CN116519255B - 一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种于连续式跨声速风洞试验的马赫数精确控制系统及方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。为解决连续式跨声速风洞吹试验过程中，由于模型姿态角变化引起的马赫数不能稳定控制的问题。本发明包括模型姿态角控制单元连接第一运动控制电机，压缩机转速控制单元连接压缩机，二喉道截面积控制单元连接第二运动控制电机、数据采集单元连接风洞总静压传感器；第一运动控制电机用于控制模型的姿态角运动；压缩机用于控制连续式跨声速风洞的风速；第二运动控制电机用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积。本发明通过调节压缩机转速以及二喉道截面积，消除由于试验模型运动导致的马赫数扰动。

Description

一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统及方法

技术领域

本发明属于航空气动力风洞试验技术领域，具体涉及一种于连续式跨声速风洞试验的马赫数精确控制系统及方法。

背景技术

连续式跨声速风洞试验作为一种空气动力学方向研究广泛采用的手段，为航空、航天领域的发展提供必要的技术保障。风洞马赫数的精确控制是保证试验精准度的重要组成部分，该部分直接影响到风洞试验数据的精准性。在控制策略方面，目前国内风洞的流场控制仍然以PID控制为主，风洞采用PID控制器对稳定段总压进行调控。但是，在吹风试验中，风洞流场情况非常复杂，对于暂冲式风洞而言，气源压力的不断下降会导致风洞流场存在时变特性。而且，为了确定合适的PID参数，需要通过大量吹风试验来进行调试，利用传统的整定方式也难以达到最优。

发明内容

本发明旨在解决连续式跨声速风洞吹试验过程中，由于模型姿态角变化引起的马赫数不能稳定控制的问题，提出一种于连续式跨声速风洞试验的马赫数精确控制系统及方法。

一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，包括中央控制单元、模型姿态角控制单元、压缩机转速控制单元、二喉道截面积控制单元、数据采集单元、第一运动控制电机、压缩机、第二运动控制电机、风洞总静压传感器，所述模型姿态角控制单元连接第一运动控制电机，所述压缩机转速控制单元连接压缩机，所述二喉道截面积控制单元连接第二运动控制电机、所述数据采集单元连接风洞总静压传感器；

所述第一运动控制电机用于控制模型的姿态角运动；

所述压缩机用于控制连续式跨声速风洞的风速；

所述第二运动控制电机用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积。

进一步的，所述模型姿态角控制单元为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。

进一步的，所述的压缩机转速控制单元为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统，所述二喉道截面积控制单元为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。

进一步的，所述数据采集单元为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元包括采集模块、数据预处理模块。

一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，依托于所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制实现，包括如下步骤：

S1、中央控制单元解算二喉道处的开度变化与马赫数变化和俯仰角变化的对应关系；

S2、中央控制单元向数据采集单元发出指令，数据采集单元采集风洞总压、风洞静压，数据采集单元将采集到的风洞总压、风洞静压传输给中央控制单元，中央控制单元进行数据预处理后，计算得到风洞马赫数；

S3、中央控制单元向压缩机转速控制单元发出指令，压缩机转速控制单元控制压缩机在试验段内形成风速一定的气流，通过对压缩机转速的预置以及闭环控制使风洞马赫数到达预置值；

S4、中央控制单元向模型姿态角控制单元发出指令，模型姿态角控制单元控制模型姿态角按照给定的角度进行运动；

S5、中央控制单元对压缩机转速控制单元和二喉道截面积控制单元进行控制，使风洞马赫数与给定目标值保持在一定的误差带范围内。

进一步的，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：

S1.1、模型俯仰角α变化时，模型俯仰角变化dα导致模型核心流处的马赫数变化dM₁，风洞总压P₀₁不发生变化，根据流量守恒，模型核心流处的马赫数变化dM₁导致二喉道处的总压值变化dP₀₂，为了保持M₁不变，dP₀₂通过二喉道处的截面积调节量dA₂进行补偿，由此得出模型俯仰角变化dα和二喉道处的截面积调节量dA₂的计算公式为：

其中A₂为二喉道处的截面积，α为模型俯仰角，P₀₂为二喉道处的总压值，M₁为模型核心流处的马赫数；

S1.2、根据流量守恒关系得到核心流处的质量流量和二喉道处的质量流量相等，则得到计算公式为：

其中，m1为模型核心流处的质量流量，m2为二喉道处的质量流量，γ为气体比热比，A1为为核心流处截面积；

S1.3、根据步骤S1.2的计算公式，进行如下推导，得到计算公式为：

其中，设置第一常数

其中，设置第二常数

S1.4、将步骤S1.3推导的计算公式代入步骤S1.1中，得到

S1.5、根据P₀₁C₁＝P₀₂A₂，则得到公式为：

S1.6、设置第三常数则步骤S1.5的计算公式进行转化，得到

S1.7、设置第四常数则步骤S1.6的计算公式进行转化，得到

解散出，通过得到二喉道处的开度变化/>

进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：

S2.1、中央控制单元进行数据预处理的方法为对采集到的数据进行滤波处理，首先对风洞总压、风洞静压传感器应用滑动平均滤波处理，分别对风洞总压、风洞静压数据创建一个大小为N维的数组空间，采用先入先出的方法，同时对数组取平均值，得到用于计算马赫数的风洞总压均值、风洞静压均值；

S2.2、利用步骤S2.1得到的风洞总压均值、风洞静压均值进行风洞马赫数Ma的计算，计算公式为：

其中，为风洞总压均值，P_ct为风洞静压均值。

进一步的，步骤S3压缩机转速控制单元控制压缩机的具体计算公式为：

N_set＝N_real+ΔN_k

其中：N_set为压缩机转速控制值，N_real为压缩机转速实时反馈值，ΔN_k为k时刻压缩机转速增量控制值，N_p为压缩机的最大速度，e_k为k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，K_P，K_I，K_D分别为增量式PID算法的比例参数、积分参数、微分参数。

进一步的，步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：

S5.1、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值|e_k|≥0.004，则确定为固定压缩机转速，采用步骤S1的方法将马赫数误差带调整到±0.004以内；

S5.2、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值|e_k|＜0.004，则确定为固定二喉道开度，采用压缩机转速闭环控制方法，使马赫数误差带控制到±0.001以内，计算公式为：

N_set＝N_real+K_p(e_k-e_k-1)+K_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，采集风洞的总、静压传感器值，计算得到风洞马赫数，通过调节压缩机转速以及二喉道截面积，消除由于试验模型运动导致的马赫数扰动，使试验模型在风洞内运动过程中，马赫数保持在一定的误差带范围内，相比于传统PID的控制方法控制精度高，通过二喉道截面积的变化预先补偿由姿态角变化导致的波动，再通过压缩机转速PID闭环调节，可以使马赫数在模型姿态角连续变化过程中始终保持在误差带范围内，提高风洞的试验效率。但应用二喉道截面积补偿模型姿态角变化影响有一定的限制，只能在亚声速(M＜1)条件下，当二喉道处形成音速截面时，可以确定二喉道截面各和姿态角的对应关系。对于连续式跨声速风洞，在其他马赫数(M＞1)时，仍使用压缩机转速PID闭环控制作为马赫数调节手段。

本发明所述的一种用于连续风洞试验的马赫数控制方法，根据风洞当前系统的状态，为了提高马赫数的控制精度和响应速度，将二喉道截面积预置控制和压缩机转速闭环控制融合到一起的控制算法，通过本发明的步骤对模型姿态角运动导致的马赫数偏差可以产生有效的控制，使实时马赫数与目标值控制在±0.001以内。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统的结构示意图；

图2为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统的原理图；

图3为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的流程图；

图4为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的风动总压数据预处理前的试验曲线；

图5为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的风动总压数据预处理后的试验曲线；

图6为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的风动静压数据预处理前的试验曲线；

图7为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的风动静压数据预处理后的试验曲线；

图8为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的风动马赫数数据预处理前的试验曲线；

图9为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法的风动马赫数数据预处理后的试验曲线。

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9详细说明如下：

具体实施方式一：

一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，包括中央控制单元1、模型姿态角控制单元2、压缩机转速控制单元3、二喉道截面积控制单元4、数据采集单元5、第一运动控制电机6、压缩机7、第二运动控制电机8、风洞总静压传感器9，所述模型姿态角控制单元2连接第一运动控制电机6，所述压缩机转速控制单元3连接压缩机7，所述二喉道截面积控制单元4连接第二运动控制电机8、所述数据采集单元5连接风洞总静压传感器9；

所述第一运动控制电机6用于控制模型的姿态角运动；

所述压缩机7用于控制连续式跨声速风洞的风速；

所述第二运动控制电机8用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积。

进一步的，所述模型姿态角控制单元2为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。

进一步的，所述的压缩机转速控制单元3为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统，所述二喉道截面积控制单元4为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。

进一步的，所述数据采集单元5为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元5包括采集模块、数据预处理模块。

具体实施方式二：

一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，依托于具体实施方式一所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制实现，包括如下步骤：

S1、中央控制单元解算二喉道处的开度变化与马赫数变化和俯仰角变化的对应关系；

进一步的，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：

S1.1、模型俯仰角α变化时，模型俯仰角变化dα导致模型核心流处的马赫数变化dM₁，风洞总压P₀₁不发生变化，根据流量守恒，模型核心流处的马赫数变化dM₁导致二喉道处的总压值变化dP₀₂，为了保持M₁不变，dP₀₂通过二喉道处的截面积调节量dA₂进行补偿，由此得出模型俯仰角变化dα和二喉道处的截面积调节量dA₂的计算公式为：

其中A₂为二喉道处的截面积，α为模型俯仰角，P₀₂为二喉道处的总压值，M₁为模型核心流处的马赫数；

S1.2、根据流量守恒关系得到核心流处的质量流量和二喉道处的质量流量相等，则得到计算公式为：

其中，m1为模型核心流处的质量流量，m2为二喉道处的质量流量，γ为气体比热比，A1为为核心流处截面积；

S1.3、根据步骤S1.2的计算公式，进行如下推导，得到计算公式为：

其中，设置第一常数

其中，设置第二常数

S1.4、将步骤S1.3推导的计算公式代入步骤S1.1中，得到

S1.5、根据P₀₁C₁＝P₀₂A₂，则得到公式为：

S1.6、设置第三常数则步骤S1.5的计算公式进行转化，得到

S1.7、设置第四常数则步骤S1.6的计算公式进行转化，得到

解散出，通过得到二喉道处的开度变化/>

S2、中央控制单元向数据采集单元发出指令，数据采集单元采集风洞总压、风洞静压，数据采集单元将采集到的风洞总压、风洞静压传输给中央控制单元，中央控制单元进行数据预处理后，计算得到风洞马赫数；

进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：

S2.1、中央控制单元进行数据预处理的方法为对采集到的数据进行滤波处理，首先对风洞总压、风洞静压传感器应用滑动平均滤波处理，分别对风洞总压、风洞静压数据创建一个大小为N维的数组空间，采用先入先出的方法，同时对数组取平均值，得到用于计算马赫数的风洞总压均值、风洞静压均值；

S2.2、利用步骤S2.1得到的风洞总压均值、风洞静压均值进行风洞马赫数Ma的计算，计算公式为：

其中，为风洞总压均值，P_ct为风洞静压均值；

S3、中央控制单元向压缩机转速控制单元发出指令，压缩机转速控制单元控制压缩机在试验段内形成风速一定的气流，通过对压缩机转速的预置以及闭环控制使风洞马赫数到达预置值；

进一步的，步骤S3压缩机转速控制单元控制压缩机的具体计算公式为：

N_set＝N_real+ΔN_k

其中：N_set为压缩机转速控制值，N_real为压缩机转速实时反馈值，ΔN_k为k时刻压缩机转速增量控制值，N_p为压缩机的最大速度，e_k为k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，

K_P，K_I，K_D分别为增量式PID算法的比例参数、积分参数、微分参数；

S4、中央控制单元向模型姿态角控制单元发出指令，模型姿态角控制单元控制模型姿态角按照给定的角度进行运动；

S5、中央控制单元对压缩机转速控制单元和二喉道截面积控制单元进行控制，使风洞马赫数与给定目标值保持在一定的误差带范围内；

进一步的，步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：

S5.1、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值|e_k|≥0.004，则确定为固定压缩机转速，采用步骤S1的方法将马赫数误差带调整到±0.004以内；

S5.2、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值|e_k|＜0.004，则确定为固定二喉道开度，采用压缩机转速闭环控制方法，使马赫数误差带控制到±0.001以内，计算公式为：

N_set＝N_real+K_p(e_k-e_k-1)+K_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)。

本实施方式所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，应用于国内某2.4米连续式风洞为例，以在目标马赫数0.85条件下，进行攻角0°～8°，攻角速度0.2°/S的试验，得到的马赫数-攻角速度比值如表1所示，不同马赫数和不同攻角速度下二喉道截面变化量与攻角变化量如表2所示：

表1马赫数-攻角速度比值

表2不同马赫数和不同攻角速度下二喉道截面变化量与攻角变化量

步骤S2采集得到风洞总压、风洞静压值，并处理得换算成马赫数，处理前后数据对比如图4-图9所示，从对比图能够看出，预处理后的曲线更加平滑，波动减少。

步骤S3，中央控制单元对压缩机转速控单元进行控制后到达预置马赫数0.85；

步骤S4，中央控制单元对模型姿态角进行控制，姿态角按照角速度0.2°/S，从0度走到8度；

步骤S5，在姿态角运动过程中，中央控制单元判断马赫数的误差带，如果超出±0.004则切换至二喉道预置控制，如果在±0.004则切换至压缩机转速闭环控制。

进一步的，通过上述步骤对一次试验中的压缩机转速和二喉道截面积进行调整，能够保证马赫数始终保持在±0.001以内。

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 (3)

1.一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，依托于一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统实现，所述一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统包括中央控制单元(1)、模型姿态角控制单元(2)、压缩机转速控制单元(3)、二喉道截面积控制单元(4)、数据采集单元(5)、第一运动控制电机(6)、压缩机(7)、第二运动控制电机(8)、风洞总静压传感器(9)，所述模型姿态角控制单元(2)连接第一运动控制电机(6)，所述压缩机转速控制单元(3)连接压缩机(7)，所述二喉道截面积控制单元(4)连接第二运动控制电机(8)、所述数据采集单元(5)连接风洞总静压传感器(9)；

所述第一运动控制电机(6)用于控制模型的姿态角运动；

所述压缩机(7)用于控制连续式跨声速风洞的风速；

所述第二运动控制电机(8)用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积；

所述模型姿态角控制单元(2)为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统；

所述的压缩机转速控制单元(3)为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统，所述二喉道截面积控制单元(4)为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统；

所述数据采集单元(5)为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元(5)包括采集模块、数据预处理模块；

其特征在于，包括如下步骤：

S1、中央控制单元(1)解算二喉道处的开度变化与马赫数变化和俯仰角变化的对应关系；

步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：

S1.1、模型俯仰角α变化时，模型俯仰角变化dα导致模型核心流处的马赫数变化dM₁，风洞总压P₀₁不发生变化，根据流量守恒，模型核心流处的马赫数变化dM₁导致二喉道处的总压值变化dP₀₂，为了保持M₁不变，dP₀₂通过二喉道处的截面积调节量dA₂进行补偿，由此得出模型俯仰角变化dα和二喉道处的截面积调节量dA₂的计算公式为：

其中A₂为二喉道处的截面积，α为模型俯仰角，P₀₂为二喉道处的总压值，M₁为模型核心流处的马赫数；

S1.2、根据流量守恒关系得到核心流处的质量流量和二喉道处的质量流量相等，则得到计算公式为：

其中，γ为气体比热比，A₁为核心流处截面积；

S1.3、根据步骤S1.2的计算公式，进行如下推导，得到计算公式为：

其中，设置第一常数

其中，设置第二常数

S1.4、将步骤S1.3推导的计算公式代入步骤S1.1中，得到

S1.5、根据P₀₁C₁＝P₀₂A₂，则得到公式为：

S1.6、设置第三常数则步骤S1.5的计算公式进行转化，得到

S1.7、设置第四常数则步骤S1.6的计算公式进行转化，得到

解算出，通过得到二喉道处的开度变化/>

S2、中央控制单元(1)向数据采集单元(5)发出指令，数据采集单元(5)采集风洞总压、风洞静压，数据采集单元(5)将采集到的风洞总压、风洞静压传输给中央控制单元(1)，中央控制单元(1)进行数据预处理后，计算得到风洞马赫数；

S3、中央控制单元(1)向压缩机转速控制单元(3)发出指令，压缩机转速控制单元(3)控制压缩机(7)在试验段内形成风速一定的气流，通过对压缩机(7)转速的预置以及闭环控制使风洞马赫数到达预置值；

S4、中央控制单元(1)向模型姿态角控制单元(2)发出指令，模型姿态角控制单元(2)控制模型姿态角按照给定的角度进行运动；

S5、中央控制单元(1)对压缩机转速控制单元(3)和二喉道截面积控制单元(4)进行控制，使风洞马赫数与给定目标值保持在一定的误差带范围内；

步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：

S5.1、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值|e_k|≥0.004，则确定为固定压缩机转速，采用步骤S1的方法将马赫数误差带调整到±0.004以内；

S5.2、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值|e_k|＜0.004，则确定为固定二喉道开度，采用压缩机转速闭环控制方法，使马赫数误差带控制到±0.001以内，计算公式为：

N_set＝N_real+K_P(e_k-e_k-1)+k_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)；

其中：N_set为压缩机转速控制值，N_real为压缩机转速实时反馈值，e_k为k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，K_P，K_I，K_D分别为增量式PID算法的比例参数、积分参数、微分参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，其特征在于，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：

S2.1、中央控制单元(1)进行数据预处理的方法为对采集到的数据进行滤波处理，首先对风洞总压、风洞静压传感器应用滑动平均滤波处理，分别对风洞总压、风洞静压数据创建一个大小为N维的数组空间，采用先入先出的方法，同时对数组取平均值，得到用于计算马赫数的风洞总压均值、风洞静压均值；

S2.2、利用步骤S2.1得到的风洞总压均值、风洞静压均值进行风洞马赫数Ma的计算，计算公式为：

其中，为风洞总压均值，P_ct为风洞静压均值。

3.根据权利要求2所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，其特征在于，步骤S3压缩机转速控制单元(3)控制压缩机(7)的具体计算公式为：

N_set＝N_real+ΔN_k

其中：N_set为压缩机转速控制值，N_real为压缩机转速实时反馈值，ΔN_k为k时刻压缩机转速增量控制值，N_p为压缩机的最大速度，e_k为k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，K_P，K_I，K_D分别为增量式PID算法的比例参数、积分参数、微分参数。