CN116296219A - 一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法 - Google Patents

Abstract

一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，属于风洞试验技术领域。为实现同步精准控制暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压。本发明通过风洞试验采集风洞试验数据，构建风洞引射能力曲线；设置目标马赫数和速压，计算对应的风洞试验段静压和风洞总压；计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力；计算引射器引射压力；通过风洞试验采集风洞试验数据，构建引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线;利用PID控制方式控制P_0引、P₀，然后基于引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线得到模拟的马赫数和速压。

Description

一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法。

背景技术

颤振是飞行器受气动力、弹性力和惯性力作用下的自激振动。当飞行器在某一高度的飞行马赫数超过临界飞行马赫数时，振幅就会迅速增大，导致飞行器结构的损坏。由于颤振是破坏性的振动，故飞行器在不同高度飞行都不能超过该高度下的临界飞行马赫数。通常，飞行器在不同高度的临界马赫数出现在跨声速范围，而这部分的数据理论上难以准确计算。因此，在高速风洞试验中，必须开展跨声速颤振试验研究。在风洞中，模拟不同的飞行高度是通过模拟试验段的速压来实现。因此，与常规气动力风洞试验相比，暂冲式跨声速风洞的颤振试验不仅要求模拟马赫数，还要求精准模拟不同高度对应的速压。

对于具备驻室抽气功能的暂冲式风洞来说，要实现降低试验段静压，进而模拟某一定高度对应的速压时，只需通过驻室抽气的方式即可实现。但是对于不具备驻室抽气但具备一定引射能力的暂冲式跨声速风洞，试验方法为通过控制风洞总压来控制马赫数、并控制对应的引射压力来实现目标马赫数和目标速压的同步控制，但这种试验方法的弊端是受引射压力、风洞总压自身的波动以及二者的强耦合影响，马赫数和速压波动值可能会很大，甚至难以控制，不能满足工程使用需求。

发明内容

本发明要解决的问题是实现同步精准控制暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压，提出一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，包括如下步骤：

S1、通过风洞试验采集风洞试验数据，构建风洞引射能力曲线；

S2、设置目标马赫数M和速压q，根据设置的目标马赫数M和速压q计算对应的风洞试验段静压P_CT和风洞总压P₀；

S3、根据步骤S2得到的风洞总压P₀计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力P₀₁；

S4、基于步骤S1的风洞引射能力曲线，利用步骤S3得到的引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力P₀₁计算引射器引射压力P_0引；

S5、通过风洞试验采集风洞试验数据，构建引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线；

S6、基于步骤S5计算马赫数、速压和引射器引射压力相互之间的对应量值，获得目标马赫数和速压对应的引射器引射压力P_0引；

S7、用主调压阀来控制基于步骤S2得到的风洞总压P₀，用引射器调压阀来控制基于步骤S6得到的引射器引射压力P_0引；

S8、基于步骤S7控制方式获得的流场马赫数和速压即为目标马赫数和速压。

进一步的，步骤S1中的风洞引射能力曲线为引射器引射压力和在引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力对应关系曲线。

进一步的，步骤S1中所述风洞引射能力曲线的表达式为：

P_0引=aP₀₁+b；

其中，P_0引为引射器引射压力，P₀₁为引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力，a为第一系数，b为第二系数。

进一步的，步骤S2中所述风洞试验段静压P_CT的计算公式为：

；

所述风洞总压P₀的计算公式为：

。

进一步的，步骤S3中利用风洞总压P₀计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力的计算公式为：

；

其中，k为风洞实际启动压比。

进一步的，所述引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线为线性关系曲线。

进一步的，步骤S7中的主调压阀和引射器调压阀控制方式为增量式PID控制。

进一步的，步骤S7中所述增量式PID控制方法的表达式为：

△u(k)=K_p{e(k)-e(k-1)}+K_ie(k)+K_d{e(k)-2e(k-1)+e(k-2}；

其中，△u(k)为k时刻调压阀模拟信号控制量，K_p为比例控制系数，K_i为积分控制系数，K_d为微分控制系数，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k时刻、k-1时刻和k-2时刻对应的模拟信号。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，能够快速精准地获得目标马赫数M和速压q对应的引射压力P_0引，通过引射压力P_0引和总压P₀的解耦控制，实现目标马赫数和速压快速精准的同步控制，避免了二者的强耦合导致的马赫数和速压的剧烈波动甚至难以控制的问题。

本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，使具有一定引射能力的暂冲式跨声速风洞具备了模拟一定的不同高度的风洞试验能力，拓宽了风洞速压模拟包线，使风洞开展颤振等试验的能力获得大幅提升。

附图说明

图1为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的流程图；

图2为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的实例风洞引射能力曲线图；

图3为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的实例引射压力P_0引与马赫数M关系曲线图；

图4为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的实例速压q与马赫数M关系曲线图；

图5为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的实例引射压力P_0引与速压q关系曲线图；

图6为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的实例测试结果的目标马赫数M时域变化曲线图；

图7为本发明所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法的实例测试结果的目标速压q时域变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。

因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-附图7详细说明如下 ：

具体实施方式一：

一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，包括如下步骤：

S1、通过风洞试验采集风洞试验数据，构建风洞引射能力曲线；

进一步的，步骤S1中的风洞引射能力曲线为引射器引射压力和在引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力对应关系曲线；

进一步的，步骤S1中所述风洞引射能力曲线的表达式为：

P_0引=aP₀₁+b；

其中，P_0引为引射器引射压力，P₀₁为引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力，a为第一系数，b为第二系数；

S2、设置目标马赫数M和速压q，根据设置的目标马赫数M和速压q计算对应的风洞试验段静压P_CT和风洞总压P₀；

进一步的，步骤S2中所述风洞试验段静压P_CT的计算公式为：

；

所述风洞总压P₀的计算公式为：

；

S3、根据步骤S2得到的风洞总压P₀计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力P₀₁；

进一步的，步骤S3中利用风洞总压P₀计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力的计算公式为：

；

其中，k为风洞实际启动压比；

S4、基于步骤S1的风洞引射能力曲线，利用步骤S3得到的引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力P₀₁计算引射器引射压力P_0引；

S5、通过风洞试验采集风洞试验数据，构建引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线；

进一步的，所述引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线为线性关系曲线

S6、基于步骤S5计算马赫数、速压和引射器引射压力相互之间的对应量值，获得目标马赫数和速压对应的引射器引射压力P_0引；

S7、用主调压阀来控制基于步骤S2得到的风洞总压P₀，用引射器调压阀来控制基于步骤S6得到的引射器引射压力P_0引；

进一步的，步骤S7中的主调压阀和引射器调压阀控制方式为增量式PID控制；

进一步的，步骤S7中所述增量式PID控制方法的表达式为：

△u(k)=K_p{e(k)-e(k-1)}+K_ie(k)+K_d{e(k)-2e(k-1)+e(k-2}；

其中，△u(k)为k时刻调压阀模拟信号控制量，K_p为比例控制系数，K_i为积分控制系数，K_d为微分控制系数，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k时刻、k-1时刻和k-2时刻对应的模拟信号；

S8、基于步骤S7控制方式获得的流场马赫数和速压即为目标马赫数和速压。

图6、图7分别给出了目标马赫数M=0.7和目标速压q=18900Pa时测试结果的目标马赫数M和速压q的变化曲线。其中马赫数与常规流场控制方式下的控制精度一致，速压与目标值偏差小于50Pa。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过风洞试验采集风洞试验数据，构建风洞引射能力曲线；

S2、设置目标马赫数M和速压q，根据设置的目标马赫数M和速压q计算对应的风洞试验段静压P_CT和风洞总压P₀；

S3、根据步骤S2得到的风洞总压P₀计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力P₀₁；

S4、基于步骤S1的风洞引射能力曲线，利用步骤S3得到的引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力P₀₁计算引射器引射压力P_0引；

S5、通过风洞试验采集风洞试验数据，构建引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线；

S6、基于步骤S5计算马赫数、速压和引射器引射压力相互之间的对应量值，获得目标马赫数和速压对应的引射器引射压力P_0引；

S7、用主调压阀来控制基于步骤S2得到的风洞总压P₀，用引射器调压阀来控制基于步骤S6得到的引射器引射压力P_0引；

S8、基于步骤S7控制方式获得的流场马赫数和速压即为目标马赫数和速压。

2.根据权利要求1所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，步骤S1中的风洞引射能力曲线为引射器引射压力和在引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力对应关系曲线。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，步骤S1中所述风洞引射能力曲线的表达式为：

P_0引=aP₀₁+b；

其中，P_0引为引射器引射压力，P₀₁为引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力，a为第一系数，b为第二系数。

4.根据权利要求3所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，步骤S2中所述风洞试验段静压P_CT的计算公式为：

；

所述风洞总压P₀的计算公式为：

。

5.根据权利要求4所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，步骤S3中利用风洞总压P₀计算引射器开启、主调压阀关闭状态下的风洞试验段总压力的计算公式为：

；

其中，k为风洞实际启动压比。

6.根据权利要求5所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，所述引射器引射压力和马赫数关系曲线、速压和马赫数关系曲线、引射器引射压力和速压关系曲线为线性关系曲线。

7.根据权利要求6所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，步骤S7中的主调压阀和引射器调压阀控制方式为增量式PID控制。

8.根据权利要求7所述的一种暂冲式跨声速风洞目标马赫数和速压的精准控制方法，其特征在于，步骤S7中所述增量式PID控制方法的表达式为：

△u(k)=K_p{e(k)-e(k-1)}+K_ie(k)+K_d{e(k)-2e(k-1)+e(k-2}；

其中，△u(k)为k时刻调压阀模拟信号控制量，K_p为比例控制系数，K_i为积分控制系数，K_d为微分控制系数，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为k时刻、k-1时刻和k-2时刻对应的模拟信号。

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