 流压力；所述高频响阀21根据控制器1输出的电流大小驱动伺服油缸3运动， 伺服油缸3推动调压阀5运动，从而实现调压阀5运动控制；内置位置传感 器41和外置位置传感器42正常状态下负责完成调压阀5位置反馈，当内置 位置传感器41和外置位置传感器42出现故障时，控制器1立即将反馈切换 到虚拟阀位解算算法回路，根据气源压力传感器62和稳定段压力传感器61 分别实时测量的气源压力和风洞稳定段压力实时计算获得压比条件下，虚拟 出调压阀5的具体位置，并依托该位置，实现风洞总压的闭环控制。

一种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置的控制方 法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤一、给定试验条件，包括：风洞洞体条件、马赫数M_i、稳定段压力 P₀₁和稳定段压力误差dP；

步骤二、根据气源压力传感器62实时测量的气源压力P_A和稳定段压力 P₀₁，计算出调压阀高开位置开度S_g1；

步骤三、开始试验，控制器进行基于调压阀5阀门位置闭环控制的稳定 段压力P₀₁闭环压力控制；

步骤四、实时检测内置位置传感器41和外置位置传感器42，如果内置 外置传感器41正常，则继续使用内置位置传感器41接入位置反馈回路参与 调压阀5位置控制；

步骤五、如果内置位置传感器41出现异常而外置位置传感器42工作正 常，则断开内置位置传感器41传输给控制器1的反馈信号，将外置位置传感 器42接入位置反馈回路参与调压阀5位置控制；

步骤六、如果内置位置传感器41和外置位置传感器42均出现异常，则 断开内置位置传感器41和外置位置传感器42传输给控制器1的反馈信号， 控制器直接切换到基于虚拟阀位解算的调压阀阀位安全控制策略；根据气源 压力传感器62测量的气源压力P_A和给定的稳定段压力P₀₁实时计算压比ε₁， 计算方法为：ε₁＝P₀₁/P_A；

步骤七、根据气源压力传感器62测量的P_A和实时风洞稳定段压力P₀₂计 算压比ε₂，计算方法为：ε₂＝P₀₂/P_A；

步骤八、根据风洞调试数据获得的调压阀5阀门位置与压比的函数关系， 将ε₁和ε₂分别代入，反算求解获得调压阀5实时目标开度S_g和当前实际开度 S_r；

步骤九、根据对应的需要调节的调压阀5相对位置变化Δs＝s_g-s_r，经过 Δi＝k_pΔs算法调节获得输出控制信号Δi；

步骤十、控制器1根据ΔS输出控制信号Δi至高频响应阀21，调节调压 阀5位置；

步骤十一、如此往复循环步骤六～步骤十，进行风洞稳定段压力闭环控制， 当|ΔP₀＝P₀₂-P₀₁|≤k·dP时，执行关车流程，其中1≤k＜2。

在上述技术方案中，所述步骤八中调压阀5阀门位置与压比的函数关系 为ε＝f(λ_wi,λ_2i,ξ_i,s)，ε＝f(λ_wi,λ_2i,ξ_i,s)的具体表达式如下：

其中，λ_wi为马赫数M_i对应的阀门前速度关系；λ_2i为马赫数M_i对应的阀 门后速度关系；ξ_i为马赫数M_i对应的总压力损失系数；

为阀门最小相对开 度；

为阀门最大相对开度；

为阀门曲线切换点，取值范围(0,1)；s_max为 调压阀阀门最大位置开度；

为调压阀阀门相对位置开度；s为调压阀阀门开 度。

在上述技术方案中，所述控制器1向高频响阀21传输电流信号大小为﹣ 10mA～10mA，用以控制高频响阀阀芯运动；

所述内置位置传感器41通过电缆向控制器1传输电流信号大小为4mA～ 20mA；通过电缆向控制器1传输4mA～20mA电流信号，直接反馈油缸运动 位置；

所述外置位置传感器42通过电缆向控制器1传输电流信号大小为4mA～ 20mA；通过电缆向控制器1传输4mA～20mA电流信号，直接反馈伺服油缸 3的运动位置；

所述稳定段压力传感器61通过电缆向控制器1传输电流信号大小为4m A～20mA，直接风洞5反馈稳定段总压力；

所述气源压力传感器62通过电缆向控制器1传输电流信号大小为4mA～ 20mA，直接反馈气源压力。

在上述技术方案中，所述控制器1为NI PXI-8119RT控制器；

所述气源压力传感器62和稳定段压力传感器61为Mensor CPT6180压 力传感器；

所述内置位置传感器41为MTS RH-M-0620M-D60-A-A01位移传感器；

所述位置位置传感器42为NOVOtechnic LWX-002型电位器式位移传感 器；

所述高频响阀21为MOOG D662-4659高频响阀；

所述伺服油缸3为力士乐CSH1MT4/140/90液压油缸。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明 的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图 例。

Claims (6)

1.一种基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置，其特征在于，包括：

风洞，其前端安装有气源压力传感器，风洞稳定段安装有稳定段压力传感器；

控制器，其通过电缆连接有高频响阀，所述高频响阀安装在液压阀组上；伺服油缸，所述液压阀组通过液压管与伺服油缸的无杆腔和有杆腔相接，且所述伺服油缸固定连接有调压阀，所述伺服油缸和调压阀位于风洞内部；

所述伺服油缸内部安装有内置位置传感器，所述调压阀的阀体上安装有外置位置传感器，且所述内置位置传感器、外置位置传感器、气源压力传感器和稳定段压力传感器分别通过电缆与控制器相接。

2.如权利要求1所述的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置，其特征在于，其工作原理为：所述高频响阀根据控制器输出的电流大小驱动伺服油缸运动，伺服油缸推动调压阀运动，从而实现调压阀运动控制；内置位置传感器和外置位置传感器正常状态下负责完成调压阀位置反馈，当内置位置传感器和外置位置传感器出现故障时，控制器立即将反馈切换到虚拟阀位解算算法回路，根据气源压力传感器和稳定段压力传感器分别实时测量的气源压力和风洞稳定段压力实时计算获得压比条件下，虚拟出调压阀的具体位置，并依托该位置，实现风洞总压的闭环控制。

3.一种如权利要求1～2任一项所述的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、给定试验条件，包括：风洞洞体条件、马赫数M_i、稳定段压力P₀₁和稳定段压力误差dP；

步骤二、根据气源压力传感器实时测量的气源压力P_A和稳定段压力P₀₁，计算出调压阀高开位置开度S_g1；

步骤三、开始试验，控制器进行基于调压阀阀门位置闭环控制的稳定段压力P₀₁闭环压力控制；

步骤四、实时检测内置位置传感器和外置位置传感器，如果内置外置传感器正常，则继续使用内置位置传感器接入位置反馈回路参与调压阀位置控制；

步骤五、如果内置位置传感器出现异常而外置位置传感器工作正常，则断开内置位置传感器传输给控制器的反馈信号，将外置位置传感器接入位置反馈回路参与调压阀位置控制；

步骤六、如果内置位置传感器和外置位置传感器均出现异常，则断开内置位置传感器和外置位置传感器传输给控制器的反馈信号，控制器直接切换到基于虚拟阀位解算的调压阀阀位安全控制策略；根据气源压力传感器测量的气源压力P_A和给定的稳定段压力P₀₁实时计算压比ε₁，计算方法为：ε₁＝P₀₁/P_A；

步骤七、根据气源压力传感器测量的P_A和实时风洞稳定段压力P₀₂计算压比ε₂，计算方法为：ε₂＝P₀₂/P_A；

步骤八、根据风洞调试数据获得的调压阀阀门位置与压比的函数关系，将ε₁和ε₂分别代入，反算求解获得调压阀实时目标开度S_g和当前实际开度S_r；

步骤九、根据对应的需要调节的调压阀相对位置变化Δs＝s_g-s_r，经过Δi＝k_pΔs算法调节获得输出控制信号Δi；

步骤十、控制器根据ΔS输出控制信号Δi至高频响应阀，调节调压阀位置；

步骤十一、如此往复循环步骤六～步骤十，进行风洞稳定段压力闭环控制，当|ΔP₀＝P₀₂-P₀₁|≤k·dP时，执行关车流程，其中1≤k＜2。

4.如权利要求1所述的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤八中调压阀阀门位置与压比的函数关系为ε＝f(λ_wi,λ_2i,ξ_i,s)，ε＝f(λ_wi,λ_2i,ξ_i,s)的具体表达式如下：

其中，λ_wi为马赫数M_i对应的阀门前速度关系；λ_2i为马赫数M_i对应的阀门后速度关系；ξ_i为马赫数M_i对应的总压力损失系数；

为阀门最小相对开度；

为阀门最大相对开度；

为阀门曲线切换点，取值范围(0,1)；s_max为调压阀阀门最大位置开度；

为调压阀阀门相对位置开度；s为调压阀阀门开度。

5.如权利要求1所述的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置，其特征在于，所述控制器向高频响阀传输电流信号大小为﹣10mA～10mA，用以控制高频响阀阀芯运动；

所述内置位置传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20mA；

所述外置位置传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20mA；

所述稳定段压力传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20mA；

所述气源压力传感器通过电缆向控制器传输电流信号大小为4mA～20mA。

6.如权利要求1所述的基于虚拟阀位解算的暂冲式高速风洞调压阀安全控制装置，其特征在于，所述控制器为NI PXI-8119RT控制器；

所述气源压力传感器和稳定段压力传感器为Mensor CPT6180压力传感器；

所述内置位置传感器为MTS RH-M-0620M-D60-A-A01位移传感器；

所述位置位置传感器为NOVOtechnic LWX-002型电位器式位移传感器；

所述高频响阀为MOOG D662-4659高频响阀；

所述伺服油缸为力士乐CSH1MT4/140/90液压油缸。

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