一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法，属于航空航天工业风洞试验测控领域。

背景技术

风洞是航空航天工业中最常用的空气动力学实验设备之一，它是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。风洞试验是获取飞行器气体动力学数据，衡量飞行器外形设计布局以及评估飞行性能的重要手段。对于航空航天工业中常用的射流式风洞，风洞试验数据受出口马赫数精度的影响非常明显，因此出口马赫数是最需要精确控制的气动参数之一。

基于暂冲气源的风洞称为暂冲式风洞，多以高压储气罐作为暂冲气源系统。与连续式风洞相比，暂冲气源可以提供更大的流量和更大的马赫数，其运行期间由于气源快速消耗，储气罐中气源压力下降迅速，根据暂冲气源初始气源压力及储气罐体积的不同，暂冲式风洞的运行时间通常为几秒到几十秒。气源压力的快速下降使得风洞出口马赫数随之减小，为了在试验过程中提供稳定准确的出口马赫数，目前工程中通常在暂冲气源和风洞喷管出口之间设置调节阀，通过PID闭环调节阀门开度，控制进入风洞的空气流量，从而达到控制出口马赫数的目的。

公开号为CN110161841A的专利公开了一种适用于暂冲式跨声速风洞的前馈-模糊PID控制方法，通过模糊推理实时整定PID参数，并在攻角发生变化时，前馈控制部分根据攻角反馈设定前馈控制量，抑制攻角变化带来的扰动，提高控制器暂态品质。公开号为CN110702361A的专利公开了一种直流暂冲式跨声速风洞的流场精确控制系统及控制方法，通过对风洞二喉道处的栅指采用PID控制加静态前馈控制的控制方式以及对流场的优化控制，解决了1.0-1.2马赫数控制精度问题。公开号为CN101887267B的专利公开了一种风洞马赫数控制器，在风洞启动阶段采用带有自调因子的模糊控制方法，当马赫数基本稳定后改用PID控制。

以上方法均未考虑气源压力下降过快和压力波动的情况，未曾考虑能否实现较长时间稳定马赫数的快速调节。使用上述方法进行基于暂冲气源的大流量风洞出口马赫数的调节存在以下缺点：(1)由于储气罐中气源的快速消耗，可能会产生气源压力脉动的现象，从而导致出口马赫数的波动，无法提供稳定高精度的出口马赫数；(2)调节阀调节能力较强带来的超调导致出口马赫数波动；(3)调节阀的死区、非线性、滞环、重复度差及调节速度慢等特性会降低控制系统的实时性和可靠性。此外，以上方法增加了控制算法的复杂度，未曾考虑实际工程应用中调节阀特性不够理想的情况，具有一定的局限性。

发明内容

本发明提出一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法，其目的在于设计一种低成本、易实现的暂冲风洞系统，通过低复杂度的控制逻辑实现出口马赫数的快速调节，并能够稳定保持较长时间，克服暂冲风洞系统中由于暂冲气源压力不断下降以及主阀重复度差、非线性强、调节速度慢带来的出口马赫数调节缓慢及不稳定的问题。

本发明的技术解决方案：

一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法，其结构包括暂冲气源、主阀、辅阀、喷管、压力传感器、马赫数传感器及控制单元，如图1所示。所述暂冲气源包括空气压缩机组和高压球罐，气源输出大流量气流，经过主阀和辅阀调节后，通过喷管射出；所述主阀为大流量调节阀，辅阀为小流量调节阀，辅阀具有更快的调节速度和更高的调节精度；所述喷管为出口面积一定的收缩喷管。

进一步地，所述空气压缩机组将压缩后的高压气体输入到高压球罐中进行存储，构成可输出大流量的暂冲气源；

进一步地，所述主阀为风洞大流量调节阀，大流量调节能力强，调节速度慢存在死区、滞环、重复度差等不利于精确调节的特性；

进一步地，所述辅阀为本发明增设的机构，为小流量高精度快速调节阀，小流量调节能力强，与主阀并联连接，提高风洞出口马赫数调节的快速性和稳定性；

进一步地，所述压力传感器位于球罐出口，用于测量暂冲气源压力；

进一步地，所述马赫数传感器位于喷管出口，根据喷管出口总静压差计算出口马赫数；

进一步地，所述控制单元根据马赫数指令、马赫数传感器测得的实际马赫数及压力传感器测得的当前暂冲气源压力，计算出控制指令对主阀、辅阀进行开度控制；

一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法，其调节方法综合主辅阀特点，构成了一个采用主阀前馈和辅阀闭环PID的复合控制策略，如图2所示，具体步骤包括：

(1)通过实验，掌握不同马赫数和气源压力下主阀的调节规律，获得不同马赫数下主阀开度一气源压力曲线簇；

(2)根据指令马赫数M

(3)利用辅阀进行等马赫数闭环调节，采用工程上常用的PID算法，调节辅阀的开度，精确修正风洞出口马赫数。

进一步地，步骤(1)通过手动调试，掌握不同马赫数和气源压力下主阀的调节规律，获得不同马赫数下主阀开度-气源压力曲线簇，具体包括以下步骤：

步骤1-1，将辅阀开到50％开度，便于闭环控制时可以双向调节；

步骤1-2，调节主阀，使得出口马赫数M接近设定值马赫数M

步骤1-3，由于暂冲气源的特性，随着高压罐中气体的快速消耗，气源压力会不断下降，从而出口马赫数稳定较短时间后会不断减小。当出口马赫数M无法短时间内稳定时，重复步骤1-2；

步骤1-4，重复步骤1-3，直至无法维持设定马赫数M

步骤1-5，修改设定马赫数M

步骤1-6，基于上述步骤1-2至步骤1-5，获得主阀开度一气源压力关系曲线簇。

进一步地，步骤(2)中所述开环前馈调节指的是在对辅阀进行闭环PID调节前，先讲主阀开到一个基准开度保持不动。具体而言先获得当前设定马赫数及暂冲气源压力，然后根据步骤(2)中得到的主阀开度一气源压力曲线簇，通过二维线性插值获得当前设定马赫数和气源压力下所需要的主阀开度。

进一步地，步骤(3)在主阀已经根据主阀开度-气源压力曲线簇开到一定基准开度以后，通过快读高精度的辅阀进行闭环PID调节，对实际马赫数进行小范围的精准修正，并保持一定时间的稳定。

进一步地，步骤(3)中所述PID控制算法，是根据指令值和实际值的偏差，按照U(k)＝K

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明提出一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法，通过手动调试获得主阀开度-气源压力曲线簇，根据当前设定马赫数和暂冲气源压力线性插值对主阀进行开环前馈调节，主阀开到插值获得的开度之后，通过辅阀的闭环PID调节对实际马赫数进行小范围精准修正，构成综合主辅阀各自特点的复合控制逻辑。

本发明通过主阀开环前馈调节进行大范围流量和马赫数的调节，通过辅阀闭环PID调节进行小范围流量和马赫数的精准修正，粗调和细调的结合使得风洞出口马赫数的精度更高，调节速度更快，避免了由于调节速度过慢导致气源压力快速下降造成的出口马赫数不稳。

本发明通过开环前馈调节的方式对主阀进行调节，主阀每次调节均为单向一次性调节，不需要双向多次调整修正，有效避免了现有系统中主阀死区、滞环、非线性及重复度差可能引起的问题，提高了系统的可靠性和可重复性。

本发明只需在现有技术常用系统的基础上进行简单改造，即增设一个辅阀即可。

附图说明

附图1是一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统气路结构及控制信号图；

附图2是一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节方法控制逻辑图；

附图3是一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法操作流程图；

附图4是不同马赫数下主阀开度-气源压力曲线簇；

附图5是0.8马赫数实验曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明技术方案做进一步解释说明。

一种基于暂冲气源的大流量高稳定马赫数风洞快速调节系统及方法流程图如图3所示。原有暂冲式风洞系统设有一个主阀，该阀为大流量蝶阀，大流量调节能力强，主阀调节精度为0.1％，开度调节0.1％使得马赫数变化0.02-0.05，全闭到全开需要30s，开度0-10％之间存在死区，且存在滞环、上下行重复度差的问题，不能够很好地实现风洞出口马赫数的精准调节。同时，由于其调节速度慢，气源压力快速下降导致风洞出口马赫数无法稳定所需时间。因此，在此基础上增设一个小流量高精度快速辅阀，该阀调节精度为0.01％，开度调节0.01％使得马赫数变化0.01-0.02，从全开到全闭需要10s，不存在死区、滞环，重复度好，能够在小范围内精确调节流量。

采用风冷螺杆式空气压缩机组给高压球罐打气，使球罐内气源压力达到750kPa，球罐容积为500m

(1)基于上述系统，手动调试主阀，掌握0.4～0.8马赫数下主阀的调节规律，获得不同马赫数下主阀开度-气源压力曲线簇，具体包括以下步骤：

步骤1-1，将辅阀开到50％开度，在此基础上进行主阀的规律探索，便于加入闭环控制时辅阀可以双向调节；

步骤1-2，手动调节主阀，使得出口马赫数接近0.4。具体而言，保持辅阀50％开度不动，手动调节主阀使得出口马赫数满足0.35≤M≤0.45。记录此时气源压力

步骤1-3，由于暂冲气源的特性，随着高压罐中气体的快速消耗，气源压力会不断下降，从而出口马赫数稳定较短时间后会不断减小。当出口马赫下降到0.35以下时，重复步骤1-2，使得出口马赫数重新满足0.35≤M≤0.45，记录下此时的气源压力

步骤1-4，重复步骤1-3，直至无法维持出口马赫数在0.35≤M≤0.45的短暂稳定。至此获得维持该设定马赫数在偏差±0.05内的主阀开度和气源压力的一组对应关系

步骤1-5，将设定马赫数改为0.5，重复步骤1-4，获得出口马赫数0.5时主阀开度和气源压力的对应关系

步骤1-6，基于上述步骤1-2至步骤1-5，获得主阀开度-气源压力关系曲线簇，如图4所示。

(2)在步骤(1)获得的曲线簇上，根据指令马赫数M

(3)保持主阀不动，辅阀按照U(k)＝K

以0.8马赫数为例，初始气源压力为750kPa，球罐容积为500m

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。