CN115236977A - 一种风洞连续变速压流场控制方法 - Google Patents

一种风洞连续变速压流场控制方法 Download PDF

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CN115236977A CN202211161105.6A CN202211161105A CN115236977A CN 115236977 A CN115236977 A CN 115236977A CN 202211161105 A CN202211161105 A CN 202211161105A CN 115236977 A CN115236977 A CN 115236977A
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易家宁
刘南
于贤鹏
王冬
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    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

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Abstract

本发明提出一种风洞连续变速压流场控制方法，属于风洞流场控制技术领域。包括以下步骤：S1.对风洞调压阀‑总压与栅指‑马赫数控制回路进行解耦；S2.专家PID控制器控制参数在线修正，得到亚跨声速和超声速工况下的暂冲式风洞的马赫数连续变速压流场调节；S3.根据改变连续变速压流场的调节，控制调压阀与栅指机构的位置实现暂冲式风洞的定马赫数连续变速压流场调节。解决颤振试验吹风时间长、耗气量大、模型容易损坏技术问题。

Description

一种风洞连续变速压流场控制方法
技术领域
本申请涉及一种流场控制方法，尤其涉及一种风洞连续变速压流场控制方法，属于风洞流场控制技术领域。
背景技术
在进行先进飞行器高速风洞颤振试验时，传统的暂冲式高速风洞传统定马赫数、阶梯变速压颤振试验方法导致吹风时间长、耗气量大、模型容易损坏的问题，为了满足先进飞行器高速风洞颤振试验需求，克服暂冲式高速风洞传统定马赫数、阶梯变速压颤振试验方法吹风时间长、耗气量大、模型容易损坏等不足，亟待一种用于颤振试验的暂冲式风洞连续变速压流场控制，实现更加便捷、高效、可靠的定马赫数连续变速压颤振试验，在降低成本、保护试验模型和风洞的同时提高试验精度的方法。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在的颤振试验吹风时间长、耗气量大、模型容易损坏技术问题，本发明提供一种风洞连续变速压流场控制方法，适用于在风洞颤振试验过程中，保证马赫数控制精度的前提下，以需求速率线性改变速压，从而在暂冲式风洞形成连续变速压颤振试验能力，结合解耦控制与专家PID控制，通过调压阀与栅指机构的实时调节，达到实现连续变速压流场控制的目的，从而实现定马赫数连续变速压方式的风洞颤振试验。
一种风洞连续变速压流场控制方法，包括以下步骤：
S1. 对风洞调压阀-总压与栅指-马赫数控制回路进行解耦；
S2. 专家PID控制器控制参数在线修正，得到亚跨声速和超声速工况下的暂冲式风洞的马赫数连续变速压流场调节；
S3. 根据改变连续变速压流场的调节，控制调压阀与栅指机构的位置实现暂冲式风洞的定马赫数连续变速压流场调节。
优选的，控制回路进行解耦的方法是，引入补偿因子
Figure 442711DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 642749DEST_PATH_IMAGE002
形成反馈解耦器，使风洞调压阀-马赫数栅指-总压两个耦合通道的影响趋近于零，前向通道
Figure 167271DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure 452759DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 252087DEST_PATH_IMAGE005
，此时系统解耦，其中，
Figure 306631DEST_PATH_IMAGE001
表示用于消除栅指对总压耦合影响的补偿因子，
Figure 2055DEST_PATH_IMAGE002
表示用于消除调压阀对马赫数耦合影响的补偿因子，
Figure 774839DEST_PATH_IMAGE006
表示以栅指为输入、总压为输出的系统传递函数，
Figure 846700DEST_PATH_IMAGE007
表示总压，
Figure 755750DEST_PATH_IMAGE008
表示解耦补偿系数，
Figure 887654DEST_PATH_IMAGE009
表示总压对时间的导数。
优选的，专家PID控制器控制参数在线修正的方法是：
记
Figure 882155DEST_PATH_IMAGE010
时刻的控制输出和控制偏差为
Figure 757707DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 521264DEST_PATH_IMAGE012
，引入修正因子
Figure 92578DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 574375DEST_PATH_IMAGE014
，专家PID控制算法：
Figure 988039DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 871681DEST_PATH_IMAGE016
表示比例控制系数，
Figure 345388DEST_PATH_IMAGE017
表示积分控制系数；
设置阈值
Figure 314481DEST_PATH_IMAGE018
，专家规则如下：
①当
Figure 531835DEST_PATH_IMAGE019
时为风洞流场充压阶段，令控制器开环，开环输出根据试验开始时的球罐压力和控制目标自动计算；
②当
Figure 269984DEST_PATH_IMAGE020
时，减弱控制器输出，采取积分分离措施，使被控参数进入允许误差带，此时
Figure 914592DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 370981DEST_PATH_IMAGE022
；
③当
Figure 126448DEST_PATH_IMAGE023
且
Figure 984682DEST_PATH_IMAGE024
时，误差在允许误差带内，误差绝对值增加或误差保持不变，增加积分作用加速消除偏差，令
Figure 534612DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 478298DEST_PATH_IMAGE026
，其中
Figure 37455DEST_PATH_IMAGE027
表示
Figure 18705DEST_PATH_IMAGE010
时刻控制偏差e的变化量；
④当
Figure 5115DEST_PATH_IMAGE028
且
Figure 170518DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 267787DEST_PATH_IMAGE030
时，误差在允许误差带内，且误差绝对值变化趋势由增加变为减小，令
Figure 100613DEST_PATH_IMAGE031
，系统正常进行PI调节，其中，
Figure 257925DEST_PATH_IMAGE032
表示
Figure 910623DEST_PATH_IMAGE033
时刻控制偏差e的变化量；
⑤当
Figure 811583DEST_PATH_IMAGE034
且
Figure 498917DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 827130DEST_PATH_IMAGE036
时，误差在允许误差带内，且误差绝对值逐渐减小，令
Figure 232703DEST_PATH_IMAGE037
，控制器输出保持不变。
本发明的有益效果如下：本发明结合暂冲式风洞的多变量、强耦合特征，通过解耦控制器，大幅减弱风洞调压阀-总压与栅指-马赫数两个控制回路之间的互相影响，增强风洞流场调节能力和控制稳定性。结合暂冲式风洞非线性、时变性特征和解耦控制器的不足，通过专家PID控制器，实现控制参数的在线实时智能修正，提高风洞流场控制精度。
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为方法流程示意图；
图2是解耦控制器原理框图；
图3是专家PID控制器原理框图；
图4是亚跨声速工况的连续变速压流场控制系统框图；
图5是超声速工况的连续变速压流场控制系统框图。
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1、参照图1-图5说明本实施方式，一种风洞连续变速压流场控制方法，包括以下步骤：
S1. 对风洞调压阀-总压与栅指-马赫数控制回路进行解耦；参照图2说明S1，图中，Gc1表示调压阀-总压控制器，Gc2表示栅指-马赫数控制器，
Figure 671775DEST_PATH_IMAGE007
表示总压，Ma表示马赫数，G11表示以调压阀为输入、总压为输出的系统传递函数，G12表示以栅指为输入、总压为输出的系统传递函数，G21表示以调压阀为输入、马赫数为输出的系统传递函数，G22表示以栅指为输入、马赫数为输出的系统传递函数；
所述控制回路的解耦的方法是，引入补偿因子
Figure 213615DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 712729DEST_PATH_IMAGE039
形成反馈解耦器，使风洞调压阀-马赫数与栅指-总压两个耦合通道的影响趋近于零，由于前向通道
Figure 605599DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure 851291DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 247637DEST_PATH_IMAGE005
，此时系统解耦，其中，
Figure 917653DEST_PATH_IMAGE038
表示用于消除栅指对总压耦合影响的补偿因子，
Figure 32239DEST_PATH_IMAGE039
表示用于消除调压阀对马赫数耦合影响的补偿因子，
Figure 78693DEST_PATH_IMAGE006
表示以栅指为输入、总压为输出的系统传递函数，
Figure 595125DEST_PATH_IMAGE007
表示总压，
Figure 436042DEST_PATH_IMAGE008
表示解耦补偿系数，
Figure 37925DEST_PATH_IMAGE009
表示总压对时间的导数。
S2. 专家PID控制器控制参数在线修正，得到亚跨声速和超声速工况下的暂冲式风洞的马赫数连续变速压流场调节；参照图2说明S2；
所述专家PID控制器控制参数在线修正的方法是，由于补偿因子
Figure 622490DEST_PATH_IMAGE039
为近似选取，无法实现完全解耦，因此采用专家PID控制器进行在线修正；
记
Figure 993428DEST_PATH_IMAGE010
时刻的控制输出和控制偏差为
Figure 5247DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 94425DEST_PATH_IMAGE012
，引入修正因子
Figure 482681DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 442547DEST_PATH_IMAGE014
，专家PID控制算法：
Figure 890846DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 192952DEST_PATH_IMAGE040
表示比例控制系数，
Figure 384899DEST_PATH_IMAGE041
表示积分控制系数；
设置阈值
Figure 464851DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 818472DEST_PATH_IMAGE043
与
Figure 616664DEST_PATH_IMAGE044
为常数，具体数值与风洞实际情况相关，一般取
Figure 612301DEST_PATH_IMAGE045
，专家规则如下：
①当
Figure 812339DEST_PATH_IMAGE019
时为风洞流场充压阶段，为使风洞流场尽快接近工作设定点，令控制器开环，开环输出根据试验开始时的球罐压力和控制目标自动计算；
②当
Figure 336861DEST_PATH_IMAGE046
时，被控参数距工作设定点仍有一定差距，为防止积分积累引发超调造成颤振损坏，应适当减弱控制器输出，并采取积分分离措施，使被控参数缓慢进入允许误差带，此时
Figure 622349DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 890519DEST_PATH_IMAGE022
；
③当
Figure 945063DEST_PATH_IMAGE023
且
Figure 906065DEST_PATH_IMAGE024
时，误差在允许误差带内，误差绝对值增加或误差保持不变，应适当增加积分作用以加速消除偏差，此时令
Figure 678849DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 485131DEST_PATH_IMAGE026
，其中
Figure 925340DEST_PATH_IMAGE027
表示
Figure 794594DEST_PATH_IMAGE010
时刻控制偏差e的变化量；
④当
Figure 54674DEST_PATH_IMAGE028
且
Figure 664647DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 693783DEST_PATH_IMAGE030
时，误差在允许误差带内，且误差绝对值变化趋势由增加变为减小，此时令
Figure 996589DEST_PATH_IMAGE031
，系统正常进行PI调节，其中，
Figure 478386DEST_PATH_IMAGE032
表示
Figure 892049DEST_PATH_IMAGE033
时刻控制偏差e的变化量；
⑤当
Figure 41271DEST_PATH_IMAGE034
且
Figure 249398DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 484071DEST_PATH_IMAGE036
时，误差在允许误差带内，且误差绝对值逐渐减小，考虑到系统存在滞后，为避免调节过度，此时可以令
Figure 170267DEST_PATH_IMAGE037
，控制器输出保持不变。
具体的，本实施例通过对风洞调压阀-总压与栅指-马赫数控制回路进行解耦，减少耦合作用对流场控制的不利影响。
具体的，专家PID控制器控制参数在线修正，得到亚跨声速和超声速工况下的暂冲式风洞的定马赫数连续变速压流场调节的控制效果更好。
具体的，本实施例通过解耦控制器与专家PID控制器计算得到控制输出，并根据控制输出调节调压阀与栅指机构的位置，实现暂冲式风洞的定马赫数连续变速压流场调节。
具体的，一种风洞连续变速压流场控制方法可以应用在亚跨声速工况和超声速工况下实现连续变速压流场控制；参照图4-图5理解亚跨声速工况的连续变速压流场控制过程和超声速工况的连续变速压流场控制过程，图中，PID为专家PID控制器，
Figure 439574DEST_PATH_IMAGE007
表示总压，Ma表示马赫数。
S3. 根据改变连续变速压流场的调节，控制调压阀与栅指机构的位置实现暂冲式风洞的定马赫数连续变速压流场调节。
实施例2、一种风洞连续变速压流场控制系统，所述系统包括解耦控制器、专家PID控制器、风洞控制系统、调压阀、栅指机构、压力传感器和测量系统；
所述解耦控制器用于完成风洞调压阀-总压与栅指-马赫数控制回路的解耦；
所述专家PID控制器在不同工况条件下控制参数的在线修正；
所述风洞控制系统用于改变调压阀与栅指机构的位置来对风洞试验的开始、停止与流场调节，并实时记录相应数据；
所述压力传感器用于采集风洞内的压力；
所述测量系统用于采集试验中压力传感器的数据，并将采集到的数据换算为工程信号后传输至风洞控制系统。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种风洞连续变速压流场控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 对风洞调压阀-总压与栅指-马赫数控制回路进行解耦；
S2. 专家PID控制器控制参数在线修正，得到亚跨声速和超声速工况下的暂冲式风洞的马赫数连续变速压流场调节；
S3. 根据改变连续变速压流场的调节，控制调压阀与栅指机构的位置实现暂冲式风洞的定马赫数连续变速压流场调节。
2.根据权利要求1所述的一种风洞连续变速压流场控制方法，其特征在于，控制回路进行解耦的方法是，引入补偿因子
Figure 816385DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 940199DEST_PATH_IMAGE002
形成反馈解耦器，使风洞调压阀-马赫数与栅指-总压两个耦合通道的影响趋近于零，前向通道
Figure 67293DEST_PATH_IMAGE003
，取
Figure 683082DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 304556DEST_PATH_IMAGE005
，此时系统解耦，其中，
Figure 954980DEST_PATH_IMAGE001
表示用于消除栅指对总压耦合影响的补偿因子，
Figure 754440DEST_PATH_IMAGE002
表示用于消除调压阀对马赫数耦合影响的补偿因子，
Figure 123105DEST_PATH_IMAGE006
表示以栅指为输入、总压为输出的系统传递函数，
Figure 548270DEST_PATH_IMAGE007
表示总压，
Figure 53200DEST_PATH_IMAGE008
表示解耦补偿系数，
Figure 516237DEST_PATH_IMAGE009
表示总压对时间的导数。
3.根据权利要求2所述的一种风洞连续变速压流场控制方法，其特征在于，专家PID控制器控制参数在线修正的方法是：
记
Figure 106619DEST_PATH_IMAGE010
时刻的控制输出和控制偏差为
Figure 69896DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure 694912DEST_PATH_IMAGE012
，引入修正因子
Figure 836174DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 913852DEST_PATH_IMAGE014
，专家PID控制算法：
Figure 415240DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 894763DEST_PATH_IMAGE016
表示比例控制系数，
Figure 705462DEST_PATH_IMAGE017
表示积分控制系数；
设置阈值
Figure 270436DEST_PATH_IMAGE018
，专家规则如下：
①当
Figure 778777DEST_PATH_IMAGE019
时为风洞流场充压阶段，令控制器开环，开环输出根据试验开始时的球罐压力和控制目标自动计算；
②当
Figure 253752DEST_PATH_IMAGE020
时，减弱控制器输出，采取积分分离措施，使被控参数进入允许误差带，此时
Figure 658189DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 444879DEST_PATH_IMAGE022
；
③当
Figure 553649DEST_PATH_IMAGE023
且
Figure 7765DEST_PATH_IMAGE024
时，误差在允许误差带内，误差绝对值增加或误差保持不变，增加积分作用加速消除偏差，令
Figure 363528DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 762149DEST_PATH_IMAGE026
，其中
Figure 81135DEST_PATH_IMAGE027
表示
Figure 468385DEST_PATH_IMAGE010
时刻控制偏差e的变化量；
④当
Figure 417886DEST_PATH_IMAGE028
且
Figure 569382DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 629742DEST_PATH_IMAGE030
时，误差在允许误差带内，且误差绝对值变化趋势由增加变为减小，令
Figure 432350DEST_PATH_IMAGE031
，系统正常进行PI调节，其中，
Figure 552753DEST_PATH_IMAGE032
表示
Figure 925966DEST_PATH_IMAGE033
时刻控制偏差e的变化量；
⑤当
Figure 790016DEST_PATH_IMAGE034
且
Figure 948596DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 505480DEST_PATH_IMAGE036
时，误差在允许误差带内，且误差绝对值逐渐减小，令
Figure 100409DEST_PATH_IMAGE037
，控制器输出保持不变。
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