CN114185266A - 一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法 - Google Patents

一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法。本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法为总压前馈‑反馈复合控制方法，其中，前馈控制将风洞调压阀的阀门特性曲线用于设计前馈控制器，在气源压力下降时，加入前馈补偿量迅速抑制气源扰动；反馈控制基于增量式PID控制，消除总压微小控制误差。本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法可以有效消除或减小气源下降对暂冲式风洞总压控制的影响，降低PID控制器的参数调试难度，提高总压控制的精准度及鲁棒性。

Description

一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法
技术领域
本发明属于航空航天工业风洞试验领域，具体涉及一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法。
背景技术
高速风洞大多数是暂冲式风洞，暂冲式风洞由贮存在气罐中的高压气体驱动风洞气流流动。对于暂冲式风洞而言，运行过程中气源压力的变化往往是影响风洞总压控制稳定性的主要因素，特别是对于一些尺寸较大的风洞，在试验运行过程中气源压力下降速度很快，对风洞总压的控制造成很大的干扰。
类似PID这类反馈控制，只有等被控对象产生误差后，PID控制的输出才会发生变化，其控制作用不能及时影响系统输出，因此对于气源压力下降这种持续性干扰，PID控制的输出总是滞后的，阀门开度的增加量跟不上气源压力的下降量，导致总压控制存在较大偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法。
本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.风洞试验准备；
确定相关试验流程和试验参数，设置目标总压
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；
S2.风洞充压启动；
以开环控制方式将调压阀打开至预置开度，待风洞总压达到目标总压
Figure 288936DEST_PATH_IMAGE001
的95%时，风洞启动完成；
S3.总压和气源压力采集；
风洞试验过程中，风洞控制程序持续采集气源压力和稳定段总压；
S4.滤波；
风洞试验过程中，风洞控制程序对实时采集的气源压力和稳定段总压进行滤波，得到滤波后的气源压力
Figure 502879DEST_PATH_IMAGE002
和稳定段总压
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；
S5.总压复合控制；
将开环控制方式转换为总压复合控制，即总压前馈-反馈复合控制模式，按照总压复合控制算法计算调压阀目标开度，分为前馈控制部分和增量PID控制部分；
S6.计算调压阀目标阀位
Figure 861048DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 114437DEST_PATH_IMAGE006
为调压阀当前阀位；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；
Figure 357200DEST_PATH_IMAGE008
为增量PID控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；
S7.调压阀阀位闭环控制；
调压阀控制系统将调压阀阀位调节至目标阀位
Figure 284705DEST_PATH_IMAGE004
；
S8.风洞控制程序根据步骤S4的获得的滤波后的总压
Figure 751458DEST_PATH_IMAGE003
的时间历程曲线，判断风洞流场是否稳定，如果风洞流场稳定，完成既定试验内容后风洞关车；否则进入步骤S5，进行总压复合控制直至风洞流场稳定，完成计划的试验内容后风洞关车。
进一步地，所述的步骤S4中的滤波方式为滑动平均值滤波，稳定段总压
Figure 898668DEST_PATH_IMAGE003
的滤波窗口为15，气源压力
Figure 476280DEST_PATH_IMAGE002
滤波窗口为30。
进一步地，所述的步骤S5中的前馈控制部分包括以下步骤：
S510.选择试验马赫数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
对应的阀门特性曲线
Figure 992712DEST_PATH_IMAGE010
；
根据试验马赫数
Figure 630366DEST_PATH_IMAGE009
，选择试验马赫数
Figure 264872DEST_PATH_IMAGE009
对应的阀门特性曲线
Figure 646175DEST_PATH_IMAGE010
，计算前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；其中，阀门特性曲线
Figure 689218DEST_PATH_IMAGE010
通过风洞校准试验获得，存储在风洞试验参数数据库中；
采用
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
表示前二个控制周期，
Figure 825670DEST_PATH_IMAGE012
表示前一个控制周期，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
表示当前控制周期，
Figure 150734DEST_PATH_IMAGE014
表示下一个控制周期；
S511.预测下一个控制周期气源压力
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 663624DEST_PATH_IMAGE016
；
S512.计算前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量
Figure 420227DEST_PATH_IMAGE007
，即计算下一个控制周期调压阀位移的前馈补偿量
Figure 901149DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
。
进一步地，所述的步骤S5中的增量PID控制部分为计算增量PID控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；即计算下一个控制周期调压阀位置的反馈补偿量
Figure 212045DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 935150DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 375621DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
分别为比例系数、积分系数、微分系数，
Figure 994821DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 589751DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 116547DEST_PATH_IMAGE021
通过风洞校准试验获得，存储在风洞试验参数数据库中；
Figure 83628DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
为总压控制误差。
本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法中的前馈控制采用测量或间接估计干扰量来补偿控制量，这样可以在被控量的偏差将要产生时进行消除，避免被控量大的波动。具体而言，在风洞运行过程中实时采集气源压力，当气源压力变化时根据阀门特性曲线及时对阀门开度进行补偿，避免总压产生大的波动，有效调高流场的控制品质。
本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法克服了暂冲式风洞以PID控制为代表的反馈控制的不足，提出了一种适用于暂冲式风洞的总压前馈-反馈复合控制方法。其中，前馈控制将风洞调压阀的阀门特性曲线用于设计前馈控制器，在气源压力下降时，加入前馈补偿量迅速抑制气源扰动；反馈控制基于增量式PID控制，消除总压微小控制误差。
总而言之，本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法根据阀门特性曲线，引入总压前馈控制技术，可以有效消除或减小气源下降对暂冲式风洞总压控制的影响，降低PID控制器的参数调试难度，提高总压控制的精准度及鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法的流程图；
图2为本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法的原理图；
图3为本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法采用的调压阀阀门特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1所示，本发明的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法，包括以下步骤：
S1.风洞试验准备；
确定相关试验流程和试验参数；
S2.风洞充压启动；
以开环控制方式将调压阀打开至预置开度，待风洞总压达到目标总压
Figure 873730DEST_PATH_IMAGE001
的95%时，风洞启动完成；
S3.总压和气源压力采集；
风洞试验过程中，风洞控制程序持续采集气源压力和稳定段总压；
S4.滤波；
风洞试验过程中，风洞控制程序对实时采集的气源压力和稳定段总压进行滤波，得到滤波后的气源压力
Figure 955955DEST_PATH_IMAGE002
和稳定段总压
Figure 20863DEST_PATH_IMAGE003
；
S5.总压复合控制；
将开环控制方式转换为总压复合控制，即总压前馈-反馈复合控制模式，总压前馈-反馈复合控制模式的原理见图2；按照总压复合控制算法计算调压阀目标开度，分为前馈控制部分和增量PID控制部分；
S51.前馈控制部分；
S510.根据试验马赫数
Figure 373609DEST_PATH_IMAGE009
，选择试验马赫数
Figure 272295DEST_PATH_IMAGE009
对应的如图3所示的阀门特性曲线
Figure 310659DEST_PATH_IMAGE010
，图3中给出了其中5个典型马赫数下的阀门特性曲线；计算前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；其中，阀门特性曲线
Figure 179257DEST_PATH_IMAGE010
通过风洞校准试验获得，存储在风洞试验参数数据库中；采用
Figure 150624DEST_PATH_IMAGE011
表示前二个控制周期，
Figure 689053DEST_PATH_IMAGE012
表示前一个控制周期，
Figure 981757DEST_PATH_IMAGE013
表示当前控制周期，
Figure 654046DEST_PATH_IMAGE014
表示下一个控制周期；具体步骤如下：
S511.预测下一个控制周期气源压力
Figure 479920DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 48304DEST_PATH_IMAGE016
；
S512.计算阀位前馈补偿量
Figure 467784DEST_PATH_IMAGE007
，即计算下一个控制周期调压阀位移的前馈补偿量
Figure 179651DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 860031DEST_PATH_IMAGE017
S52.增量PID控制部分；
计算增量PID控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；
S521.计算阀位置的反馈补偿量；
即计算下一个控制周期调压阀位置的反馈补偿量
Figure 130475DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 771672DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，
Figure 785764DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 822116DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 997882DEST_PATH_IMAGE021
分别为比例系数、积分系数、微分系数，
Figure 126375DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 678579DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 333552DEST_PATH_IMAGE021
通过风洞校准试验获得，存储在风洞试验参数数据库中；
Figure 447263DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 63052DEST_PATH_IMAGE023
为总压控制误差；
S6.计算调压阀目标阀位
Figure 153368DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 662847DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 445995DEST_PATH_IMAGE006
为调压阀当前阀位；
S7.调压阀阀位闭环控制；
调压阀控制系统将调压阀阀位调节至目标阀位
Figure 549080DEST_PATH_IMAGE004
；
S8.风洞控制程序根据步骤S4的获得的滤波后的总压
Figure 944552DEST_PATH_IMAGE003
的时间历程曲线，判断风洞流场是否稳定，如果风洞流场稳定，完成既定试验内容后风洞关车；否则进入步骤S5，进行总压复合控制直至风洞流场稳定，完成既定试验内容后风洞关车。
所述的步骤S4中的滤波方式为滑动平均值滤波，稳定段总压
Figure 308537DEST_PATH_IMAGE003
的滤波窗口为15，气源压力
Figure 262587DEST_PATH_IMAGE002
滤波窗口为30。
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 (4)

1.一种适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.风洞试验准备；
确定相关试验流程和试验参数，设置目标总压
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
S2.风洞充压启动；
以开环控制方式将调压阀打开至预置开度，待风洞总压达到目标总压
Figure 18251DEST_PATH_IMAGE001
的95%时，风洞启动完成；
S3.总压和气源压力采集；
风洞试验过程中，风洞控制程序持续采集气源压力和稳定段总压；
S4.滤波；
风洞试验过程中，风洞控制程序对实时采集的气源压力和稳定段总压进行滤波，得到滤波后的气源压力
Figure 90112DEST_PATH_IMAGE002
和稳定段总压
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
S5.总压复合控制；
将开环控制方式转换为总压复合控制，即总压前馈-反馈复合控制模式，按照总压复合控制算法计算调压阀目标开度，分为前馈控制部分和增量PID控制部分；
S6.计算调压阀目标阀位
Figure 468003DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 475274DEST_PATH_IMAGE006
为调压阀当前阀位；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；
Figure 735354DEST_PATH_IMAGE008
为增量PID控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；
S7.调压阀阀位闭环控制；
调压阀控制系统将调压阀阀位调节至目标阀位
Figure 814168DEST_PATH_IMAGE004
；
S8.风洞控制程序根据步骤S4的获得的滤波后的总压
Figure 46566DEST_PATH_IMAGE003
的时间历程曲线，判断风洞流场是否稳定，如果风洞流场稳定，完成既定试验内容后风洞关车；否则进入步骤S5，进行总压复合控制直至风洞流场稳定，完成计划的试验内容后风洞关车。
2.根据权利要求1所述的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法，其特征在于，所述的步骤S4中的滤波方式为滑动平均值滤波，稳定段总压
Figure 490317DEST_PATH_IMAGE003
的滤波窗口为15，气源压力
Figure DEST_PATH_IMAGE009
滤波窗口为30。
3.根据权利要求1所述的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法，其特征在于，所述的步骤S5中的前馈控制部分包括以下步骤：
S510.选择试验马赫数
Figure 175376DEST_PATH_IMAGE010
对应的阀门特性曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
根据试验马赫数
Figure 589040DEST_PATH_IMAGE010
，选择试验马赫数
Figure 941524DEST_PATH_IMAGE010
对应的阀门特性曲线
Figure 54711DEST_PATH_IMAGE011
，计算前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量；其中，阀门特性曲线
Figure 227067DEST_PATH_IMAGE011
通过风洞校准试验获得，存储在风洞试验参数数据库中；
采用
Figure 647684DEST_PATH_IMAGE012
表示前二个控制周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示前一个控制周期，
Figure 651412DEST_PATH_IMAGE014
表示当前控制周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示下一个控制周期；
S511.预测下一个控制周期气源压力
Figure 436965DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
S512.计算前馈控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量
Figure 893354DEST_PATH_IMAGE007
，即计算下一个控制周期调压阀位移的前馈补偿量
Figure 117662DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 913580DEST_PATH_IMAGE018
。
4.根据权利要求1所述的适用于暂冲式风洞的总压复合控制方法，其特征在于，所述的步骤S5中的增量PID控制部分为计算增量PID控制部分带来的调压阀位移的前馈补偿量
Figure 870035DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 16982DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 841719DEST_PATH_IMAGE022
分别为比例系数、积分系数、微分系数，
Figure 757722DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 619499DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 253743DEST_PATH_IMAGE022
通过风洞校准试验获得，存储在风洞试验参数数据库中；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 616591DEST_PATH_IMAGE024
为总压控制误差。
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