CN114046960A - 基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法 - Google Patents

基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法。该连续测试方法首先利用压力信号发生装置产生的压力阶跃激励信号和探针管路对激励信号的输出响应信号，通过系统辨识方法得到的探针管路系统对压力信号的动态传递特性，继而在实际流场测试中利用动态传递特性参数对气动探针管路末端的压力传感器测量数据进行修正，获得气动探针连续运动测孔位置感受到的“真实”压力变化。该连续测试方法适用于试验压力水平在大气压力附近的试验环境，能够显著提高气动探针流场气动参数的测试效率，并降低试验成本。

Description

基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法
技术领域
本发明属于气动测试技术领域，具体涉及一种基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法。
背景技术
标准的气动探针测量系统由气动探针、测压软管和压力传感器（压力扫描阀）等组成，一般用于稳态定常流场气动参数的测量。由于气动探针和测压软管形成的管腔效应会造成连接在测压软管末端的压力传感器测量到的变化压力信号发生滞后，因此在使用气动探针测量不同空间位置的流场参数时，通常采用离散点测量方式，即气动探针到达测量点位后，需等待一定时间，待测压管路压力达到平衡后再进行测量。然而当测量所需的空间测点数较多或测压管路压力的稳定时间较长时，这种测量方式会大大增加试验测量时间。
当前，亟需发展一种基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法。
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法，包括以下步骤：
S10.进行动态标定试验，获得探针管路的压力动态传递特性；
S11.安装气动探针管路压力动态标定装置；
动态标定装置包括气球、安装座、气动探针、测压管路、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和压力采集测试系统；
气动探针和压力传感器Ⅰ安装在安装座上，气球套在安装座上，气动探针的测孔和压力传感器Ⅰ的受感部均置于气球内部；测压管路的前端连接气动探针的尾端，测压管路的后端连接压力传感器Ⅱ的受感部；压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的信号线缆连接压力采集测试系统；
压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的固有频率大于等于100Hz；
S12.进行气动探针管路系统动态特性标定试验；
S121.气球充气；
S122.打开压力采集测试系统，按照预先设定的20Hz~100Hz的采样率对压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的信号进行同步采集和存储；
S123.迅速刺破气球，爆破的气球产生压力阶跃信号，由压力传感器Ⅰ记录的压力阶跃信号下降时间预计约为0.5ms，待压力传感器Ⅱ信号稳定后，压力采集测试系统停止对压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的信号的采集和存储；
S13.建立气动探针管路系统动态特性模型，获得模型动态特性参数；
将压力传感器Ⅰ测量采集到的数据序列记为输入
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，将压力传感器Ⅱ测量采集到的数据序列记为输出
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，采用线性离散系统描述探针管路的动态传递特性，建立m阶离散系统的差分方程如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
（a）
式（a）中，
Figure 162960DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 814521DEST_PATH_IMAGE004
的下标表示输入和输出离散数据序列的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为最后一个测量数据的序号；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为探针管路的动态特性参数；
将输出序列
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
的第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
个数据的试验测量值与模型预测值之差记为误差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
，有下述关系式成立：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 748586DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为待辨识估计的探针管路系统动态特性参数；
根据公式（b）建立公式（c）所示的
Figure DEST_PATH_IMAGE035
个方程，如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
（c）
将公式（c）对应表述为输出信号向量
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、数据矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE041
、估计参数向量
Figure DEST_PATH_IMAGE043
和误差向量
Figure DEST_PATH_IMAGE045
的形式，如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
（d）
通过最小二乘法获得使方程组（d）的误差向量
Figure 628948DEST_PATH_IMAGE045
最小的估计参数向量
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，得到探针管路的动态传递模型；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
（e）
S20.开展气动探针定常流场连续测量试验；
S21.在风洞位移机构上安装气动探针，使用的气动探针和测压管路与步骤S12的气动探针管路系统动态特性标定试验的相同；
S22.启动风洞，建立测试流场，待测试流场稳定后，位移机构按照预先设置的路线带动气动探针连续运动；
同时，压力采集测试系统按照步骤S12的采样率同步获取气动探针的位置坐标、压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ的压力测量数据；
S30.对压力测量数据进行修正，获得气动探针测孔位置感受到的压力；
S31.对气动探针连续运动测量得到的压力测量数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
S32.根据
Figure DEST_PATH_IMAGE053
阶离散系统压力的递推公式获取修正后的压力测量数据；
将步骤S31处理后的数据序列记为输出
Figure 581336DEST_PATH_IMAGE016
，通过递推公式（f）依次计算气动探针连续运动过程中，测孔位置感受到的压力
Figure DEST_PATH_IMAGE055
；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，由于气动探针测量起始前处于静止状态，探针管路压力处于平衡状态，令
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
S33.输出位置坐标和修正后的压力测量数据；
将气动探针的位置坐标和修正后的压力测量数据绘制成气动探针的探针测孔位置实际感受到的压力空间分布图。
进一步地，所述的
Figure 13586DEST_PATH_IMAGE053
阶离散系统的阶次
Figure 15040DEST_PATH_IMAGE053
需预先给定，
Figure 558148DEST_PATH_IMAGE053
取3、4或5。
进一步地，所述的气动探针具有若干个测孔，各个测孔具有对应的测压管路，各测压管路连接对应的压力传感器，同步进行若干测压管路的步骤S12的气动探针管路系统动态特性标定试验，再分别计算各测压管路的动态特性参数及修正数据。
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法首先利用压力信号发生装置产生的压力阶跃激励信号和气动探针管路系统对输入激励的输出响应信号，再通过系统辨识方法得到的探针管路对压力信号的动态传递特性，继而利用管路系统的动态特性参数对管路末端压力传感器的测量数据进行修正，最后获得气动探针连续运动测孔位置感受到的“真实”压力变化。
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法在地面动态标定试验时将气球充入一定的压力水平的气压后，迅速刺破气球，爆破的气球产生一个向下的压力阶跃信号，其下降时间可达到0.5ms，已足够用于气动探针连续测量管路的动态特性测试所需的频域信息。
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法在流场测量时需要使用与地面动态标定试验一致的压力探针及测压管路。而且，由于动态标定试验获得的探针管路的动态传递特性与采样率相关，需要保证风洞试验和动态标定试验的采样率相同。如果采样率不同，则需要将动态标定试验得到的探针管路的动态传递特性进行参数转换，或者将风洞试验位置和压力测量数据进行重采样处理，以确保风洞试验和动态标定试验的采样率相同。
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法在风洞试验中测量中得到的压力测量数据包含高频脉动噪声信号，由公式（f）进行“真实”压力的重构过程中会对高频脉动噪声信号产生放大效应，为避免高频脉动噪声信号的影响，对压力测量数据进行重构前需要进行无相位偏移的低通滤波处理。
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法适用于试验压力水平在大气压力附近的试验环境中使用，例如地面条件下的亚声速叶栅流场测量试验、低速压气机流场测量试验等，能够显著提高气动探针的定常流场气动参数的测试效率，并降低试验成本。
附图说明
图1为本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法的地面动态标定装置结构示意图。
图中，1.气球；2.安装座；3.气动探针；4.测压管路；5.压力传感器Ⅰ；6.压力传感器Ⅱ；7.压力采集测试系统。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明的基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法，包括以下步骤：
S10.进行动态标定试验，获得探针管路的压力动态传递特性；
S11.安装气动探针管路压力动态标定装置；
如图1所示，动态标定装置包括气球1、安装座2、气动探针3、测压管路4、压力传感器Ⅰ5、压力传感器Ⅱ6和压力采集测试系统7；
气动探针3和压力传感器Ⅰ5安装在安装座2上，气球1套在安装座2上，气动探针3的测孔和压力传感器Ⅰ5的受感部均置于气球1内部；测压管路4的前端连接气动探针3的尾端，测压管路4的后端连接压力传感器Ⅱ6的受感部；压力传感器Ⅰ5和压力传感器Ⅱ6的信号线缆连接压力采集测试系统7；
压力传感器Ⅰ5和压力传感器Ⅱ6的固有频率大于等于100Hz；
S12.进行气动探针管路系统动态特性标定试验；
S121.气球1充气；
S122.打开压力采集测试系统7，按照预先设定的20Hz~100Hz的采样率对压力传感器Ⅰ5和压力传感器Ⅱ6的信号进行同步采集和存储；
S123.迅速刺破气球1，爆破的气球1产生压力阶跃信号，由压力传感器Ⅰ5记录的压力阶跃信号下降时间预计约为0.5ms，待压力传感器Ⅱ6信号稳定后，压力采集测试系统7停止对压力传感器Ⅰ5和压力传感器Ⅱ6的信号的采集和存储；
S13.建立气动探针管路系统动态特性模型，获得模型动态特性参数；
将压力传感器Ⅰ5测量采集到的数据序列记为输入
Figure 961447DEST_PATH_IMAGE002
，将压力传感器Ⅱ6测量采集到的数据序列记为输出
Figure 548287DEST_PATH_IMAGE004
，采用线性离散系统描述探针管路的动态传递特性，建立m阶离散系统的差分方程如下：
Figure 37037DEST_PATH_IMAGE006
（a）
式（a）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 852677DEST_PATH_IMAGE039
的下标表示输入和输出离散数据序列的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为最后一个测量数据的序号；
Figure DEST_PATH_IMAGE070
和
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为探针管路的动态特性参数；
将输出序列
Figure 248499DEST_PATH_IMAGE039
的第
Figure DEST_PATH_IMAGE074
个数据的试验测量值与模型预测值之差记为误差
Figure DEST_PATH_IMAGE076
，有下述关系式成立：
Figure 740660DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 451127DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 460671DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 448350DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 517937DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 840334DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 387990DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 620388DEST_PATH_IMAGE033
为待辨识估计的探针管路系统动态特性参数；
根据公式（b）建立公式（c）所示的
Figure 736243DEST_PATH_IMAGE035
个方程，如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE037A
（c）
将公式（c）对应表述为输出信号向量
Figure 827827DEST_PATH_IMAGE004
、数据矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE078
、估计参数向量
Figure DEST_PATH_IMAGE080
和误差向量
Figure DEST_PATH_IMAGE082
的形式，如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE084
（d）
通过最小二乘法获得使方程组（d）的误差向量
Figure 975912DEST_PATH_IMAGE082
最小的估计参数向量
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，得到探针管路的动态传递模型；
Figure DEST_PATH_IMAGE088
（e）
S20.开展气动探针定常流场连续测量试验；
S21.在风洞位移机构上安装气动探针，使用的气动探针3和测压管路4与步骤S12的气动探针管路系统动态特性标定试验的相同；
S22.启动风洞，建立测试流场，待测试流场稳定后，位移机构按照预先设置的路线带动气动探针3连续运动；
同时，压力采集测试系统7按照步骤S12的采样率同步获取气动探针3的位置坐标、压力传感器Ⅰ5和压力传感器Ⅱ6的压力测量数据；
S30.对压力测量数据进行修正，获得气动探针3测孔位置感受到的压力；
S31.对气动探针3连续运动测量得到的压力测量数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
S32.根据
Figure 997570DEST_PATH_IMAGE053
阶离散系统压力的递推公式获取修正后的压力测量数据；
将步骤S31处理后的数据序列记为输出
Figure 674539DEST_PATH_IMAGE016
，通过递推公式（f）依次计算气动探针3连续运动过程中，测孔位置感受到的压力
Figure 581315DEST_PATH_IMAGE055
；
Figure 346140DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，由于气动探针3测量起始前处于静止状态，探针管路压力处于平衡状态，令
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
；
S33.输出位置坐标和修正后的压力测量数据；
将气动探针3的位置坐标和修正后的压力测量数据绘制成气动探针3的探针测孔位置实际感受到的压力空间分布图。
进一步地，所述的
Figure 349868DEST_PATH_IMAGE053
阶离散系统的阶次
Figure 73104DEST_PATH_IMAGE053
需预先给定，
Figure 467176DEST_PATH_IMAGE053
取3、4或5。
进一步地，所述的气动探针3具有若干个测孔，各个测孔具有对应的测压管路4，各测压管路4连接对应的压力传感器，同步进行若干测压管路4的步骤S12的气动探针管路系统动态特性标定试验，再分别计算各测压管路4的动态特性参数及修正数据。
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，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，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 (3)

1.基于预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.进行动态标定试验，获得探针管路的压力动态传递特性；
S11.安装气动探针管路压力动态标定装置；
动态标定装置包括气球（1）、安装座（2）、气动探针（3）、测压管路（4）、压力传感器Ⅰ（5）、压力传感器Ⅱ（6）和压力采集测试系统（7）；
气动探针（3）和压力传感器Ⅰ（5）安装在安装座（2）上，气球（1）套在安装座（2）上，气动探针（3）的测孔和压力传感器Ⅰ（5）的受感部均置于气球（1）内部；测压管路（4）的前端连接气动探针（3）的尾端，测压管路（4）的后端连接压力传感器Ⅱ（6）的受感部；压力传感器Ⅰ（5）和压力传感器Ⅱ（6）的信号线缆连接压力采集测试系统（7）；
压力传感器Ⅰ（5）和压力传感器Ⅱ（6）的固有频率大于等于100Hz；
S12.进行气动探针管路系统动态特性标定试验；
S121.气球（1）充气；
S122.打开压力采集测试系统（7），按照预先设定的20Hz~100Hz的采样率对压力传感器Ⅰ（5）和压力传感器Ⅱ（6）的信号进行同步采集和存储；
S123.迅速刺破气球（1），爆破的气球（1）产生压力阶跃信号，由压力传感器Ⅰ（5）记录的压力阶跃信号下降时间，待压力传感器Ⅱ（6）信号稳定后，压力采集测试系统（7）停止对压力传感器Ⅰ（5）和压力传感器Ⅱ（6）的信号的采集和存储；
S13.建立气动探针管路系统动态特性模型，获得模型动态特性参数；
将压力传感器Ⅰ（5）测量采集到的数据序列记为输入
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，将压力传感器Ⅱ（6）测量采集到的数据序列记为输出
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，采用线性离散系统描述探针管路的动态传递特性，建立
Figure DEST_PATH_IMAGE006
阶离散系统的差分方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 307690DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 490409DEST_PATH_IMAGE004
的下标表示输入和输出离散数据序列的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为最后一个测量数据的序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为探针管路的动态特性参数；
推导获得探针管路的动态传递模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为数据矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为参数向量；
S20.开展气动探针定常流场连续测量试验；
S21.在风洞位移机构上安装气动探针，使用的气动探针（3）和测压管路（4）与步骤S12的气动探针管路系统动态特性标定试验的相同；
S22.启动风洞，建立测试流场，待测试流场稳定后，位移机构按照预先设置的路线带动气动探针（3）连续运动；
同时，压力采集测试系统（7）按照步骤S12的采样率同步获取气动探针（3）的位置坐标、压力传感器Ⅰ（5）和压力传感器Ⅱ（6）的压力测量数据；
S30.对压力测量数据进行修正，获得气动探针（3）测孔位置感受到的压力；
S31.对气动探针（3）连续运动测量得到的压力测量数据进行无相位偏移的低通滤波处理；
S32.根据
Figure 161825DEST_PATH_IMAGE006
阶离散系统压力的递推公式获取修正后的压力测量数据；
将步骤S31处理后的数据序列记为输出
Figure 822613DEST_PATH_IMAGE004
，通过下述递推公式依次计算气动探针（3）连续运动过程中，测孔位置感受到的压力
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，由于气动探针（3）测量起始前处于静止状态，探针管路压力处于平衡状态，令
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
S33.输出位置坐标和修正后的压力测量数据；
将气动探针（3）的位置坐标和修正后的压力测量数据绘制成气动探针（3）的探针测孔位置实际感受到的压力空间分布图。
2.根据权利要求1所述的预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法，其特征在于，所述的
Figure 840248DEST_PATH_IMAGE006
阶离散系统的阶次
Figure 131552DEST_PATH_IMAGE006
需预先给定，
Figure 664164DEST_PATH_IMAGE006
取3、4或5。
3.根据权利要求1所述的预先动态标定的气动探针定常流场连续测试方法，其特征在于，所述的气动探针（3）具有若干个测孔，各个测孔具有对应的测压管路（4），各测压管路（4）连接对应的压力传感器，同步进行若干测压管路（4）的步骤S12的气动探针管路系统动态特性标定试验，再分别计算各测压管路（4）的动态特性参数及修正数据。
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