CN115290285B - 一种高超声速风洞变目标值流场控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高超声速风洞变目标值流场控制系统及方法，属于高超风洞运行控制技术领域。其包括高压气源通过第一支路与加热器连接，高压气源通过第二支路与第一引射环管连接，高压气源通过第三支路与第二引射环管连接，加热器、稳定段压力传感器、喷管、试验舱、第一引射环管和第二引射环管依次连接，第一支路安有主流一级阀和主流二级阀，第二支路装有一级引射器一级阀和一级引射器二级阀，第三支路装有二级引射器一级阀和二级引射器二级阀。通过实时调节压力控制目标值，将风洞启动过程与风洞运行过程有效隔离，解决了风洞快速启动与快速稳定的矛盾，且有效控制了总压超调量，保证了风洞运行安全，提高了不同工况的试验效率。

Description

一种高超声速风洞变目标值流场控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高超声速风洞变目标值流场控制系统，属于高超风洞运行控制技术领域。

背景技术

高超声速风洞运行方式为下吹-引射式，采用自由射流试验段。高超声速风洞运行马赫数不低于4，运行总压范围较宽，一般从几百千帕到几千千帕不等，运行总温最高可达上千开氏度。

高超声速风洞流场控制一般具备以下几个特点：

1、运行时间短。一般不超过1分钟，要求风洞启动时间短，流场能够快速稳定；

2、运行总压高。高马赫数时风洞运行总压高，但此时喷管吼道截面积小，风洞启动压力和工作压力差值较大，造成风洞快速启动和流场快速稳定的矛盾；

3、滞后性大。由于加热器、高温阀等设备的存在，总压监测点距离阀门较远，容腔效应明显；

4、试验工况多。风洞试验马赫数多、总压范围宽，主流与引射运行方式多种多样，启动方式与运行控制复杂；

5、干扰因素复杂。常规高超声速风洞为满足宽总压范围调节，一般采用两级阀门调压，两级阀门互相影响，再加上主流与引射互相影响、风洞总温对总压控制的影响等，多重耦合因素使得流场控制难度大。

因此，亟需提出一种高超声速风洞变目标值流场控制系统及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决针对高超声速风洞流场控制特点，合理设定风洞主流两阀之间的压力测点和稳定段的压力测点，使两个测点位置的压力作为闭环控制目标值，通过实时调节压力控制目标值，将风洞启动过程与风洞运行过程有效隔离，解决了风洞快速启动与快速稳定的矛盾，且有效控制了总压超调量，保证了风洞运行安全，提高了不同工况的试验效率，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。

本发明的技术方案：

方案一、一种高超声速风洞变目标值流场控制系统，包括高压气源、加热器、稳定段压力传感器、喷管、试验舱、一级引射器压力传感器、二级引射器压力传感器、第一支路、第二支路和第三支路，高压气源通过第一支路与加热器建立连接，高压气源通过第二支路与第一引射环管建立连接，高压气源通过第三支路与第二引射环管建立连接，加热器、稳定段压力传感器、喷管、试验舱、第一引射环管和第二引射环管依次建立连接，第一支路上安装有主流一级阀和主流二级阀，第二支路上安装有一级引射器一级阀和一级引射器二级阀，第三支路上安装有二级引射器一级阀和二级引射器二级阀，第一引射环管和第二引射环管上分别设置有一级引射器压力传感器和二级引射器压力传感器。

优选的：所述主流一级阀和主流二级阀之间的第一支路上安装有主流阀间压力传感器，一级引射器一级阀和一级引射器二级阀上安装有一级引射器阀间压力传感器，二级引射器一级阀和二级引射器二级阀上安装有二级引射器阀间压力传感器。

方案二、一种高超声速风洞变目标值流场控制方法，是基于方案一所述的一种高超声速风洞变目标值流场控制系统实现的，包括：

步骤1，设置高压气源的压力值，将主流二级阀、二级引射器二级阀、一级引射器二级阀打开到预置开度；

步骤2，分别根据主流一级阀、一级引射器一级阀和二级引射器一级阀各自的特性曲线得到各自的初始预置开度，根据试验工况设置风洞启动和运行过程中的总压目标值；

步骤3，根据试验工况，设置风洞启动阶段PID参数和风洞运行阶段初始PID参数；

步骤4，按照初始预置开度同时打开主流一级阀、一级引射器一级阀和二级引射器一级阀；

步骤5，试验开始，第一引射环管和第二引射环管上的一级引射器压力传感器和二级引射器压力传感器到达设定压力值，引射器正常启动；

步骤6，主流阀间压力传感器迅速上升至启动过程目标压力值，进入PID闭环控制；

步骤7，当稳定段压力上升至最高点时，以稳定段压力传感器作为目标值监测点位，目标压力值随气源压力值下降而变化，最终设置目标压力值误差带上限作为压力控制目标值，并进入“前馈控制+PID闭环控制”模式；

步骤8，当风洞总压进入误差带后，目标值设为风洞运行总压压力值，风洞进入平稳运行状态，进入基于机器学习的自适应PID控制模式，精调风洞运行总压；

步骤9，试验结束后，同时关闭主流一级阀、一级引射器一级阀和二级引射器一级阀。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的针对高超声速风洞流场控制特点，设计一种高超声速风洞变目标值流场控制方法，合理设定风洞主流两阀之间压力测点和稳定段压力测点两个测点位置的压力作为闭环控制目标值；

2.本发明通过实时调节压力控制目标值，将风洞启动过程与风洞运行过程有效隔离，解决了风洞快速启动与快速稳定的矛盾；

3.本发明有效控制了总压超调量，保证了风洞运行安全，提高了不同工况的试验效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制原理图。

图中1-高压气源，2-主流一级阀，3-主流阀间压力传感器，4-主流二级阀，5-加热器，6-一级引射器一级阀，7-二级引射器一级阀，8-二级引射器阀间压力传感器，9-一级引射器阀间压力传感器，10-二级引射器二级阀，11-一级引射器二级阀，12-稳定段压力传感器，13-喷管，14-试验舱，15-一级引射器压力传感器，16-二级引射器压力传感器，101-第一支路，102-第二支路，103-第三支路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种高超声速风洞变目标值流场控制系统，包括高压气源1、加热器5、稳定段压力传感器12、喷管13、试验舱14、一级引射器压力传感器15、二级引射器压力传感器16、第一支路101、第二支路102和第三支路103，高压气源1通过第一支路101与加热器5建立连接，高压气源1通过第二支路102与第一引射环管建立连接，高压气源1通过第三支路103与第二引射环管建立连接，加热器5、稳定段压力传感器12、喷管13、试验舱14、第一引射环管和第二引射环管依次建立连接，第一支路101上安装有主流一级阀2、主流阀间压力传感器3和主流二级阀4，第二支路102上安装有一级引射器一级阀6、一级引射器阀间压力传感器9和一级引射器二级阀11，第三支路103上安装有二级引射器一级阀7、二级引射器阀间压力传感器8和二级引射器二级阀10，第一引射环管和第二引射环管上分别设置有一级引射器压力传感器15和二级引射器压力传感器16，本实施方式的高超声速风洞驱动方式为下吹-引射式。

具体实施方式二：结合图1-图2说明本实施方式，基于具体实施方式一，本实施方式针对高超声速风洞流场控制特点，设计一种高超声速风洞变目标值流场控制方法，其控制对象为风洞主流调压阀，控制目标为风洞稳定段总压。本实施方式设计一个总压流场控制闭环，设置两个压力监测点作为不同阶段的闭环控制目标值测点，分别位于主流两阀之间和稳定段，具体包括：

步骤1，在风洞启动阶段，以主流两阀之间压力作为闭环控制目标，设置高压气源1的压力值为200bar，将主流二级阀4、二级引射器二级阀10、一级引射器二级阀11打开到预置开度，此三个阀门起到截留减压作用；

步骤2，分别根据主流一级阀2、一级引射器一级阀6和二级引射器一级阀7各自的特性曲线得到各自的预置开度，根据试验工况设置风洞启动和运行过程中的总压目标值；

步骤3，根据试验工况，设置风洞启动阶段PID参数和风洞运行阶段初始PID参数；

步骤4，按照初始预置开度同时打开主流一级阀2、一级引射器一级阀6和二级引射器一级阀7；

步骤5，试验开始，第一引射环管和第二引射环管上的一级引射器压力传感器15和二级引射器压力传感器16到达设定压力值，引射器正常启动；

步骤6，主流阀间压力传感器3迅速上升至启动过程目标压力值，进入PID闭环控制，此点的目标压力值在风洞启动阶段不受容腔效应影响，压力上升时间短、压力控制响应快，目的是使风洞稳定段能快速充压，且超调量较小；

步骤7，当稳定段压力上升至最高点时，以稳定段压力传感器12作为目标值监测点位，设置目标压力值误差带上限作为闭环控制初始目标值，目标值跟随气源压力下降曲线而变化，设此时目标值为P_w，气源压力为P_q，则P_w=k*P_q，k为经验系数，目标值变化下限为风洞运行总压目标值误差带上限，控制方式为“前馈控制+PID控制”，此时风洞总压快速回落，通过前馈控制环节，给定阀门每周期固定增大开度量，防止总压降低过快，通过PID闭环控制将风洞总压稳定在误差带附近；

步骤8，当风洞总压进入误差带后，目标值设为风洞运行总压压力值，风洞进入平稳运行状态，进入基于机器学习的自适应PID控制模式，此时风洞度过前期的容腔充压过程并进入启动状态，根据不同工况的风洞流量，总压控制会有一定的滞后效应，但前期较小的超调量会让此时的压力控制更快进入稳定状态，并通过机器学习时间序列预测模型调整每个控制周期的PID参数，实现总压控制的精确调节；

步骤9，试验结束后，同时关闭主流一级阀2、一级引射器一级阀6和二级引射器一级阀7。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高超声速风洞变目标值流场控制方法，其依托一种高超声速风洞变目标值流场控制系统实现，一种高超声速风洞变目标值流场控制系统包括：高压气源(1)、加热器(5)、稳定段压力传感器(12)、喷管(13)、试验舱(14)、一级引射器压力传感器(15)、二级引射器压力传感器(16)、第一支路(101)、第二支路(102)和第三支路(103)，高压气源(1)通过第一支路(101)与加热器(5)建立连接，高压气源(1)通过第二支路(102)与第一引射环管建立连接，高压气源(1)通过第三支路(103)与第二引射环管建立连接，加热器(5)、稳定段压力传感器(12)、喷管(13)、试验舱(14)、第一引射环管和第二引射环管依次建立连接，第一支路(101)上安装有主流一级阀(2)和主流二级阀(4)，第二支路(102)上安装有一级引射器一级阀(6)和一级引射器二级阀(11)，第三支路(103)上安装有二级引射器一级阀(7)和二级引射器二级阀(10)，第一引射环管和第二引射环管上分别设置有一级引射器压力传感器(15)和二级引射器压力传感器(16)；

所述主流一级阀(2)和主流二级阀(4)之间的第一支路(101)上安装有主流阀间压力传感器(3)，一级引射器一级阀(6)和一级引射器二级阀(11)上安装有一级引射器阀间压力传感器(9)，二级引射器一级阀(7)和二级引射器二级阀(10)上安装有二级引射器阀间压力传感器(8)，其特征在于，一种高超声速风洞变目标值流场控制方法包括以下步骤：

步骤1，设置高压气源(1)的压力值，将主流二级阀(4)、二级引射器二级阀(10)、一级引射器二级阀(11)打开到预置开度；

步骤2，分别根据主流一级阀(2)、一级引射器一级阀(6)和二级引射器一级阀(7)各自的特性曲线得到各自的初始预置开度，根据试验工况设置风洞启动和运行过程中的总压目标值；

步骤3，根据试验工况，设置风洞启动阶段PID参数和风洞运行阶段初始PID参数；

步骤4，按照初始预置开度同时打开主流一级阀(2)、一级引射器一级阀(6)和二级引射器一级阀(7)；

步骤5，试验开始，第一引射环管和第二引射环管上的一级引射器压力传感器(15)和二级引射器压力传感器(16)到达设定压力值，引射器正常启动；

步骤6，主流阀间压力传感器(3)迅速上升至启动过程目标压力值，进入PID闭环控制；

步骤7，当稳定段压力上升至最高点时，以稳定段压力传感器(12)作为目标值监测点位，目标压力值随气源压力值下降而变化，最终设置目标压力值误差带上限作为压力控制目标值，并进入“前馈控制+PID闭环控制”模式；

步骤8，当风洞总压进入误差带后，目标值设为风洞运行总压压力值，风洞进入平稳运行状态，进入基于机器学习的自适应PID控制模式，精调风洞运行总压；

步骤9，试验结束后，同时关闭主流一级阀(2)、一级引射器一级阀(6)和二级引射器一级阀(7)。

Images