CN113252283B - 一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法及系统 - Google Patents

一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法及系统，属于风洞运行控制技术领域。首先，计算风洞中流通阀门的质量流量，其次，将质量流量设定为中间变量，最后，根据中间变量调节阀门开度，实现控制风洞总压。根据中间变量调节阀门开度的动作可以调节风洞的质量流量，进而保证风洞总压稳定，最终达到控制总压的目的；本发明还提供了一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制系统，包括控制器，用于计算风洞中流通阀门的质量流量，还用于控制阀门开度，解决了现有技术中存在的风洞总压控制难度大、不精准的技术问题。降低了风洞总压控制的难度、增加了风洞总压试验数据的精确度。

Description

一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法及系统
技术领域
本申请涉及一种风洞总压控制方法，尤其涉及一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法及系统，属于风洞运行控制技术领域。
背景技术
连续式跨声速风洞一般容积较大，配有气源、真空等配套系统，其主要作用是实现风洞在常压、正压和负压试验工况下的供、排气，为风洞常规试验和特种试验提供符合要求的空气，保证风洞各种试验状态下的压力控制精度。
连续式跨声速风洞具有多种试验工况，试验状态多样、复杂，且具有特种试验能力，每次试验均需要针对不同的试验参数状态精确控制风洞总压，使风洞总压满足试验要求。
影响风洞总压控制的参数主要包括气流温度、马赫数变化、攻角变化、压缩机轴封泄露、风洞法兰密封泄露、风洞容积、气源压力下降等，且各参数互相影响，尤其是马赫数与总压存在着强耦合关系，增加了风洞总压控制的难度。
风洞总压控制如果无法达到控制要求，则影响风洞流场品质，造成风洞试验数据不准确。
现有技术通常采用PID直接控制阀门的开度进行风洞总压控制，但这种控制方法未考虑上述影响风洞总压控制的因素，导致风洞试验数据不精准。
发明内容
为解决现有技术中存在的风洞总压控制难度大、试验数据不精准的技术问题，本发明提供了一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法，包括以下步骤：
S1. 计算风洞中流通阀门的质量流量；具体的计算方法是：
当
Figure 891125DEST_PATH_IMAGE001
时，阀门流量系数
Figure 870582DEST_PATH_IMAGE002
；
当
Figure 650319DEST_PATH_IMAGE003
时，阀门流量系数
Figure 45529DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 922218DEST_PATH_IMAGE005
为阀门前后压力差，单位为
Figure 744680DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 11714DEST_PATH_IMAGE007
为阀门前压力，单位为
Figure 272931DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 941809DEST_PATH_IMAGE008
为阀门后压力，单位为
Figure 935173DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 751819DEST_PATH_IMAGE009
为阀门流量系数，
Figure 488831DEST_PATH_IMAGE010
为标况下流经阀门介质密度，
Figure 12217DEST_PATH_IMAGE011
为流经阀门介质温度，
Figure 504378DEST_PATH_IMAGE012
为流通阀门的体积流量，单位为
Figure 746003DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 21127DEST_PATH_IMAGE014
为压力恢复系数；
根据阀门流量系数解算出流通阀门的体积流量，再根据公式
Figure 729844DEST_PATH_IMAGE015
，计算出风洞中流通阀门的质量流量；
S2.将质量流量设定为中间变量；
S3.根据中间变量调节阀门开度，实现控制风洞总压。
优选的，步骤S3所述根据中间变量调节阀门开度，实现控制风洞总压的具体方法是：根据阀门调节特性曲线得到质量流量对应的阀门开度值。
一种用于实现一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法的风洞总压控制系统，包括真空罐、中压气源球罐、第一开关阀、第二开关阀、第四开关阀、第五开关阀、第六开关阀、第三调节阀、第四调节阀、换气段、换热段和控制器；所述真空罐与所述换热段的管路上设置有所述第一开关阀和所述第二开关阀；所述中压气源球罐与所述换气段的管路上设置有第五开关阀、第三调节阀和第四调节阀；所述换气段与换热段的管路上设置有第四开关阀和第六开关阀；所述控制器的阀门控制信号输出端分别与第一开关阀、第二开关阀、第四开关阀、第五开关阀、第六开关阀、第三调节阀和第四调节阀的控制信号输入端连接，所述控制器用于计算风洞中流通阀门的质量流量，还用于控制阀门开度。
优选的，还包括消音塔、第一调节阀、第二调节阀和第三开关阀；所述消音塔与换热段的管路上设置有第一调节阀、第二调节阀和第三开关阀；所述控制器的阀门信号输出端分别与第一调节阀、第二调节阀和第三开关阀的控制信号输入端连接。
本发明的有益效果如下：一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法及系统，通过引入中间变量直接控制阀门开度，避免由于气流温度、马赫数变化、攻角变化、风洞容积和气源压力下降等影响风洞总压的多参数，降低了风洞总压控制的难度、增加了风洞总压试验数据的精确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述的控制系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一、参照图1说明本实施方式，一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法，包括以下步骤：
S1. 计算风洞中流通阀门的质量流量；
风洞总压控制过程采用风洞中流通阀门的质量流量为中间变量的控制。在起始阶段，采用开环调节方式，当洞内压力到达至目标值的预定误差带之内以后，方才进入闭环调节。
在忽略风洞泄漏的前提下，根据质量守恒关系和空气动力学基本原理，可计算出风洞内部空气质量在试验过程中为保持总压恒定应排出或冲进的质量流量，风洞总压闭环控制使用质量流量为中间变量，质量流量的精确控制取决于阀门的开度控制，在此情况下，
当
Figure 65011DEST_PATH_IMAGE001
时，阀门流量系数
Figure 793932DEST_PATH_IMAGE002
；
当
Figure 935064DEST_PATH_IMAGE003
时，阀门流量系数
Figure 433041DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 204688DEST_PATH_IMAGE005
为阀门前后压力差，单位为
Figure 217643DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 100149DEST_PATH_IMAGE007
为阀门前压力，单位为
Figure 452633DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 457498DEST_PATH_IMAGE008
为阀门后压力，单位为
Figure 895432DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 316049DEST_PATH_IMAGE009
为阀门流量系数，
Figure 850936DEST_PATH_IMAGE010
为标况下流经阀门介质密度，
Figure 964385DEST_PATH_IMAGE011
为流经阀门介质温度，
Figure 889616DEST_PATH_IMAGE012
为流通阀门的体积流量，单位为
Figure 176241DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 237738DEST_PATH_IMAGE014
为压力恢复系数；
具体的，
Figure 522089DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 996932DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 24931DEST_PATH_IMAGE011
为传感器实际监测值，流量系数
Figure 206514DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 396187DEST_PATH_IMAGE010
为常数，根据阀门流量系数解算出流通阀门的体积流量，再根据公式
Figure 358326DEST_PATH_IMAGE015
，计算出风洞中流通阀门的质量流量。
具体的，
Figure 924437DEST_PATH_IMAGE014
为压力恢复系数，具体根据阀门的结构形式不同取不同的数值，对于FISHER单做套筒的调节阀，
Figure 226105DEST_PATH_IMAGE014
取0.79。
S2将质量流量设定为中间变量；
S3根据中间变量调节阀门开度，实现控制风洞总压。
具体的，根据阀门调节特性曲线即可得到质量流量对应的阀门开度值。
根据中间变量调节阀门开度的动作可以调节风洞的质量流量，进而保证风洞总压稳定，最终达到控制总压的目的。
实施例二、参照图2说明本实施方式，一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制系统，包括真空罐1、中压气源球罐3、第一开关阀4、第二开关阀10、第四开关阀12、第五开关阀13、第六开关阀15、第三调节阀7、第四调节阀8、换气段14、换热段9和控制器；所述真空罐1与所述换热段9的管路上设置有所述第一开关阀4和所述第二开关阀10；所述中压气源球罐3与所述换气段14的管路上设置有第五开关阀13、第三调节阀7和第四调节阀8；所述换气段14与换热段9的管路上设置有第四开关阀12和第六开关阀15；所述控制器的阀门控制信号输出端分别与第一开关阀4、第二开关阀10、第四开关阀12、第五开关阀13、第六开关阀15、第三调节阀7和第四调节阀8的控制信号输入端连接。
其中，所述控制器用于控制第一开关阀4、第二开关阀10、第四开关阀12、第五开关阀13、第六开关阀15、第三调节阀7和第四调节阀8。
其中，所述控制器用于计算风洞的质量流量，控制器根据质量流量调节阀门的开度。
实施例三、参照图2说明本实施方式，在实施例二的基础上还包括消音塔2、第一调节阀5、第二调节阀6和第三开关阀11；所述消音塔2与换热段9的管路上设置有第一调节阀5、第二调节阀6和第三开关阀11；所述控制器的阀门信号输出端分别与第一调节阀5、第二调节阀6和第三开关阀11的控制信号输入端连接。
其中，所述控制器用于控制第一调节阀5、第二调节阀6和第三开关阀11。
参照附图2说明本发明实施例所述的风洞总压控制系统在不同工况下的阀门调节情况。
风洞总压控制分为3个工况，常压工况使用风洞排气方式进行总压控制，增压工况使用风洞充气方式进行总压控制，负压工况使用真空系统抽气方式进行总压控制。
具体的，在风洞常压工况下，根据风洞目标总压值，首先关闭第一开关阀4、第四开关阀12、第六开关阀15，打开第三开关阀11和第二开关阀10，根据中间变量选择自动控制第一调节阀5或第二调节阀6的开度，实现风洞总压控制。
具体的，在风洞正压工况，根据风洞目标总压值，首先关闭第一开关阀4、第四开关阀12、第六开关阀15，打开第五开关阀13、第二开关阀10、第三开关阀11，根据中间变量固定第一调节阀5或第二调节阀6的开度，选择自动控制第三调节阀7或第四调节阀8的开度，实现风洞总压控制。
具体的，在风洞负压工况，根据风洞目标总压值，首先关闭第三开关阀11、第四开关阀12、第六开关阀15，打开第五开关阀13、第二开关阀10、第一开关阀4，根据中间变量选择自动控制第三调节阀7或第四调节阀8的开度，实现风洞总压控制。需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (2)

1.一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制方法，依托一种多参数耦合的连续式跨声速风洞总压控制系统实现的，总压控制系统包括真空罐（1）、中压气源球罐（3）、第一开关阀（4）、第二开关阀（10）、第四开关阀（12）、第五开关阀（13）、第六开关阀（15）、第三调节阀（7）、第四调节阀（8）、换气段（14）、换热段（9）和控制器；所述真空罐（1）与所述换热段（9）的管路上设置有所述第一开关阀（4）和所述第二开关阀（10）；所述中压气源球罐（3）与所述换气段（14）的管路上设置有第五开关阀（13）、第三调节阀（7）和第四调节阀（8）；所述换气段（14）与换热段（9）的管路上设置有第四开关阀（12）和第六开关阀（15）；所述控制器的阀门控制信号输出端分别与第一开关阀（4）、第二开关阀（10）、第四开关阀（12）、第五开关阀（13）、第六开关阀（15）、第三调节阀（7）和第四调节阀（8）的控制信号输入端连接，所述控制器用于计算风洞中流通阀门的质量流量，还用于控制阀门开度；
还包括消音塔（2）、第一调节阀（5）、第二调节阀（6）和第三开关阀（11）；所述消音塔（2）与换热段（9）的管路上设置有第一调节阀（5）、第二调节阀（6）和第三开关阀（11）；所述控制器的阀门信号输出端分别与第一调节阀（5）、第二调节阀（6）和第三开关阀（11）的控制信号输入端连接；其特征在于，包括以下步骤：
S1.计算风洞中流通阀门的质量流量；具体的计算方法是：
当
Figure DEST_PATH_IMAGE001
时，阀门流量系数
Figure 4482DEST_PATH_IMAGE002
；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE003
时，阀门流量系数
Figure 173820DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 78191DEST_PATH_IMAGE006
为阀门前后压力差，单位为atm；
Figure 598034DEST_PATH_IMAGE008
为阀门前压力，单位为atm；
Figure 537040DEST_PATH_IMAGE010
为阀门后压力，单位为atm；
Figure 487066DEST_PATH_IMAGE012
为阀门流量系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为标况下流经阀门介质密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为流经阀门介质温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为流通阀门的体积流量，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为压力恢复系数；
根据阀门流量系数解算出流通阀门的体积流量，再根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，计算出风洞中流通阀门的质量流量；
S2.将质量流量设定为中间变量；
S3.根据中间变量调节阀门开度，实现控制风洞总压，风洞总压控制分为3个工况，常压工况使用风洞排气方式进行总压控制，增压工况使用风洞充气方式进行总压控制，负压工况使用真空系统抽气方式进行总压控制；具体控制方法是：
在风洞常压工况下，根据风洞目标总压值，首先关闭第一开关阀4、第四开关阀12、第六开关阀15，打开第三开关阀11和第二开关阀10，根据中间变量选择自动控制第一调节阀5或第二调节阀6的开度，实现风洞总压控制；
在风洞正压工况，根据风洞目标总压值，首先关闭第一开关阀4、第四开关阀12、第六开关阀15，打开第五开关阀13、第二开关阀10、第三开关阀11，根据中间变量固定第一调节阀5或第二调节阀6的开度，选择自动控制第三调节阀7或第四调节阀8的开度，实现风洞总压控制；
在风洞负压工况，根据风洞目标总压值，首先关闭第三开关阀11、第四开关阀12、第六开关阀15，打开第五开关阀13、第二开关阀10、第一开关阀4，根据中间变量选择自动控制第三调节阀7或第四调节阀8的开度，实现风洞总压控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S3所述根据中间变量调节阀门开度，实现控制风洞总压的具体方法是：根据阀门调节特性曲线得到质量流量对应的阀门开度值。
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