CN114414196A - 一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速风洞试验技术领域，公开了一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法。该连续变速压控制方法通过调节超声速扩散段调节片第二节点实现第二喉道的面积改变，即通过动态调节超扩段第二节点位置的方式控制马赫数，将超扩段第二节点的位置调节加入风洞试验马赫数控制程序。本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法稳定、可靠、控制精度高、节省气源，在连续变速压开车方式下总压线性变化速率为0.5千帕/秒～2千帕/秒，马赫数控制精度在0.002范围内，能够用于亚跨声速颤振试验。

Description

一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法。

背景技术

高速暂冲式风洞开展常规亚跨声速风洞试验时，通过主调压阀进行前室总压调节，进而实现试验段马赫数调节，试验过程中，前室总压与试验段驻室参考点静压比值保持常数。试验段马赫数控制精度一般在0.003。风洞超声速扩散段调节片位置是在试验吹风前调整到位的，在试验过程中并不参与流场调节，风洞超声速扩散段调节片的控制系统与风洞测控系统相对独立。在这种马赫数控制方法下，亚跨声速流场控制没有前室总压具体数值的要求，在试验中前室总压值是在一定范围内波动的，不能用于颤振试验。

高速暂冲式风洞开展亚跨声速颤振试验时，通常采用定马赫数阶梯变速压（前室总压）的开车方式，这种开车方式能够获得足够多的样本数据，方便后续试验数据处理。然而存在不足之处也显而易见，一方面高速暂冲式风洞的耗气量与时间成正比，吹风时间越长，耗气量越大，尤其是增速压试验，耗气量更是惊人；另一方面如果吹风时间过长，颤振试验模型即使不发生颤振也容易因疲劳而损坏，导致模型结构动力特性发生改变，得不到所需的颤振特性。

而采用连续变速压的试验方式，能够更加准确地模拟颤振现象的实际发生、发展过程。当前，继续发展一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法，采用在确定的马赫数下连续增速压的开车方式，需解决两个关键技术问题，一是在变速压的过程中准确控制马赫数；二是连续变速压，实现前室总压线性变化。

根据一维管流连续方程，在亚、跨声速范围内，当风洞前室总压大于一定值，在超声速扩散段建立第二喉道后，试验段马赫数将由试验段横截面积与第二喉道横截面积之比决定。但是，在亚跨声速试验过程中，由于增压会引起流量变化，为了维持已建立的超声速扩散段的声速喉道条件，必须适当调整试验段横截面积与第二喉道横截面积之比，现实中最容易实现的就是试验过程中对第二喉道横截面积进行调整实现面积比的变化，调整方式包括堵块法、可调中心体法和栅指等。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法，其特点是，所述的连续变速压控制方法采用专用的控制系统；控制系统的计算机通过模拟量输出卡的模拟信号控制变频器Ⅰ，变频器Ⅰ驱动电机Ⅰ调节主调压阀，实现前室总压的闭环精确控制；计算机通过模拟量输出卡的模拟信号和数字量输出卡的数字信号同时控制变频器Ⅱ，变频器Ⅱ驱动电机Ⅱ调节超扩段第二节点；控制系统的计算机通过PXI数据采集获得前室总压P0，试验段静压Pct，计算试验段的马赫数Ma；

所述的连续变速压控制方法，具体包括以下步骤：

S10.亚跨声速颤振试验前，给定目标马赫数，给定超声速扩散段各节点的直径尺寸，超扩段第一节点~超扩段第四节点的直径尺寸分别减小到常规亚跨声速风洞超扩段的直径尺寸的78%、45%、63%、83%；

S20.亚跨声速颤振试验前，给定主调压阀的阀门开度，根据试验要求的前室总压P0，主调压阀的阀门开度增大至常规试验的主调压阀的阀门开度的P0/P_常规倍，避免在高速暂冲式风洞启动时，试验段马赫数超出或远离给定目标马赫数；

S30.确定超扩段第二节点的调节时间点；

试验开始后，先进行前室总压粗调，当设定前室总压和当前前室总压均小于25kPa，且前室总压达到目标值的95%时，开始进行超扩段第二节点的调节；超扩段第二节点的调节范围受相邻的超扩段第一节点、超扩段第三节点的直径尺寸的限制，如果超扩段第二节点过早投入调节，容易造成机构别卡，过晚投入调节则造成气源浪费；

S40.确定超扩段第二节点的调节控制律，根据设定马赫数M_设定和实际马赫数M_实际的偏差量分段控制调节速度；

当∣M_实际-M_设定∣≥0.01，变频器Ⅱ在模拟电压U=1.5V对应的频率下运行；

当0.01＞∣M_实际-M_设定∣≥0.005，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.9V对应的频率下运行；

当0.005＞∣M_实际-M_设定∣≥0.002，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.7V对应的频率下运行；

当∣M_实际-M_设定∣＜0.002，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.4V对应的频率下运行；

当风洞正常关车前或紧急关车后，停止超扩段第二节点的控制调节，避免出现机构别卡；

S50.确定前室总压线性变化速率；

前室总压由主调压阀控制，采用积分分离式PID控制方法也称为IPD控制方法；积分分离式PID控制方法就是预先给定一个设定值

，当偏差值

超过这个设定值

时，采用PD控制，既避免产生超调，又保证系统有较快的响应；当偏差值

小于设定值

时，采用PID控制，保证控制精度；积分分离式PID控制方法的前室总压线性变化速率

见下式：

为修正系数，当

，

；当

时，

；

式中，

为采样周期；

为采样序号

=0，1，2，……；

为第

个采样时刻的计算机输出值；

为第

个采样时刻输入的偏差值；

为

次采样时刻输入的偏差值；

为比例系数；

为控制器的积分常数；

为控制器的微分时间常数；

为前

个偏差值的和；

S60.启动风洞，按照步骤S20~步骤S50的控制参数进行连续变速压控制，亚跨声速颤振试验结束后，关闭风洞。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法是通过调节超声速扩散段调节片第二节点来实现第二喉道的面积改变，即通过动态调节超扩段第二节点位置的方式控制马赫数，要求对超扩段第二节点的控制必须准确、响应迅速。建立超扩段第二节点控制律，其优劣直接影响试验马赫数控制波动的大小，在超扩段第二节点的调节过程中，采用根据马赫数偏差量的大小分段控制调节速度的控制策略，随着试验马赫数偏差量的减小逐步降低变频器的运行频率，进而降低超扩段第二节点的电机运行速度。变频器驱动电机存在最小运行频率，当对变频器的给定频率小于最小运行频率时，电机将停止运动。试验前需确定变频器的最小给定频率，当试验马赫数偏差量小于一定值时，设定变频器以最小运行频率调节电机。当试验马赫数偏差量达到控制精度后，停止调节。此外，在高速暂冲式风洞正常关车前或紧急关车后，须停止超扩段第二节点的动态调节，避免出现相关机构别卡。

前室总压线性变化速率过快可能导致试验过程中实时马赫数超出马赫数控制精度。本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法将超扩段第二节点的位置调节加入风洞试验马赫数控制程序，实现了连续变速压（增速压）的同时保证马赫数控制精度在0.002范围内，保证了总压线性变化，前室总压线性变化速率为0.5千帕/秒～2千帕/秒。需要注意的是，进行超扩段第二节点的调节前需确定变频器Ⅱ的最小给定频率，当试验马赫数偏差量小于一定值时，程序设定机构以最小运行频率调节；当试验马赫数偏差量达到控制精度后，停止其调节；此外，在风洞正常关车前或紧急关车后，须停止超扩段第二节点的控制调节，避免出现机构别卡。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法具有双闭环控制系统；计算机通过模拟量输出卡的模拟信号控制变频器Ⅰ，变频器Ⅰ驱动电机Ⅰ调节主调压阀，实现总压的闭环精确控制；计算机通过模拟量输出卡的模拟信号和数字量输出卡的数字信号同时控制变频器Ⅱ，变频器Ⅱ驱动电机Ⅱ调节超扩段第二节点，实现马赫数的闭环精确控制。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法中的超声速扩散段控制系统的变频驱动器的控制信号源有三种选择：I/O端子、面板和现场总线。将控制信号源设置为I/O端子方式时，电机运转方向就由变频驱动器的控制端子接通方式确定；电机运转速度由变频驱动器的模拟输入量（0～10V）控制。高速暂冲式风洞测控系统的数字量输出卡和模拟量输出卡提供上述控制信号，这样就可以直接实现超扩段第二节点调节片的快速动态控制。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法通过对超扩段第二节点位置控制方式及风洞流场控制方式的改变，实现了高速暂冲式风洞的亚跨声速连续变速压运行方式，具有以下特点：

一是在亚跨声速颤振试验的初始或终止的速压调节阶段，由原先的马赫数控制偏差量控制主调压阀阀门开度，改为由前室总压控制偏差量控制主调压阀阀门开度。

二是在亚跨声速颤振试验的在连续变速压阶段，预先给定一个初始速度，然后由前室总压的变化率偏差量确定主调压阀阀门开度调节速度。

三是在高速暂冲式风洞启动并稳定后，由马赫数控制偏差量确定第二节点调节片位置的调节方向和速度。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法稳定、可靠、控制精度高、节省气源，在连续变速压开车方式下总压线性变化速率为0.5千帕/秒～2千帕/秒，马赫数控制精度在0.002范围内，能够用于亚跨声速颤振试验。

附图说明

图1为本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法的控制系统结构框图；

图2为使用本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法的高速暂冲式风洞的结构示意图。

图中，1.前室；2.0#喷管；3.试验段；4.驻室；5.超扩段第二节点；6.超声速扩散段；7.吸入引射器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法采用如图1所示的专用的控制系统；控制系统的计算机通过模拟量输出卡的模拟信号控制变频器Ⅰ，变频器Ⅰ驱动电机Ⅰ调节主调压阀，实现前室总压的闭环精确控制；计算机通过模拟量输出卡的模拟信号和数字量输出卡的数字信号同时控制变频器Ⅱ，变频器Ⅱ驱动电机Ⅱ调节超扩段第二节点；控制系统的计算机通过PXI数据采集获得前室总压P0，试验段静压Pct，计算试验段的马赫数Ma；

所述的连续变速压控制方法，具体包括以下步骤：

S10.亚跨声速颤振试验前，给定目标马赫数，给定超声速扩散段各节点的直径尺寸，超扩段第一节点~超扩段第四节点的直径尺寸分别减小到常规亚跨声速风洞超扩段的直径尺寸的78%、45%、63%、83%；

S20.亚跨声速颤振试验前，给定主调压阀的阀门开度，根据试验要求的前室总压P0，主调压阀的阀门开度增大至常规试验的主调压阀的阀门开度的P0/P_常规倍，避免在高速暂冲式风洞启动时，试验段马赫数超出或远离给定目标马赫数；

S30.确定超扩段第二节点的调节时间点；

试验开始后，先进行前室总压粗调，当设定前室总压和当前前室总压均小于25kPa，且前室总压达到目标值的95%时，开始进行超扩段第二节点的调节；超扩段第二节点的调节范围受相邻的超扩段第一节点、超扩段第三节点的直径尺寸的限制，如果超扩段第二节点过早投入调节，容易造成机构别卡，过晚投入调节则造成气源浪费；

S40.确定超扩段第二节点的调节控制律，根据设定马赫数M_设定和实际马赫数M_实际的偏差量分段控制调节速度；

当∣M_实际-M_设定∣≥0.01，变频器Ⅱ在模拟电压U=1.5V对应的频率下运行；

当0.01＞∣M_实际-M_设定∣≥0.005，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.9V对应的频率下运行；

当0.005＞∣M_实际-M_设定∣≥0.002，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.7V对应的频率下运行；

当∣M_实际-M_设定∣＜0.002，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.4V对应的频率下运行；

当风洞正常关车前或紧急关车后，停止超扩段第二节点的控制调节，避免出现机构别卡；

S50.确定前室总压线性变化速率；

前室总压由主调压阀控制，采用积分分离式PID控制方法也称为IPD控制方法；积分分离式PID控制方法就是预先给定一个设定值

，当偏差值

超过这个设定值

时，采用PD控制，既避免产生超调，又保证系统有较快的响应；当偏差值

小于设定值

时，采用PID控制，保证控制精度；积分分离式PID控制方法的前室总压线性变化速率

见下式：

为修正系数，当

，

；当

时，

；

式中，

为采样周期；

为采样序号

=0，1，2，……；

为第

个采样时刻的计算机输出值；

为第

个采样时刻输入的偏差值；

为

次采样时刻输入的偏差值；

为比例系数；

为控制器的积分常数；

为控制器的微分时间常数；

为前

个偏差值的和；

S60.启动风洞，按照步骤S20~步骤S50的控制参数进行连续变速压控制，亚跨声速颤振试验结束后，关闭风洞。

实施例1

本实施例的试验风洞是0.6米高速风洞。该风洞是一座直流暂冲下吹式三声速风洞，试验段截面尺寸为0.6米×0.6米，马赫数范围为0.4～4.5，攻角范围为-10°～50°。如图2所示，该风洞包括从前至后顺序连接的前室1、试验段3、超声速扩散段6和吸入引射器7，试验段3外部设置有驻室4，0#喷管2的前端与前室1的后端连通，0#喷管2的后端与试验段3连通，超声速扩散段6从前至后具有四个节点，超扩段第二节点5是调节第二喉道横截面积的关键节点。

该风洞首先进行了马赫数0.6、0.7、0.8、0.9空风洞连续变速压试验，并对速压变化率1～0.5KPa/s进行了调整；其后完成了马赫数0.6、0.7、0.8、0.85、0.9的带试验模型的连续变速压颤振试验，并对速压变化率2～0.5KPa/s进行了调整；最近开展了马赫数0.8、0.9、0.95、1.05、1.2的飞行器部件连续变速压颤振试验。

本实施例取

，

，比例系数

太大容易超调，得到的前室总压线性变化速率为1千帕/秒。

各期试验均表明，在连续变速压开车方式下，马赫数控制准确，无超调；N取3，前室总压线性变化。

飞行器部件连续变速压颤振试验结果表明，基于连续变速压的亚临界颤振预测方法所计算的结果，在速压较低时散布度较大，但随着速压的增加，规律性逐渐变好，可以给出与阶梯变速压一致的结果；在吹风速压进入亚临界范围以后，本发明的用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法具有较好的鲁棒性，减小了试验前制定开车速压范围的难度。连续变速压时耗气量大大减少，原因主要在两个方面：一是开车时间缩短；二是没有中间的速压阶梯，在相同的速压变化范围内，若速压增长率是一致的，总耗气量必定减少，通常可以节约耗气量30%以上。

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 (1)

1.一种用于亚跨声速颤振试验的连续变速压控制方法，其特征在于，所述的连续变速压控制方法采用专用的控制系统；控制系统的计算机通过模拟量输出卡的模拟信号控制变频器Ⅰ，变频器Ⅰ驱动电机Ⅰ调节主调压阀，实现前室总压的闭环精确控制；计算机通过模拟量输出卡的模拟信号和数字量输出卡的数字信号同时控制变频器Ⅱ，变频器Ⅱ驱动电机Ⅱ调节超扩段第二节点；控制系统的计算机通过PXI数据采集获得前室总压P0，试验段静压Pct，计算试验段的马赫数Ma；

所述的连续变速压控制方法，具体包括以下步骤：

S10.亚跨声速颤振试验前，给定目标马赫数，给定超声速扩散段各节点的直径尺寸，超扩段第一节点~超扩段第四节点的直径尺寸分别减小到常规亚跨声速风洞超扩段的直径尺寸的78%、45%、63%、83%；

S20.亚跨声速颤振试验前，给定主调压阀的阀门开度，根据试验要求的前室总压P0，主调压阀的阀门开度增大至常规试验的主调压阀的阀门开度的P0/P_常规倍，避免在高速暂冲式风洞启动时，试验段马赫数超出或远离给定目标马赫数；

S30.确定超扩段第二节点的调节时间点；

试验开始后，先进行前室总压粗调，当设定前室总压和当前前室总压均小于25kPa，且前室总压达到目标值的95%时，开始进行超扩段第二节点的调节；超扩段第二节点的调节范围受相邻的超扩段第一节点、超扩段第三节点的直径尺寸的限制，如果超扩段第二节点过早投入调节，容易造成机构别卡，过晚投入调节则造成气源浪费；

S40.确定超扩段第二节点的调节控制律，根据设定马赫数M_设定和实际马赫数M_实际的偏差量分段控制调节速度；

当∣M_实际-M_设定∣≥0.01，变频器Ⅱ在模拟电压U=1.5V对应的频率下运行；

当0.01＞∣M_实际-M_设定∣≥0.005，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.9V对应的频率下运行；

当0.005＞∣M_实际-M_设定∣≥0.002，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.7V对应的频率下运行；

当∣M_实际-M_设定∣＜0.002，变频器Ⅱ在模拟电压U=0.4V对应的频率下运行；

当风洞正常关车前或紧急关车后，停止超扩段第二节点的控制调节，避免出现机构别卡；

S50.确定前室总压线性变化速率；

前室总压由主调压阀控制，采用积分分离式PID控制方法也称为IPD控制方法；积分分离式PID控制方法就是预先给定一个设定值

，当偏差值

超过这个设定值

时，采用PD控制，既避免产生超调，又保证系统有较快的响应；当偏差值

小于设定值

时，采用PID控制，保证控制精度；积分分离式PID控制方法的前室总压线性变化速率

见下式：

为修正系数，当

，

；当

时，

；

式中，

为采样周期；

为采样序号

=0，1，2，……；

为第

个采样时刻的计算机输出值；

为第

个采样时刻输入的偏差值；

为

次采样时刻输入的偏差值；

为比例系数；

为控制器的积分常数；

为控制器的微分时间常数；

为前

个偏差值的和；

S60.启动风洞，按照步骤S20~步骤S50的控制参数进行连续变速压控制，亚跨声速颤振试验结束后，关闭风洞。

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