CN113253606A - 一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统及方法，包括设定箱体压力和动力短舱驱动流量序列、将校准箱压力抽到给定压力附近、调节动力短舱驱动流量、开环控制校准箱压力、校准箱压力精确控制、校准测量后切换至下一动力短舱驱动流量，对校准箱的高压数字阀、低压数字阀和低压针阀分别进行控制，实现校准箱压力的精确控制。本控制方法解决了校准箱压力受到多种复杂因素影响、动力短舱进气流的难以准确预估、校准箱压力有严重的滞后特性、多种阀门的协同控制等关键技术难题，即保证了校准箱压力控制精准度，也提高了校准箱压力控制效率，同时还确保了校准实验的安全。

Description

一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统及方法

技术领域

本发明涉及实验空气动力学领域，具体涉及一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统及方法。

背景技术

从飞机布局设计开始，就必须把机体和发动机短舱作为一个整体进行气动设计和优化。风洞试验是获得发动机短舱进气和喷流对飞机气动特性的影响的主要手段。目前最先进的动力影响风洞试验方法是在发动机模型短舱内安装涡轮动力模拟器，这种风洞中的模拟短舱称之为动力短舱。动力短舱用于风洞试验之前，都必须对其进行校准，校准试验通常在能够模拟风洞试验环境的校准箱内完成。校准时，校准箱内部保持压力恒定，与周围环境形成稳定的压力差，将动力短舱入口和出口分别与不同的压力环境连通，通过控制校准箱内部压力来模拟风洞试验马赫数环境。在校准箱内对动力短舱的流量和推力等参数进行精确测量，计算出流量系数和速度系数，从而完成校准。

校准箱压力的精确控制是校准箱研制的技术难点，主要体现在以下几个方面：一是校准箱压力受到高压供气流量控制精度的影响，高压供气由高压数字阀控制，如果高压供气系统流量控制精度不够，校准箱压力必然随之产生波动；二是校准箱压力还受到动力短舱进气流的影响，这部分进气流量与校准箱压力及动力短舱高压供气流量之间有着复杂的影响关系，无法准确控制，也无法提前准确预估；三是校准箱压力受到真空抽吸流量控制精度的影响，真空抽吸流量由低压数字阀和低压针阀联合控制；四是校准箱的容积很大，使得控制对象成为很大的惯性系统，有严重的滞后特性；五是校准箱压力由高压数字阀、低压数字阀以及低压针阀共同确定的，必须要考虑协同控制的问题，否则不仅影响校准箱压力的控制精度，甚至还会影响实验安全，因为校准箱只能承受负压力（即校准箱压力小于环境压力），无法承受正压力，如果协同控制不当就可能导致校准箱出现负压力的危险状况。

发明内容

本发明的目的通过校准箱的进气和出气同步控制实现对校准箱内的气体压力进行控制，满足校准的精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统，包括：高压气源、校准箱、动力短舱、真空气源，所述动力短舱设置在校准箱的进气口，动力短舱的喷气口设置在校准箱内，所述高压气源通过高压数字阀组后连接到动力短舱为动力短舱提供驱动流量，校准箱的出口通过低压数字阀组与真空气源连通，在校准箱出口与真空气源之间设置有与低压数字阀组并列的低压针阀。

在上述技术方案中，所述高压数字阀组和低压数字阀组分别包括有若干个不同流通面积的节流组件，每一个节流组件均由电磁阀控制。

一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制方法，通过对高压数字阀、低压数字阀和低压针阀进行控制，实现校准箱压力的控制，具体步骤包括：

S1：设定校准箱的目标压力和动力短舱的驱动流量序列；

S2：在关闭高压数字阀的基础上，控制低压数字阀和低压针阀，通过真空气源抽吸校准箱内的气体，使得校准箱出口流出的流量与动力短舱进入到校准箱内的气体流量相等；

S3：控制高压数字阀，调节短舱喷口的驱动流量，使得驱动流量满足序列中的一个序列点，在控制高压数字阀的同时，同步开环控制校准箱内压力；

S4：采用PID算法，根据校准箱的目标压力，闭环控制校准箱内实测压力；

S5：当实测压力值为目标压力值后，开始校准测量，当校准测量完成后，选择另一个驱动流量序列值，再次进行S3至S5的过程，直至所有的流量序列完成校准测量。

在上述技术方案中，所述开环控制包括：

根据动力短舱当前的驱动喷流流量，与流量序列中的上一个序列点进行比较，获得当前喷流流量的增量

，计算真空抽吸流量的增量

，

为动力短舱进气流量与驱动流量的关系取值，

根据真空抽吸流量的增量和校准箱的实时压力，计算获取低压数字阀开启面积的增量，并开启相应的低压数字阀；

低压数字阀开启面积的增量计算方法如下：

上式中各符号意义及单位如下：

为低压数字阀开启面积的增量；

是校准箱设定压力；

是校准箱气流总温；

是文氏管临界流函数；

是通用气体常数；M是空气分子量。

在上述技术方案中，所述闭环控制包括：

采用PID算法对高压数字阀进行控制，控制动力短舱驱动的流量维持在目标值

，低压数字阀开启状态保持不变，通过实时采集到的校准箱压力反馈，控制调整低压针阀调整校准箱内的压力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过采用开环增量调节低压数字阀的方式，一是保证了在调节动力短舱驱动流量过程中，校准箱的压力能够在给定压力值附近波动，避免过低或过高，二是解决了动力短舱进气流难以准确预测的难题，动力短舱进气流量与校准箱压力及动力短舱高压供气流量都相关，但在校准箱箱压力保持不变的情况下，由校准箱压力引起的短舱进气流量的增量近似为0，由动力短舱高压供气流量引起的进气流量增量近似与高压供气流量的增量呈线性关系，由于采用了增量式预测的方法，预测的误差始终较小，且不会积累。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是系统的工作结构示意图；

图2为校准箱高压供气与真空吸气联合控制流程图；

其中：1是高压气源，2是高压数字阀组，3是动力短舱，4是压力传感器，5是校准箱，6是低压数字阀组，7是低压针阀，8是真空气源，9是外部气流，10是喷流。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本说明书中，涉及到的高压气源、高压数字阀组、低压数字阀组、低压针阀中的高压是指其工作压力范围是在2MPa-6MPa之间，低压是指工作压力小于一个标注大气压大于10kPa的范围内。

如图1 所示，本实施例的校准系统，其中校准箱5具有进气口和出气口，在校准箱5的进气口上设置有待校准的动力短舱3，动力短舱3的喷口设置在校准箱5内，向着校准箱5内将外部气流9进行喷流10，动力短舱3的驱动压力由高压气源1提供，高压气源1通过高压数字阀组2后连接到动力短舱3内。校准箱5的出气口通过并列设置的低压数字阀组6和低压针阀7与真空气源8连通。通过真空气源8将校准箱5内的气流抽吸出，在校准箱5上设置有压力传感器4用于实时监测校准箱内的压力。

高压数字阀组2和低压数字阀组6分别包括有若干个并列的节流组件，每一个节流组件通过电磁阀控制开度，低压数字阀组6的每一个节流组件的流通面积均不相等，通过不同的流通面积组合可以实现不同流量的通过。

如图2所示，是本实施例控制方法的流程示意图，包括五个环节，具体如下：

步骤一：根据校准试验的内容设定校准箱箱体压力为

,设定动力短舱的驱动流量序列为：

,流量从

至

依次增大。在每次校准过程中，需要保证箱体压力

为恒定值，将动力短舱驱动流量作为校准实验的变化参数。

步骤二：在开始高压数字阀动作之前，通过调整低压数字阀的开度，先将校准箱内的压力通过真空气源抽吸到设定的压力

附近，此时，动力短舱进气流量和真空抽吸流量近似相等，动力短舱进气流量为校准箱内外压差引起的流量。

该过程避免了控制过程中因动力短舱驱动流量大于真空抽吸流量导致校准箱出现正压力的状况，保证了校准箱压力不超限，确保了实验安全；同时也有利于加快控制收敛，由于校准箱容积很大，通过预先将校准箱压力抽到给定压力附近能够缩短控制时间。

步骤三：控制高压数字阀组，调节动力短舱驱动流量至流量序列中的任一一个序列点，在调节动力短舱驱动流量的过程中，同步开环控制校准箱压力。具体方法是根据动力短舱驱动流量与上一个序列点的增量

，近似计算真空抽吸流量的增量

，

，其中

为根据动力短舱进气流量与驱动流量的关系取值，不同的短舱可以设置不同的数值，对未知进气流量与驱动流量的关系的动力短舱，一般取3。

再根据真空抽吸流量的增量、校准箱压力，计算低压数字阀开启面积的增量，并开环开启相应的低压数字阀。

该过程采用开环增量调节低压数字阀的方式，一是保证了在调节动力短舱驱动流量过程中，校准箱的压力能够在给定压力值附近波动，避免过低或过高，二是解决了动力短舱进气流难以准确预测的难题，动力短舱进气流量与校准箱压力及动力短舱高压供气流量都相关，但在校准箱箱压力保持不变的情况下，由校准箱压力引起的短舱进气流量的增量近似为0，由动力短舱高压供气流量引起的进气流量增量近似与高压供气流量的增量呈线性关系，虽然预测方法存在一定的误差，但由于采用了增量式预测的方法，预测的误差始终较小，且不会积累。

步骤四：采用PID算法，根据校准箱箱体压力，闭环控制校准箱压力。在这一控制过程中，采用PID算法对高压数字阀进行微调，使得动力短舱驱动流量维持在目标值

；低压数字阀组保持开启状态不变，根据校准箱压力反馈，通过调节低压针阀来对校准箱压力进行精确调节。

当动力短舱驱动流量已经调整至目标值

，校准箱压力已经接近控制目标

，在此情况下，采用PID算法控制低压针阀进行微调，能够快速将校准箱压力精确调节至目标值

。

将校准箱精确调节至目标值

后，开始校准测量。校准测量结束后，切换至下一动力短舱驱动流量，重复流量调整过程，直至所有动力短舱驱动流量序列都测试完毕，校准实验结束。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统，其特征在于包括：高压气源、校准箱、动力短舱、真空气源，所述动力短舱设置在校准箱的进气口，动力短舱的喷气口设置在校准箱内，所述高压气源通过高压数字阀组后连接到动力短舱为动力短舱提供驱动流量，校准箱的出口通过低压数字阀组与真空气源连通，在校准箱出口与真空气源之间设置有与低压数字阀组并列的低压针阀。

2.根据权利要求1所述的一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统，其特征在于所述高压数字阀组和低压数字阀组分别包括有若干个不同流通面积的节流组件，每一个节流组件均由电磁阀控制。

3.一种基于权利要求1所述校准箱高压供气与真空吸气联合控制系统的控制方法，其特征在于通过对高压数字阀、低压数字阀和低压针阀进行控制，实现校准箱压力的控制，具体步骤包括：

S1：设定校准箱的目标压力

和动力短舱的驱动流量序列

，流量序列中的值依次增大，目标压力

在每次校准过程中为恒定值，驱动流量为校准实验的变化参数；

S2：在关闭高压数字阀的基础上，控制低压数字阀和低压针阀，通过真空气源抽吸校准箱内的气体，使得校准箱出口流出的流量与动力短舱进入到校准箱内的气体流量相等；

S3：控制高压数字阀，调节短舱喷口的驱动流量，使得驱动流量为

或下一个流量序列点，在控制高压数字阀的同时，同步开环控制校准箱内压力；

S4：采用PID算法，根据校准箱的目标压力，闭环控制校准箱内实测压力；

S5：当实测压力值为目标压力值后，开始校准测量，当校准测量完成后，选择另一个驱动流量序列值，再次进行S3至S5的过程，直至所有的流量序列完成校准测量。

4.根据权利要求3所述的一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制方法，其特征在于所述开环控制包括：

根据动力短舱当前的驱动喷流流量，与流量序列中的上一个序列点进行比较，获得当前喷流流量的增量

，计算真空抽吸流量的增量

，

为动力短舱进气流量与驱动流量的关系取值，

根据真空抽吸流量的增量和校准箱的实时压力，计算获取低压数字阀开启面积的增量，并开启相应的低压数字阀，低压数字阀开启面积的增量计算方法如下：

上式中各符号意义及单位如下：

为低压数字阀开启面积的增量；

是校准箱设定压力；

是校准箱气流总温；

是文氏管临界流函数；

是通用气体常数；M是空气分子量。

5.根据权利要求3所述的一种校准箱高压供气与真空吸气联合控制方法，其特征在于所述闭环控制包括：

采用PID算法对高压数字阀进行控制，控制动力短舱驱动的流量维持在目标值

，

，低压数字阀开启状态保持不变，通过实时采集到的校准箱压力反馈，控制调整低压针阀调整校准箱内的压力。

Images