本发明涉及风洞测试模拟试验领域，尤其是一种暂冲式风洞模拟试验方法及装置。
背景技术：
风洞是一种产生可控均匀气流的管道状试验装置，是研究空气流动规律、研究航空航天飞行器及其它物体气动特性的地面模拟设备。根据风洞驱动形式的不同，风洞可分为多种形式，本文选取其中的暂冲式风洞作为研究对象。
暂冲式风洞控制系统主要包括运行管理系统、试验流场调节系统、数据采集系统、数据处理系统和状态监控系统等。在进行暂冲式风洞试验前，工程人员需要在设备未通气的情况下，首先对风洞控制系统的试验流程、试验参数和设备通讯等内容进行调试确认，防止实际试验过程中发生流程错误、参数给定不合理、设备误动作等问题，从而导致试验数据无效，甚至引发试验安全与风险。因此通常需要在风洞试验中引入模拟试验系统，从而提高风洞试验的经济性和安全性。传统的风洞模拟采用控制系统设备离线的方式，即各执行机构不参与模拟调试，仅利用风洞模拟试验软件仿真控制系统中各设备的运动和被控参数的调节。因此仅能验证风洞流场控制软件编译和基本试验流程是否有误，而无法验证控制参数和流场调节策略是否合理，以及系统各设备是否联动正常。上述问题在风洞模拟调试试验过程中比较突出，是能否进一步提高风洞模拟试验水平的关键。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种暂冲式风洞模拟试验方法及装置。对于验证试验流程、辅助整定控制参数、降低调试风险都有很大的帮助，具有操作简便、功能完善、适用度高等特点。不仅更好的实现了模拟风洞试验，而且也适用于对新进人员的相关培训。
本发明采用的技术方案如下：
一种暂冲式风洞模拟试验方法包括：
试验进程控制步骤：试验进程控制单元根据获得的风洞试验控制命令，控制参数采集单元进行数据采集；同时控制运动控制单元对各执行机构进行在线控制；试验进程控制单元设定被控参数目标值，按照设定的控制逻辑和策略进行风洞模拟试验；试验中，参数采集单元对风洞各执行机构参数进行测量；
仿真单元步骤：依据辨识试验所获得的调节特性表及被控参数调节特性曲线函数，计算参数采集单元测量得到的各执行机构参数信息对应的风洞被控参数值；
控制参数辅助整定步骤：根据仿真单元步骤拟合得到的被控参数调节特性曲线函数进行一阶求导得到被控参数的比例调节系数kp。通过修改控制参数kp和ki，根据获得的被控参数模拟试验效果，几次试验后就可以很好的完成控制参数的辅助整定工作，为后续实际吹风试验进行参数整定提供基本依据，其中kp以估算值为参考进行变化，ki从0开始不断增加。
进一步的，一种暂冲式风洞模拟试验方法还包括风洞运行管理步骤：通过labview创建共享变量，创建网络连接实现网络共享，设置共享变量的读取权限、写入权限；变量创建后，试验进程控制单元通过通讯单元访问风洞运行管理单元创建的共享变量；并解析风洞运行管理单元设置的共享变量后得到风洞试验控制命令。
进一步的，所述仿真单元模块是通过辨识方法对执行机构进行实测，从而获得多个执行机构与被控参数对应的调节特性表；通过该表格对同一机构参数的多次测量，得到多次被控参数调节特性，以此拟合被控参数调节特性曲线函数,计算参数采集单元测量得到的各执行机构参数信息对应的风洞被控参数值。
进一步的，一种暂冲式风洞模拟试验方法还包括图形显示单元，接收参数采集单元和仿真单元获得的各项参数值，通过图形化界面和文本框实现对各被控参数和执行机构调节量的实时显示，实现了对风洞模拟试验的可视化显示。
一种暂冲式风洞模拟试验装置包括：
试验进程控制单元：用于根据获得的风洞试验控制命令，控制参数采集单元进行数据采集；同时控制运动控制单元对各执行机构进行在线控制；试验进程控制单元设定被控参数目标值，按照设定的控制逻辑和策略进行风洞模拟试验；试验中，参数采集单元对风洞各执行机构参数进行测量；
仿真单元：用于依据辨识试验所获得的调节特性表及被控参数调节特性曲线函数，计算参数采集单元测量得到的各执行机构参数信息对应的风洞被控参数值；
控制参数辅助整定模块：用于根据仿真单元步骤拟合得到的被控参数调节特性曲线函数进行一阶求导得到被控参数的比例调节系数kp。通过修改控制参数kp和ki，根据获得的被控参数模拟试验效果，几次试验后就可以很好的完成控制参数的辅助整定工作，为后续实际吹风试验进行参数整定提供基本依据，其中kp以估算值为参考进行变化，ki从0开始不断增加。
进一步的，一种暂冲式风洞模拟试验装置还包括风洞运行管理单元：用于通过labview创建共享变量，创建网络连接实现网络共享，设置共享变量的读取权限、写入权限；变量创建后，试验进程控制单元通过通讯单元访问风洞运行管理单元创建的共享变量；并解析风洞运行管理单元设置的共享变量后得到风洞试验控制命令。
进一步的，所述仿真单元是通过辨识方法对执行机构进行实测，以此获得多个执行机构参数与被控参数对应的调节特性表；通过该表格对同一机构参数的多次测量，得到多次被控参数调节特性，以此拟合被控参数调节特性曲线函数,计算参数采集单元测量得到的各执行机构参数信息对应的风洞被控参数值。
进一步的，一种暂冲式风洞模拟试验装置还包括图形显示单元，接收参数采集单元和仿真单元获得的各项参数值，通过图形化界面和文本框实现对各被控参数和执行机构调节量的实时显示，实现了对风洞模拟试验的可视化显示。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
在暂冲式风洞试验中，可以在无气源消耗的情况下，首先对控制参数进行探索，以确定一个比较准确的范围和影响关系。同时由于各个参数仿真单元基于风洞实际调节特性，因此进行风洞模拟试验时，利用仿真单元进行参数反馈能够很好的反映对实际被控参数的调节特性，从而很好的体现选取的控制参数的实际效果。这样通过选取不同的控制参数，几次模拟试验后就可以很好的完成控制参数的辅助整定工作，为后续实际吹风试验进行参数整定提供基本依据。
风洞模拟试验前设定被控参数目标值，然后按照设定的控制逻辑和策略进行风洞模拟试验。试验中，系统中的各类传感器对风洞各执行机构位移进行测量，仿真单元利用获得的机构位置信息实时计算出风洞被控参数值，实测位置信息与仿真参数信息形成位置、参数闭环控制。这样就将执行机构的调节引入模拟试验中，从而实现了对实际试验过程中控制逻辑和策略的模拟，完善了风洞试验流程的仿真。
跟据辨识试验获得的特性曲线函数，在风洞模拟试验软件中，新增一个仿真单元，该单元的输入为风洞执行机构位置或开度，输出为风洞被控制参数(总压、静压、引射压力、马赫数等)。当进行模拟试验时，风洞现场的实测压力信号将被忽略，仿真单元输出值作为反馈参与各被控参数的闭环控制。
另一个主要功能是实现对风洞模拟试验过程的的图形化显示。传统风洞模拟试验的图形化显示仅能简单示意各系统间的通讯情况，因此无法完整模拟试验过程。本发明在原有基础上进行改进，通过可视化图形界面，在模拟试验过程中，可以实时显示模拟试验中各个执行机构的运动情况和各项被控参数的变化情况，从而直观形象的模拟实际吹风过程。这样就便于工程人员在风洞调试和试验准备过程中准确把握风洞试验流程、控制策略和控制参数整定是否准确可靠，提高了风洞试验的可靠性和安全性。同时，可视化的风洞显示功能也方便了技术培训时风洞人员对风洞控制策略进行理解和体会，便于培训工作的开展。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是暂冲式风洞模拟试验方法原理图。
图2是总体结构图。
图3是试验进程控制程序流程图
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明的功能模块包括：
1、试验进程控制功能
本发明主要功能之一是实现模拟试验中对控制系统各执行机构的单动和联动控制。在传统的风洞模拟试验中，控制系统负责调节总压和马赫数等被控参数的执行机构采取离线调节的方式，不参与模拟试验过程，而通过控制系统直接输出模拟的总压和马赫数数值来作为控制系统的反馈值。本发明在原有方法的基础上，在模拟试验过程中实现对各个执行机构的单独控制，同时可以对多个执行机构根据设定好的试验流程进行时序控制，实现机构的在线联动调节。通过这样的方式，不仅可以验证各机构单独运动控制的可靠性，防止实际吹风过程中出现的设备故障，而且可以通过联动调节为完整的风洞模拟仿真提供硬件基础。
2、仿真功能
本发明的主要功能之一是对风洞试验流程进行完整模拟仿真。风洞试验流程是指风洞控制系统的各个执行机构在试验过程中根据试验要求按照特定的控制策略组合联动的过程。采用实际吹风试验能够对设计的试验流程进行验证，但是频繁的吹风任务无法满足调试试验经济性的要求，同时错误的试验流程可能造成一定的安全性风险。因此通常在风洞流场调试和正式试验之前，需要利用模拟试验的方式对试验流程控制进行确认。
传统的模拟试验流程控制采用控制系统执行机构离线模拟的方式进行，无法完整的反映实际试验流程的变化。在模拟试验开始时，控制系统即向测量系统发送流场稳定信号，测量系统进而完成设定的模拟试验流程。采用这样的方式仅实现了风洞各个系统之间的通讯联调，而无法准确的模拟风洞流场调节的具体流程，也无法实现对系统控制策略和参数的验证。
本发明针对原有方法的不足，将控制系统各个执行机构的调节纳入模拟试验中。具体实现方法如下：
1)辨识试验。辨识试验是获得特定试验状态下系统执行机构对被控参数调节特性的过程。以风洞主调压阀机构控制风洞总压为例，在其它条件都已经确定的条件下，为获得主调压阀开度对总压的调节特性，需在机构单动模式下，将阀门定位到某一开度，获得该开度对应的稳定总压压力值，然后将阀门以固定阶梯运行，待压力稳定后采集各阶梯相应的总压值。这样就获得了目标压力附近一系列开度与稳定压力数据，以此为根据计算获得某状态下的阀控特性曲线函数p0＝f(pair,sf,n,sv)，其中p0为压力，pair为气源压力，sf为栅指位置，n为喷管型面，sv为阀门开度。
2)仿真单元建立步骤。依据辨识试验获得的特性曲线函数，在风洞模拟试验软件中，新增一个仿真单元，该单元的输入为风洞执行机构位置或开度，输出为风洞被控制参数(总压、静压、引射压力、马赫数等)。当进行模拟试验时，风洞现场的实测压力信号将被忽略，仿真单元输出值作为反馈参与各被控参数的闭环控制。
3)模拟试验步骤。依据辨识试验所获得的数据，设定被控参数目标值，然后按照设定的控制逻辑和策略进行风洞模拟试验。试验中，系统中的各类传感器对风洞各执行机构位移进行测量，仿真单元利用获得的机构位置信息实时计算出风洞被控参数值，实测位置信息与仿真参数信息形成位置、参数闭环控制。这样就将执行机构的调节引入模拟试验中，从而实现了对实际试验过程中控制逻辑和策略的模拟，完善了风洞试验流程的仿真。
4)控制参数辅助整定功能。本发明另一个主要功能是针对控制参数进行辅助整定。在自动控制系统中，主要包含被控对象、控制器和反馈环节。系统的闭环特性很大程度上取决于控制器的性能，而控制器的性能归根结底在于控制参数的选取。传统的暂冲式风洞模拟试验方法由于各个执行机构处于离线模式，因此无法准确模拟各个执行机构的控制效果。工程人员只能通过多次的实际吹风试验对设置的控制参数进行整定和验证，大大增加了调试成本，同时不合理的控制参数可能造成控制系统发生安全性风险，影响风洞的正常运行。
针对这样的问题，本发明实现对控制参数的辅助整定功能，仍以主调压阀机构控制风洞总压为例。利用系统辨识试验过程中获得的被控参数调节特性曲线函数建立的仿真单元，由于包含了机构位置信息和风洞被控参数信息之间的变化关系，因此通过被控参数调节特性曲线函数，可以获得总压每变化1kpa所需要的阀位修正量，据此可以首先估算出总压闭环的控制参数kp(kp＝f′(pair,sf,n,sv))。同时在进行模拟试验时，风洞控制系统各执行机构在模拟试验系统中控制器的统一调度下联动控制，由于各个参数仿真单元基于风洞实际调节特性，因此利用仿真单元进行参数反馈能够很好的反映对实际被控参数的调节特性，从而很好的体现选取的控制参数的实际效果。这样通过修改控制参数(kp以估算值为参考进行变化，ki从0开始不断增加)，根据获得的被控参数模拟试验效果，几次试验后就可以很好的完成控制参数的辅助整定工作，为后续实际吹风试验进行参数整定提供基本依据。
5)图形化显示功能。本专利另一个主要功能是实现对风洞模拟试验过程的的图形化显示功能。图形显示单元接收参数采集单元和仿真单元获得的各项参数值，通过图形化界面和文本框实现对各被控参数和执行机构调节量的实时显示，实现了对风洞模拟试验的可视化显示。
传统的模拟试验由于无法完整模拟试验过程，因此原有的图形化显示仅能简单示意风洞各系统间的通讯情况。本发明在原有基础上进行改进，通过可视化图形界面，在模拟试验过程中，可以实时显示模拟试验中各个执行机构的运动情况和各项被控参数的变化情况，从而直观形象的模拟实际吹风过程。这样就便于工程人员在风洞调试和试验准备过程中准确把握风洞试验流程、控制策略和控制参数整定是否准确可靠，提高了风洞试验的可靠性和安全性。同时，可视化的风洞显示功能也方便了技术培训时风洞人员对风洞控制策略进行理解和体会，便于培训工作的开展。
为实现上述暂冲式风洞模拟试验的主要功能，设计了以下方法和装置：
1、风洞运行管理单元
风洞运行管理单元是在风洞试验中用于指挥调度的上位计算机软件，该软件用于风洞模拟试验系统、风洞流场控制系统和其它通用设备状态信息的调度和管理，该系统通常通过网络与风洞模拟系统建立通讯连接，主要适用于控制参数和传感器系数的下载和上传。为了在一定范围内实现开发平台的统一，我们将系统软件开发平台统一为ni公司的labview，为了实现网络通讯与应用软件的解耦，选择labview的网络共享变量引擎作为网络通讯中间件，主要适用于状态信息读取和单个操作命令的下达。
运行管理软件与风洞模拟试验系统中各设备通讯的创建流程是：
a.创建网络共享变量：在风洞模拟试验系统中创建需要通讯的网络共享变量，此网络共享变量可以是某个确定类型的变量，也可以是基于自定义控件的数据类型。设置该变量的读取、写入权限，变量创建后，获得访问权限的终端就可以访问该变量。
b.创建网络连接：在运行管理模块中创建指向被访问对象的网络连接，该网络连接指向共享变量的地址。
c.读取、写入数据：根据变量的访问权限，使用变量读、写函数对变量进行读写操作。
2、运动控制单元
模拟试验运动控制单元主要实现对风洞各执行机构的单动和联动控制。暂冲式风洞的主要被控对象包括主调压阀系统、旁路调压阀系统、引射调压阀系统、栅指机构、攻角机构等部分。各系统控制功能和方式基本相同，下面以主调压阀系统为例，介绍运动控制单元的控制方法。
主调压阀系统控制对象包括主调压阀、主调压阀快速阀、主调压阀快速阀均压阀；主调压阀系统监测的极限位置开关量包括主调压阀全开/全关、主调压阀气动快速阀全开/全关、主调压阀快速阀均压阀全开/全关；主调压阀系统监测模拟量包括主调压阀位移、稳定段总压、试验段静压、主调压阀阀后压力、气源压力、大气压力等。其主要控制功能包括：
a.主调压阀定位功能(速度、位置、限位位置)；
b.主调压阀定位中止功能；
c.主调压阀点动控制功能(速度、方向)；
d.主调压阀回零控制功能；
e.主调压阀驱动器使能/去使能；
f.主调压阀驱动器故障复位；
g.主调压阀电机抱闸/松闸；
h.主调压阀快速阀开/关操作；
i.主调压阀快速阀均压阀开/关操作。
实现机构运动控制的主要步骤包括：
1)数据输入：
控制参数来源于风洞运行管理模块中，输入的指令内容包括：
a.定位速度：度量单位为mm/s，速度精度为1mm/s，设计速度有效范围为0～30mm/s；
b.定位位置：度量单位为mm，位置精度为0.2mm，位置有效范围为0～300mm；
c.定位方向：正向为阀门开的方向，负向为阀门关的方向；
d.限位位置：度量单位为mm，其有效范围为0～300mm；
e.动作执行：布尔量控制指令，当该指令由false转变为true时，执行相应的定位、开阀、使能、松闸动作，当指令由true转变为false时，执行相反的动作；点动按钮保持状态下执行相应动作，按钮释放后则动作取消。
3、参数采集单元
为实现对风洞各个被控参数的闭环调节，需要对各参数进行实时测量。参数采集单元针对风洞中实际需求，选用多种传感器对相应的参数进行采集。使用的传感器见表1所示。
表1暂冲式风洞模拟试验参数采集表
4、仿真单元
仿真单元首先通过系统辨识方法获得各个执行机构的调节特性，以此为根据模拟实际被控参数的调节情况。当运动控制单元对各执行机构进行调节时，仿真单元将参数采集单元反馈的机构位移量实时转化为被控参数值，以此作为被控参数的反馈值，实现参数的闭环控制。
具体实施方法包括以下几部分内容:
a.通过系统辨识试验获得主调压阀系统和旁路调压阀系统调节特性作为总压仿真单元；
b.通过系统辨识试验获得引射调压阀系统调节特性作为引射压力仿真单元；
c.通过系统辨识试验获得栅指机构调节特性作为马赫数仿真单元。
5试验进程控制单元
试验进程控制单元主要负责模拟试验中的进程管理。单元根据设定的模拟试验工况，按照相对应的试验流程对运动控制单元发送控制指令，从而实现机构单动控制，以及风洞准备开车、开始试验、测量系统采集、采集完毕、变下一阶梯、正常关车、紧急关车、试验结束等进程状态的控制。控制流程图如图3所示。
试验进程控制单元具体实现方法为：
收到风洞运行管理单元下达“准备开车”命令后，试验进程进入准备开车阶段，进行试验前的设备状态检查，确定参试设备准备就绪；同时将“准备开车”命令转发至风洞模拟试验系统中的其它单元。
试验准备就绪，收到运行管理单元发送的“开车”命令后，试验进程转入试验中状态，对流场稳定状态进行判定，发出流场稳定状态，收到测量系统采集完毕后，继续变下一阶梯，以依据当前试验工况对试验阶梯进行管理，当试验阶梯完成后，将试验进程切换到关车进程。
各个子单元按照关车要求关车完毕后，试验进程转入试验结束状态，并重置各种参数至默认状态。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。