本發(fā)明涉及主動流動控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高速線陣相機和紋影系統(tǒng)的超聲速閉環(huán)流動控制方法。

背景技術(shù)：

1、作為一種新型主動流動控制技術(shù)，脈沖電弧等離子體激勵器能夠在短時間內(nèi)向流場注入熱能，通過密度、渦量、溫度以及熱阻塞虛擬型面等擾動形式調(diào)控流場，具有結(jié)構(gòu)簡單、激勵強度大、頻響高等優(yōu)點，對超/高超聲速激波、邊界層、剪切層等流動結(jié)構(gòu)取得了優(yōu)異的調(diào)控效果。然而，在當前的工程實踐中對于脈沖電弧等離子體激勵器的控制方法仍然采用傳統(tǒng)的開環(huán)定頻激勵，存在兩個問題。一方面，這種定頻激勵難以和高速復雜流場的強非線性進行耦合，調(diào)控效果微弱；另一方面，由于缺乏可靠的傳感反饋調(diào)節(jié)機制，不變的激勵參數(shù)難以適應復雜多變的飛行環(huán)境。為提升脈沖電弧等離子體激勵控制系統(tǒng)的魯棒性、實現(xiàn)跟隨飛行狀態(tài)調(diào)整激勵參數(shù)，以達到最大化流動控制能量收益的目的，走向閉環(huán)已是等離子體流動控制的必然。對于風洞實驗中的閉環(huán)智能流動控制技術(shù)，首先需要基于一系列傳感器感知流場環(huán)境，再由控制器采集傳感信號并作為輸入量進行控制律運算后，交付給激勵系統(tǒng)完成控制指令的閉環(huán)調(diào)節(jié)。但是脈沖電弧放電過程中產(chǎn)生的脈沖電磁波和快速變化的電壓電流會對傳感器本身以及傳感器、cpu、激勵系統(tǒng)之間的通信產(chǎn)生強烈干擾，導致信號出現(xiàn)噪聲、失真，系統(tǒng)誤觸發(fā)，嚴重時設(shè)備損壞等問題。這種強烈的電磁干擾問題嚴重制約了脈沖電弧等離子體激勵的閉環(huán)發(fā)展進程。至今為止，該領(lǐng)域的研究人員還沒有成功實現(xiàn)脈沖電弧等離子體激勵的閉環(huán)流動控制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于高速線陣ccd相機和紋影的光路系統(tǒng)，包括光源、狹縫、第一和第二反射球面鏡、切光刀口、分光鏡、高速線陣ccd相機、高速面陣ccd相機；其中

2、光源，其發(fā)出一束匯聚光束；

3、狹縫，光源發(fā)出的匯聚光束成像在狹縫上；

4、第一反射球面鏡，由于狹縫位于第一反射球面鏡的焦點位置，因此，匯聚光束通過狹縫后發(fā)散，透射到第一反射球面鏡上，產(chǎn)生大于第一反射球面鏡橢圓光斑，第一反射球面鏡位于光斑的中心位置；第一反射球面鏡發(fā)出平行光束，該平行光束經(jīng)過待控流場；

5、第二反射球面鏡，其接收由第一反射球面鏡發(fā)出的經(jīng)過待控流場的平行光束，經(jīng)過自身反射產(chǎn)生匯聚光束輸出；

6、刀口，其位于第二反射鏡產(chǎn)生的匯聚光束的焦點處，移動刀刃距離，使刀刃切到光斑中心點；

7、45°分光鏡，其位于切光刀口后，將紋影捕捉的流場光學信號分割成強度相同的兩束光；

8、高速面陣ccd相機，其接收45°分光鏡發(fā)出的一束光，這束光直接透射進高速面陣ccd相機；

9、高速線陣ccd相機，其接收45°分光鏡發(fā)出的另一束光，這束光反射后進入高速線陣ccd相機；

10、在基于高速線陣ccd相機和紋影的光路系統(tǒng)中，光源、狹縫、第一和第二反射球面鏡、切光刀口構(gòu)成紋影系統(tǒng)。

11、還提出一種基于高速線陣ccd相機和紋影的光路系統(tǒng)工作方法，其基于上述基于高速線陣ccd相機和紋影的光路系統(tǒng)，該方法具體如下：

12、step1：打開光源開關(guān)，打出一束匯聚的光束對準光軸，移動光源系統(tǒng)，使光源像成到狹縫上；

13、step2：移動狹縫至第一反射球面鏡的焦點位置；

14、step3：微調(diào)狹縫角度；保持其位置不變，使發(fā)散光透射到第一反射球面鏡上，產(chǎn)生大于第一反射球面鏡的橢圓光斑，并讓第一反射球面鏡位于光斑的中心位置；

15、step4：第一反射球面鏡發(fā)出的平行光束經(jīng)過待控流場后被第二反射球面鏡接收，經(jīng)過第二反射球面鏡反射產(chǎn)生匯聚光束；

16、step5：移動刀口，使第二反射鏡產(chǎn)生的匯聚光斑準確聚焦到刀刃上，然后移動刀刃距離，使刀刃切到光斑中心點，以產(chǎn)生氣流變化的紋影圖像；

17、step6：在切光刀口后的位置安裝一面45°分光鏡，用于將紋影捕捉的流場光學信號分割成強度相同的兩束光；一束光直接透射進入高速面陣ccd相機進行二維紋影流場的整體記錄；另一束經(jīng)45°分光鏡反射后進入高速線陣ccd相機，用于檢測激波和剪切層等特征流動結(jié)構(gòu)，支撐后續(xù)的閉環(huán)控制。

18、此外，提出一種基于高速線陣ccd相機和紋影的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含脈沖電弧等離子體激勵器、如權(quán)利要求1所述的基于高速線陣ccd相機和紋影的光路系統(tǒng)、內(nèi)嵌比例積分微分(pid)pid控制律的高性能實時控制器，以及上位機；其中

19、選取壓縮拐角激波/邊界層干擾流場，在壓縮拐角模型中安裝電弧等離子體激勵器，并將壓縮拐角模型安裝于風洞中，調(diào)整紋影系統(tǒng)的光路，使第一反射球面鏡射出的平行光完全覆蓋壓縮拐角流場；

20、經(jīng)過刀口切光、攜帶著流場密度梯度的光束經(jīng)過分光鏡被分割成強度相同的兩束光，一束反射進入高速線陣ccd相機，另一束透射進入高速面陣ccd相機；

21、高速線陣ccd相機將記錄的流場狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號并傳輸給高性能實時控制器；

22、高速面陣ccd相機將記錄的流場上傳至上位機，上位機將初始閉環(huán)控制律輸出至高性能實時控制器；

23、根據(jù)流場狀態(tài)和閉環(huán)控制律，高性能實時控制器輸出激勵調(diào)節(jié)信號至脈沖電弧等離子體激勵器。

24、還給出一種基于高速線陣ccd相機和紋影系統(tǒng)的超聲速閉環(huán)流動控制的工作流程，其基于上述基于高速線陣ccd相機和紋影的閉環(huán)控制系統(tǒng)，具體如下：

25、第一步：利用紋影系統(tǒng)將流場的密度梯度變化轉(zhuǎn)化為光線沿傳播方向的微小偏移，采用分光鏡將這一包含流場信息的光束信號分成透射光和反射光分別輸出；

26、第二步：高速線陣ccd相機接收反射光束后，對特定流場位置的光學信號進行采集和轉(zhuǎn)換，輸出一個與此時此刻反射光束光強分布相對應的模擬電壓信號；

27、第三步：高性能實時控制器讀取高速線陣ccd相機輸出的模擬電壓信號，通過閾值分析和擬合等算法識別出特征流動狀態(tài)；根據(jù)上位機輸出的閉環(huán)控制律計算控制指令并輸出；

28、第四步：高性能實時控制器將控制指令發(fā)送給脈沖電弧等離子體激勵器的電源模塊，通過調(diào)整激勵的開閉和強弱，將激波位置穩(wěn)定在預期值內(nèi)；穩(wěn)定后，通過分析高速面陣ccd相機持續(xù)記錄的流場中激波的狀態(tài)對控制效果進行評估評估。

29、在本發(fā)明的一個實施例中，第三步中：高性能實時控制器選擇fpga芯片實現(xiàn)，將激波的位置變化做為流場特征狀態(tài)。

30、在本發(fā)明的另一個實施例中，第四步中：通過分析高速面陣ccd相機持續(xù)記錄的流場中激波的狀態(tài)對控制效果進行評估的具體方法是：上位機依照時間序列逐幀提取紋影中激波位置，并將位置變化的時域信號通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)為頻域信號，操作人員觀察激波脈動主頻變化，若相較開環(huán)控制或者無控制流場，激波的低頻脈動強度降低，或激波位置脈動轉(zhuǎn)為強度很低的高頻信號，則閉環(huán)控制獲得較好的控制效果；反之，是不好的控制效果。

31、在本發(fā)明的又一個實施例中，高性能實時控制器接受上位機給出的pid控制律，對超聲速閉環(huán)流動進行控制，控制方法具體如下：

32、(1)提取由脈沖電弧等離子體激勵器提供的開環(huán)定頻脈沖電弧等離子體激勵下的激波位置變化：

33、第一步：調(diào)試流場，確保壓縮拐角模型安裝和風洞運行正常；

34、第二步：完成紋影系統(tǒng)和高速線陣ccd相機調(diào)試，使高速線陣ccd相機的行像素數(shù)能夠覆蓋激波在流場中的運動范圍并對像素距離進行標定，結(jié)合相機自身的像素時鐘與行像素數(shù)計算行頻，計算公式為：

35、

36、高速線陣ccd相機的行頻大于待控流場的主導特征頻率；

37、第三步：以風洞實驗段內(nèi)部的壓力傳感器為參考信號；當該信號達到正常運行壓力后，觸發(fā)高速線陣ccd相機和等離子體激勵器工作；

38、第四步：將高速線陣ccd相機通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口與高性能實時控制器連接，風洞運行后，通過高速線陣ccd相機采集等離子體持續(xù)激勵下的流場；

39、第五步：在高速線陣ccd相機讀取的流場圖像中識別出灰度值最大的位置作為激波所在位置，對于壓縮拐角流場，流場中激波位于密度梯度最大的位置，這反映到流場中就是灰度值信息最大，提取該位置所在的一條水平直線作為紋影圖像灰度值的檢測線，該線段必須完全覆蓋激波在流向的運動范圍；

40、第六步：由高速線陣ccd相機逐幀提取流場的實時紋影圖像，并傳輸至高性能實時控制器，高性能實時控制器內(nèi)置圖像識別算法，提取輸入圖像的灰度值并將其轉(zhuǎn)化為二維矩陣，形成圖像二維灰度值矩陣；

41、第七步：實時控制器中的圖像識別算法以模型的拐角點作為流向零點位置，以灰度值提取線段中密度梯度最大值作為激波位置，根據(jù)試驗前試驗人員在標定的像素距離，將激波的像素位置轉(zhuǎn)換為物理位置；

42、第八步：根據(jù)每幀紋影圖像的時間間隔將每幀紋影圖像中激波位置按時間排列，根據(jù)這些大量的激波位置數(shù)據(jù)擬合曲線，獲得等離子體持續(xù)激勵下激波位置隨時間變化的函數(shù)r(t)，將r(t)作為期望值輸入控制器；

43、(2)基于pid的閉環(huán)控制流程：

44、第一步：連接各系統(tǒng)；上位機通過網(wǎng)口或者串口通信鏈路與高性能實時控制器通信；控制器內(nèi)嵌數(shù)模轉(zhuǎn)化器dac，dac輸出信號與脈沖電弧等離子體激勵器的電源連接，通過高性能實時控制器輸出的模擬信號直接控制該電源的輸出；

45、第二步：初始參數(shù)設(shè)置；在上位機中針對pid控制律初步設(shè)定一個適中的比例系數(shù)kp，使系統(tǒng)對偏差有一定的響應，但不至于過激；設(shè)置一個較長的積分時間ki，以便在初始階段避免積分飽和；初期暫時不使用微分控制；設(shè)置完成后將pid控制律輸出至高性能實時控制器；

46、第三步：參數(shù)調(diào)整；先調(diào)整pid控制律中比例控制環(huán)節(jié)的比例系數(shù)，觀察電源的響應，再逐步調(diào)整pid控制律中積分控制環(huán)節(jié)和微分控制環(huán)節(jié)的積分時間和微分時間；

47、第四步：運行風洞和閉環(huán)控制系統(tǒng)各設(shè)備，高速線陣ccd相機每讀入一幀紋影圖像到高性能實時控制器，高性能實時控制器即計算當前激波位置與期望激波位置的差值，根據(jù)該差值對應調(diào)整激勵器的輸出；

48、第五步：由高性能實時控制器計算高速線陣ccd相機讀入下一幀紋影圖像的激波位置y(t)，并作為反饋信號，當高性能實時控制器通過計算發(fā)現(xiàn)激波位置有向r(t)范圍內(nèi)修正的趨勢時，保持當前激勵器輸出參數(shù)，直至激波位置完全調(diào)控至r(t)范圍內(nèi)；反之，若發(fā)現(xiàn)激波位置過度調(diào)控至相反方向并再次超出r(t)范圍，則通過降低激勵頻率或激勵電壓使其回復r(t)范圍內(nèi)；

49、第六步：在閉環(huán)控制過程中，上位機讀取高速面陣ccd相機記錄的完整紋影流場數(shù)據(jù)，分析觀察當前pid參數(shù)下的控制效果；為最大化閉環(huán)控制收益，尋找最佳的pid參數(shù)組合。

50、在本發(fā)明的再一個實施例中，步驟(2)第三步中，參數(shù)調(diào)整具體為：若電源輸出的電壓和頻率出現(xiàn)響應速度慢或者持續(xù)波動的情況，適當增大比例系數(shù)kp；若電源輸出的電壓和頻率出現(xiàn)被流場中環(huán)境噪聲干擾導致波動的情況，則適當增大積分時間。

51、在本發(fā)明的還一個實施例中，步驟(2)第四步中，高性能實時控制器根據(jù)當前激波位置與期望激波位置的差值，對應調(diào)整激勵器的輸出的具體方法為：當激波位置在r(t)范圍以外時啟動等離子體激勵，并根據(jù)超出范圍大小情況調(diào)整激勵電壓和激勵頻率，超出范圍越大，激勵電壓和激勵頻率越高；反之，若激波位置在r(t)范圍以內(nèi)，停止脈沖電弧等離子體激勵器工作。

52、在本發(fā)明的一個具體實施例中，第六步中，為最大化閉環(huán)控制收益，采用啟發(fā)式參數(shù)優(yōu)化算法尋找最佳的pid參數(shù)組合。

53、本發(fā)明提出一種基于高速線陣相機和紋影系統(tǒng)的超聲速閉環(huán)流動控制方法，基于光學傳感的方法可以避免脈沖電弧放電對閉環(huán)反饋信號的強電磁干擾問題，實現(xiàn)脈沖電弧等離子體激勵在超聲速流動控制中盲目開環(huán)向閉環(huán)自適應的轉(zhuǎn)變。

54、本發(fā)明的優(yōu)點如下：

55、傳統(tǒng)閉環(huán)控制多采用壁面安裝的動態(tài)壓力傳感器作為流場感知手段。由于傳感器本身的有效信號為mv量級，在電壓放大過程以及和微控制器通信過程中極易遭受電磁干擾，引起信號失真、難以應用于脈沖電弧等離子體激勵的閉環(huán)流動控制。本發(fā)明提出的閉環(huán)控制方法基于光學測量使用高速線陣ccd相機對流場結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，能夠有效規(guī)避電磁干擾，實現(xiàn)可靠的超聲速流場閉環(huán)控制。同時，在傳統(tǒng)的z型紋影光路中增加了分光鏡，在完成基于高速線陣ccd相機的閉環(huán)控制的同時，仍然可以沿用傳統(tǒng)面陣ccd相機對流場進行紋影拍攝和流動控制效果評估，在控制過程中可以給予評估結(jié)果實時調(diào)整控制策略。

56、本發(fā)明通用性強，在所描述的框架下，可更改流場類型、閉環(huán)控制方法、激勵器類型以完成不同待控流場的流動控制需要。