本發(fā)明涉及航空航天工業(yè)超聲速風洞試驗控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種適用于直流暫沖式超聲速風洞的變速壓流場控制方法。
背景技術(shù)：
顫振是在飛機、導彈等飛行器飛行中飛行速壓超過臨界值后出現(xiàn)的一種破壞性的結(jié)構(gòu)振動，它是氣動力、彈性力和慣性力相互作用下的一種自激振動。由于顫振的危害性，飛行器在飛行包線內(nèi)絕對不允許出現(xiàn)顫振現(xiàn)象。飛行器顫振試驗的目的是在風洞中用動力相似模型再現(xiàn)顫振現(xiàn)象，了解飛行器顫振特性，確定危險飛行狀態(tài)下的顫振臨界速壓和顫振頻率，為飛行器安全飛行提供飛行包線數(shù)據(jù)。為了評估飛行器安全飛行的顫振包線，需要在超聲速風洞建立顫振試驗技術(shù)，該需求對風洞流場控制方式提出了新要求，即單次車可以完成多個總壓階梯的控制，并且總壓上升速率可控。
風洞速壓計算公式為：
q＝0.7×P0×(1+0.2×Ma2)-3.5×Ma2 (1)
其中，P0表示穩(wěn)定段總壓，Ma表示馬赫數(shù)。超聲速風洞洞體條件確定后馬赫數(shù)即確定，從式(1)中可以看出，在馬赫數(shù)一定的條件下，速壓與穩(wěn)定段總壓成正比，即可以通過改變穩(wěn)定段總壓值來調(diào)節(jié)速壓(即變速壓控制)，逐步逼近顫振臨界速壓，直至模型出現(xiàn)顫振現(xiàn)象。
超聲速風洞常規(guī)試驗流場控制方法分為啟動充壓、恒壓調(diào)節(jié)和關(guān)車三個階段，啟動充壓階段主調(diào)壓閥高開，待總壓上升到目標值附近時回到預置開度位置，然后進入恒壓調(diào)節(jié)階段；恒壓調(diào)節(jié)采用分段PID的串級控制方法；關(guān)車階段，當馬赫數(shù)小于等于2.0時直接關(guān)車，即直接關(guān)閉主調(diào)壓閥，當馬赫數(shù)大于2.0時引射關(guān)車，即開啟引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)引射壓力，關(guān)閉主調(diào)壓閥，待總壓下降到小于預設的關(guān)車總壓值后再關(guān)閉引射調(diào)壓閥。這種常規(guī)控制方法主要存在以下缺陷：1、單次試驗不能進行多個總壓階梯控制；2、總壓上升速率不可控。3、關(guān)車時不能降低速壓。
雖然暫沖式跨聲速風洞已具備變速壓流場控制能力，但超聲速風洞與跨聲速風洞結(jié)構(gòu)不同，流場控制方法也不相同：跨聲速風洞通過主調(diào)壓閥控制主引壓力，通過主排控制總壓，同時通過柵指調(diào)節(jié)馬赫數(shù)；在變速壓試驗的流場調(diào)節(jié)和變總壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，采用了基于運動規(guī)律法的變PI智能控制方法，涉及主引和總壓的協(xié)同變化控制，其本質(zhì)上是壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)。而超聲速風洞馬赫數(shù)通過試驗前預置的噴管型面確定，試驗中通過主調(diào)壓閥控制總壓，因此跨聲速風洞變速壓流場控制方法并不適用于超聲速風洞。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的是提供一種滿足顫振試驗對直流暫沖式超聲速風洞變速壓流場控制的要求，具有運行可靠、參數(shù)給定方便，且總壓控制精度高的變速壓流場控制方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種大型直流暫沖式超聲速風洞變速壓流場控制方法，包括以下步驟：
步驟一：根據(jù)試驗工況要求，確認試驗馬赫數(shù)、總壓階梯數(shù)、總壓階梯值、總壓變化速率、總壓PID控制參數(shù)等；
步驟二：風洞啟動充壓階段，主調(diào)壓閥高開，待總壓快速上升到首階梯值附近時再回到預置位置；
步驟三：總壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)階段，總壓由主調(diào)壓閥控制，采用總壓分組、誤差分段的PID控制方法；
步驟四：變總壓調(diào)節(jié)階段，根據(jù)設定的總壓變化速率線性變目標總壓至下一總壓階梯值，在該過程中根據(jù)當前氣源壓力、目標總壓，通過壓比-主調(diào)開度曲線實時計算出主調(diào)壓閥位置值，控制主調(diào)壓閥位置得到隨時間變化的總壓值；
重復上述步驟三、四直至完成所有預設總壓階梯；
步驟五：風洞關(guān)車階段，當模型未發(fā)生顫振，風洞按程序完成所有總壓階梯后自動進入正常關(guān)車流程。
在上述技術(shù)方案中，在步驟二中，所述的主調(diào)壓閥高開，是根據(jù)馬赫數(shù)不同，在預置開度的基礎上加上一個固定值；預置開度是試驗前根據(jù)氣源壓力和目標總壓，由壓比-主調(diào)開度曲線計算出來的主調(diào)壓閥位置。
在上述技術(shù)方案中，根據(jù)需要決定是否采用引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)引射壓力，輔助建立流場，當首階梯總壓值低于常規(guī)總壓時，開啟引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)引射壓力，輔助建立流場；當首階梯總壓值高于常規(guī)總壓時，不開啟引射調(diào)壓閥。
在上述技術(shù)方案中，所述PID控制方法為：根據(jù)各階梯總壓值大小分組控制，每組采用不同的PID參數(shù)；在每組PID控制參數(shù)中，再根據(jù)總壓誤差大小分段選取PID參數(shù)。
在上述技術(shù)方案中，步驟四中變總壓階段基于壓比-主調(diào)開度曲線的控制策略為：通過目標總壓值和當前氣源壓力根據(jù)壓比-主調(diào)開度曲線實時計算出主調(diào)開度，再通過主調(diào)位置閉環(huán)控制得到穩(wěn)定段總壓。
在上述技術(shù)方案中，線性變目標總壓的方法是：根據(jù)要求的總壓變化速率每個控制周期改變一次目標總壓值，即每個控制周期的目標總壓等于上個控制周期的目標總壓與總壓增量之和，其中總壓增量等于設定的總壓變化速率與控制周期時間的乘積。
在上述技術(shù)方案中，任一馬赫數(shù)下的壓比-主調(diào)開度曲線均通過該馬赫數(shù)條件下歷史試驗數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合得到。
在上述技術(shù)方案中，在步驟五中模型未發(fā)生顫振時，則主調(diào)壓閥保持當前位置，待試驗模型回退到駐室內(nèi)后同時關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥。
在上述技術(shù)方案中，在步驟當模型發(fā)生顫振現(xiàn)象時，主調(diào)壓閥按照設定速率關(guān)閉以降低風洞速壓，使模型退出顫振狀態(tài)，待試驗模型回退到駐室內(nèi)后再同時關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥。
在上述技術(shù)方案中，在步驟三與步驟四任一個步驟中如果模型發(fā)生顫振，則進入關(guān)車階段。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：
本發(fā)明提出了總壓分組、誤差分段的PID總壓穩(wěn)定控制策略，單次車可以完成多個總壓階梯的控制，且總壓控制精度高；
本發(fā)明提出了基于壓比-主調(diào)開度曲線的變總壓控制策略，使得總壓上升速率可控，具有調(diào)試車次少、運行可靠、控制參數(shù)給定方便等優(yōu)點。
本發(fā)明改變了常規(guī)控制方式，滿足了顫振試驗要求。
附圖說明
本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
圖1是本發(fā)明的流程圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
超聲速風洞是在試驗前根據(jù)馬赫數(shù)要求將噴管型面和超擴段型面調(diào)節(jié)至對應位置，試驗過程中調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓得到相應馬赫數(shù)條件下的超聲速流場。主調(diào)壓閥控制系統(tǒng)負責控制穩(wěn)定段總壓；引射調(diào)壓閥控制系統(tǒng)負責控制引射壓力；模型插入機構(gòu)控制系統(tǒng)負責控制模型的插入與撤收。
超聲速風洞速壓計算公式如下：
q＝0.7×P0×(1+0.2×Ma2)-3.5×Ma2。
其中，q表示速壓；P0表示穩(wěn)定段總壓；Ma表示馬赫數(shù)。
超聲速風洞洞體條件確定后馬赫數(shù)即確定，從速壓公式中可以看出，在馬赫數(shù)一定的條件下，速壓與穩(wěn)定段總壓成正比，即可以通過改變穩(wěn)定段總壓值來調(diào)節(jié)速壓。
本發(fā)明提供的變速壓流場控制方法采用總壓分組、誤差分段的PID控制方法完成總壓穩(wěn)定控制；采用基于壓比-主調(diào)開度曲線的方法完成變總壓控制；不同情況采取不同關(guān)車方式，使風洞安全運行，取得較好效果。
如圖1所示，試驗前，根據(jù)試驗工況調(diào)節(jié)風洞噴管型面和超擴段型面等洞體條件，確定總壓階梯數(shù)、總壓階梯值、總壓上升速率、PID參數(shù)等控制參數(shù)。試驗開始，由控制程序按照預定流程完成整個試驗過程。
首先是風洞啟動環(huán)節(jié)。本階段要求穩(wěn)定段總壓快速上升到首階梯目標總壓附近，視情況是否啟動引射調(diào)壓閥輔助流場建立。當首階梯總壓值小于常規(guī)試驗總壓時啟動引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)引射壓力，當首階梯總壓值大于等于常規(guī)試驗總壓時不啟動引射調(diào)壓閥。
啟動環(huán)節(jié)的具體方法是：如果不需要引射，引射調(diào)壓閥始終保持關(guān)閉，主調(diào)壓閥首先開至高開位置，待總壓上升到首階梯目標總壓值附近時主調(diào)壓閥再開至預置開度位置。如果需要引射，試驗開始首先引射調(diào)壓閥開至預置開度位置，延時2秒后閉環(huán)調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定在目標引射壓力；同時主調(diào)壓閥開至高開位置，待總壓上升到首階梯目標總壓值附近時主調(diào)壓閥再開至預置開度位置。
其次是總壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)?？倝悍€(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)總壓精確調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在目標值允許誤差范圍內(nèi)。
風洞在完成啟動充壓環(huán)節(jié)后，進入總壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，采用總壓分組、誤差分段的控制方法。為滿足寬范圍內(nèi)不同總壓階梯的穩(wěn)定要求，設置了三組總壓穩(wěn)定控制參數(shù)，通過“變速壓階段1”和“變速壓階段2”兩個參數(shù)確定不同總壓階梯采用的總壓穩(wěn)定控制參數(shù)。具體劃分方法如式(1)所示：
例如：Ma＝1.5時，總壓階梯序列為50kPa、70kPa、120kPa、140kPa、210kPa，設定“變速壓階段1”＝2，“變速壓階段2”＝5，則總壓階梯50kPa、70kPa采用組1的PID參數(shù)，總壓階梯120kPa、140kPa采用組2的PID參數(shù)，總壓階梯210kPa采用組3的PID參數(shù)。
在每組PID參數(shù)中，再根據(jù)目標總壓與實際總壓的誤差值分段選取PI參數(shù)，具體規(guī)則如式(2)和式(3)所示：
式中，Kp、Ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)；POerr為總壓目標值減去實際總壓值的差值；Ep、Ei分別為設定的總壓誤差閾值。
例如：Ep1＝5kPa，Ep2＝1kPa，當總壓誤差P0err＞5kPa時，比例系數(shù)取Kp1；當總壓誤差1kPa＜POerr≤5kPa時，比例系數(shù)取Kp2；當POerr≤1kPa時，比例系數(shù)取Kp3。
再次是變總壓環(huán)節(jié)。變總壓環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)從當前階梯總壓按照預定速率平滑變化到下一階梯總壓，在該階段采用基于壓比-主調(diào)開度曲線的方法。
壓比-主調(diào)開度曲線與常規(guī)試驗相同，馬赫數(shù)不同，壓比-主調(diào)開度曲線不同。進入變總壓環(huán)節(jié)，首先根據(jù)要求的總壓變化速率確定目標總壓的斜坡曲線，具體方法是：每個控制周期的目標總壓等于上個控制周期的目標總壓與總壓增量之和，其中總壓增量等于要求的總壓變化速率與控制周期時間的乘積。然后根據(jù)當前氣源壓力、當前目標總壓，結(jié)合壓比-主調(diào)開度曲線實時計算出主調(diào)壓閥位置，通過控制主調(diào)壓閥位置來得到相應的總壓。由于實際總壓會滯后目標總壓，因此當目標總壓已增加到下一階梯總壓值后，目標總壓保持該階梯值，待總壓上升到該目標總壓誤差范圍內(nèi)，再進入總壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。變總壓環(huán)節(jié)和總壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)如此循環(huán)，直至完成所有預設總壓階梯，進入關(guān)車環(huán)節(jié)。
最后是關(guān)車環(huán)節(jié)。關(guān)車環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)風洞平穩(wěn)關(guān)車，防止模型損壞。如果模型未發(fā)生顫振，在完成最后一個總壓階梯后，主調(diào)壓閥保持當前位置，待試驗模型回退到駐室內(nèi)后關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥；試驗中如果模型發(fā)生顫振現(xiàn)象，則輸出-0.5V的電壓給主調(diào)壓閥控制器，使主調(diào)壓閥以一定速率關(guān)閉，降低風洞速壓，使模型退出顫振狀態(tài)，同時進行試驗模型撤收，待試驗模型回退到駐室內(nèi)后再同時關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥。
本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。