本发明属于风洞试验领域,涉及到风洞系统运行和压力闭环控制,具体是一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法。
背景技术:
风洞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,并度量气流对实体的作用效果的实验设备,是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。风洞气流速度是风洞试验的重要指标,一般以马赫数表征,其定义为气流流速与当地声速的比值,用ma符号表示。马赫数越高,气流速度越快。根据马赫数的不同,可将风洞分类为低速风洞,亚跨声速风洞,超声速风洞,高超声速风洞等。本发明针对一类亚跨超三声速风洞开展研究。图1给出了一种亚跨超三声速风洞的总体布局,其核心包括气源、主调压阀、前室、喷管、试验段、扩散段和引射器。
目前的风洞试验中,风洞的运行方式有两种:常规开车和引射开车。常规开车引射器处于关闭状态,仅靠主调压阀进行风洞马赫数调节;而引射开车采用“主调压阀+引射器”的工作模式。引射器是一种输送流体(气体、液体)的装置,它依靠高压流体流经喷管后所形成的高速流,引射另一种低压流体,即用一股流体带动另外一股流体运动。引射器用于风洞时,主要是作为风洞的驱动装置,在保证马赫数不变的前提下,通过引射器抽吸降低前室压力,进而减小试验模型载荷,或改变试验段雷诺数以满足试验需求等。
目前,引射开车方式主要用于超声速试验中,在亚跨试验中的应用较少。熊波等人在发明“引射驱动的闭环回流的暂冲式超声速流场控制方法”提出了把引射器作为风洞主驱动的亚跨引射开车方式,但其能量比较低;侯逸青等在发明“一种用于暂冲式亚跨超风洞亚跨流场引射开车的方法”中率先提出“冲压+引射”的亚跨开车方式,但其仅仅针对开车流程和阀门预置开度进行了研究。以上成果均未考虑引射压力波动对风洞试验的影响,事实上,对比超声速引射开车,亚跨引射开车在原理上存在如下难点:相对于气流方向,引射器位于试验段后侧,引射压力发生的波动会前传到试验段,因而会导致前室总压不稳;而超声速试验引射压力波动不会前传到试验段。
技术实现要素:
本发明解决的技术问题是:提出了一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法。该方法可以实现亚跨声速试验的风洞引射开车,有效降低模型载荷,减小模型疲劳,进而提高试验精度。为了减小引射压力波动,本发明在控制策略上,提出了基于模型的pi鲁棒控制律来控制引射压力;在硬件上,采用一阶rc滤波电路对引射压力传感器输出进行低通滤波,滤除高频噪声。
本发明的技术解决方案为:一种亚跨超风洞的亚跨声速引射开车方法,包含以下步骤:
步骤1:根据风洞试验给定的马赫数ma确定引射器引射压力pig,并预置主调压阀开度a0=f0(ma)和引射器调压阀开度ai=fi(pig),其中,f0()和fi()分别是由历史吹风数据拟合得到的以ma和pig为自变量的函数;
步骤2:开启引射器;
步骤3:利用气压传感器实时测量得到当前控制周期内的引射压力pi(k),经一阶rc滤波电路滤波后采集至流场控制下位机;
步骤4:根据步骤1中的引射器引射压力pig和步骤3所得的当前控制周期内的引射压力pi(k),利用基于模型的pi鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k),执行机构驱动引射器调压阀运动,进行引射压力控制;k为正整数;
步骤5:根据步骤1中的引射器引射压力pig和实时测得的当前控制周期内的引射压力pi(k),判断引射压力是否稳定;若引射压力不稳定,返回步骤3,进行引射压力闭环控制;若引射压力稳定,进入步骤6;
步骤6:开启主调压阀,并根据步骤1中给定的马赫数ma调节前室总压,使试验段马赫数达到给定值;
步骤7:关闭主调压阀和引射器。
步骤3中,一阶rc滤波电路的滤波截止频率f计算公式如下:
式中,r为滤波电路电阻,c1为滤波电路电容。
步骤4中,利用基于模型的pi鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k)的具体步骤如下:
a、将引射器调压阀建模为如下二阶系统:
式中,x1为压力、x2为压力变化率;j和c为模型参数,分别代表质量系数和阻尼系数;u为控制输入,d为加在控制量上的干扰量;
b、设定控制周期为t,比例系数kp,积分系数ki,误差系数c,鲁棒系数kr;
c、计算当前控制周期内的压力误差e(k);
d、计算当前控制周期内的误差函数s(k);
e、计算基于模型的当前控制周期内的控制项um(k)和鲁棒控制项ur(k);
f、计算当前控制周期内的控制输出u(k),驱动引射器调压阀运动,进行引射压力调节;
g、返回步骤c,继续循环,进行闭环控制。
步骤a中,根据历史吹风数据,通过模型辨识获取引射器调压阀的模型参数j和c。
步骤b中,kr≥|d|max,|d|max为控制干扰量绝对值的最大值。
步骤c中,e(k)=pig-pi(k);
其中,pi(k)代表当前控制周期内的引射压力。
步骤d中,
其中,pi(k-1)代表上一控制周期内的实测引射压力。
步骤e中,
ur(k)=krsgn(s(k));
式中,sgn(s(k))为符号函数,定义如下:
步骤f中,
其中,j=0,1,2,3,...,k。
步骤5中,判断引射压力是否稳定的条件如下:
若连续10个控制周期内,pi(k)、e(k)均满足如下条件,则判定引射压力稳定:
式中,max、min分别代表最大值函数和最小值函数。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明提出的基于模型的pi鲁棒控制对于外界干扰和参数摄动具有较强的鲁棒性,可降低引射压力波动,避免压力波动影响前室总压波动;
(2)本发明提出的基于模型的pi鲁棒控制不关注控制的稳态误差,可提高引射压力控制的快速性,从而减小用气成本;
(3)本发明利用rc一阶滤波电路对传感器输出进行低通滤波以减小执行器高频做动,有利于减小引射压力波动。
附图说明
图1为暂冲式亚跨超三声速风洞的总体布局结构示意图;
图2为本发明亚跨声速引射开车方法流程图;
图3为一阶rc低通滤波电路图;
图4为引射压力控制系统的控制原理框图;
图5为基于模型的pi鲁棒控制算法流程图;
图6(a)是引射压力控制曲线;
图6(b)为风洞前室总压控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图2、图4所示,一种亚跨超风洞亚跨声速引射开车方法,具体包括下列步骤:
步骤1:根据风洞试验给定马赫数ma确定引射器引射压力pig,并预置主调压阀开度a0=f0(ma)和引射器调压阀开度ai=fi(pig),其中f0()和fi()分别是由历史吹风数据拟合得到的以ma和pig为自变量的函数。
步骤2:开启引射器。
步骤3:利用气压传感器实时测量得到当前控制周期内的引射压力pi(k),经一阶rc滤波电路滤波后采集至流场控制下位机。一阶rc滤波电路图如图3所示,其中r为滤波电路电阻,c1为滤波电路电容。滤波电路截止频率计算公式如下:
选择合适的r和c1可滤除高于截止频率f的高频噪声。
步骤4:利用基于模型的pi鲁棒控制律计算引射器调压阀执行机构输入电压u(k),此时执行机构驱动引射器调压阀运动,进行引射压力控制,具体整理为以下7个顺序执行步骤,如图5所示:
a、将引射器调压阀建模为如下二阶系统:
式中,x1为压力、x2为压力变化率;j和c为模型参数,分别代表质量系数和阻尼系数;u为控制输入,d为加在控制量上的干扰量。首先根据历史吹风数据,通过模型辨识获取引射器调压阀的模型参数j和c。
b、设定控制周期为t,比例系数kp,积分系数ki,误差系数c,鲁棒系数kr。其中kr≥|d|max,|d|max为控制干扰量绝对值的最大值,由先验知识和历史数据获取。
c、计算当前控制周期内的压力误差e(k),其中
e(k)=pig-pi(k);
pi(k)代表当前控制周期内的引射压力;
d、计算当前控制周期内的误差函数s(k),其中
pi(k-1)代表上一控制周期内的实测引射压力。
e、计算基于模型的当前控制周期内的控制项um(k)和鲁棒控制项ur(k),其中
ur(k)=krsgn(s(k))
式中sgn(s(k))为符号函数,定义如下:
f、计算当前控制周期内的控制输出u(k),驱动引射器调压阀运动,进行引射压力调节。其中
j=0,1,2,3,...,k;
g、返回步骤c,继续循环,进行闭环控制。
步骤5:判断引射压力是否稳定,判断引射压力是否稳定的方法如下:在连续10个控制周期内的采集引射压力pi(k)并计算引射压力误差e(k),若连续10个控制周期内,pi(k)、e(k)均满足:
则引射压力稳定。式中,max、min分别代表最大值函数和最小值函数。
若引射压力不稳定,返回步骤3,进行引射压力闭环控制;若引射压力稳定,进入步骤6。
步骤6:开启主调压阀,并根据步骤1所得的所述给定马赫数ma调节前室总压,使试验段马赫数达到给定值。
步骤7:试验完成,同时关闭主调压阀和引射器。
按照上述步骤,本发明开展了亚跨引射开车风洞试验。相关参数配置如下:试验马赫数ma=0.9,给定引射压力pig=0.38mpa;滤波电阻r=4.7kω,滤波电容c1=6.8μf;模型参数j=8.012,c=11.364;控制周期t=0.02s,比例系数kp=1.2,积分系数ki=0.013,误差系数c=2,鲁棒系数kr=0.2。
试验结果展示在图6(a)、图6(b)之中,并在两个方面展示了本发明的有效性。
图6(a)是引射压力控制曲线,由图可知,引射压力在第82个采样点达到稳定,稳定后max(e(k))=0.009,
图6(b)展示了风洞前室总压控制效果图,可见在第82个采样点主调压阀开启,且总压稳定后稳定在0.094mpa附近,波动范围在0.4%以内,可见引射压力波动对总压的影响符合试验标准;同时,由历史吹风数据可知,若采用常规开车方式,总压会稳定在0.12mpa附近,而总压越大,模型载荷越大,故本发明提出的方法能有有效降低模型载荷。
需要说明的是,上述实施过程中的算法相关参数可依据实际情况酌情修改,并非是本发明的实施方式限定。对于本发明所属领域的从业人员来说,在上述说明的基础之上可以酌情修改相关算法参数。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。