本发明属于风洞实验技术领域，特别是涉及一种低速回流风洞风速稳定性控制方法。
背景技术：
风洞是一种管道状的实验设备，可以通过人工方式产生和控制气流，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。风洞实验是飞行器研制工作中不可缺少的组成部分，其不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺。在进行风洞实验时，常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风，通过测控仪器和设备取得实验数据，为使实验结果准确，实验时的流动必须与实际流动状态相似，即必须满足相似律的要求。但是，由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数是很困难的，通常是按所要研究的课题，选择一些影响最大的相似参数进行模拟。此外，风洞试验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度等必须符合一定的标准，而实现这些流场品质首要的前提是风洞风速控制精度。
根据风洞试验段速度范围的不同，可分为低速风洞(ma≤0.3)、亚声速风洞(0.3≤ma≤0.8)、跨声速风洞(0.8≤ma≤1.4)、超声速风洞(1.5≤ma≤5.0)以及高超声速风洞等。低速风洞又可以分成直流风洞和回流风洞，回流风洞因其功率低、流场性能好，因此被广泛应用。
以低速回流风洞为例，速度一般在100m/s以下，目前应用的控制手段主要有变频调速控制和直流调速控制。由于目前变频技术的发展，变频调速在风洞控制中得到广泛应用。低速回流风洞的动力系统风扇由交流异步电动机带动，变频调速通过改变交流异步电动机的输入频率控制电机的转速，从而控制风洞试验段的风速。由于低速回流风洞通过控制异步电动机的转速控制试验段风速，而在0～100m/s的控制范围内，很难满足每个实验风速都能达到稳定性要求。
由于低速回流风洞通过控制异步电动机的转速控制试验段风速，且动力系统风扇的转动惯量各不相同，因此对应的控制参数也不相同，目前低速回流风洞一般使用pid控制方法进行控制，而由于控制系统的转动惯量和系统其他参数不同，每个风洞的pid控制参数并不相同，一般需要有经验的专业工程师进行试验试凑的方法进行调整，不但调整时间长，而且难度系数大，调试完毕后控制系统也不稳定，会随系统流体参数的改变而改变，对风洞试验造成了很大的影响。
传统的低速回流风洞的风速控制部分主要由计算机、采集卡、光电隔离器、变频器、风扇电机、压差传感器、信号调理器、风速传感器及变送器组成，执行过程为输入设定风速值，计算机根据设定风速采用pid算法计算出相应的输出数字信号，再通过d/a数模转换为模拟信号量，直到采集卡发出模拟量电压信号，模拟量电压信号进入光电隔离器，通过光电隔离器把低压信号与高压信号隔离开，避免高压信号进入计算机，而高压信号通过光电隔离器直接进入变频器，变频器则根据控制信号相应的改变风扇电机的电源频率，以实现电机转速的改变，进而实现风速的改变。于此同时，风速传感器和变送器也在不停的采集风速压差信号，并且把此信号送回计算机，计算机再把电压信号换算成风速，同时把测量的风速与设定风速作比较，并求出偏差，再调用pid算法算出相应偏差下应该累加的电压，结合输出电压，再一次输出新的模拟量电压信号，通过不断地的重复上述过程，直到风速值达到设定风速值。
上述风速控制方式的调整周期长，而且控制精度差，并且会随着采集信号的偏差增大造成系统的波动，从而影响风洞实验数据的准确性。因此，有必要寻找一种能够提高风速稳定性的控制方法。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低速回流风洞风速稳定性控制方法，通过分段控制有效实现了动力系统风扇的快速响应，并且不会出现超调振荡，根据动力系统风扇的不同可以自由调整分段控制的数量，从而有效适应转动惯量各不相同的动力系统风扇，有效保证了风速的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种低速回流风洞风速稳定性控制方法，包括如下步骤：
步骤一：计算出动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压，计算公式为：动力系统风扇的最大额定输入电压÷动力系统风扇的最大额定转速＝动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压；
步骤二：启动动力系统风扇，测试动力系统风扇在不同输入电压下的响应时间；
步骤三：在风洞稳定段出口处和风洞实验段进口处各取若干风速测量点，风洞稳定段出口处的若干风速测量点与风洞实验段进口处的若干风速测量点数量相等，风洞稳定段出口处的若干风速测量点处于同一个横截面内，风洞实验段进口处的若干风速测量点处于同一个横截面内，所有风速测量点进行物理平均；
步骤四：设定一个目标风速，并将设定好的目标风速分成若干风速段，根据实测风速所对应的风速段，对动力系统风扇的输入电压进行定量增加，且实测风速越大，输入电压的定量增加值越小，而定量增加的输入电压为动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压的整数倍；
步骤五：当实测风速达到目标风速时，对动力系统风扇的输入电压进行定量微增或定量微降，即可保持实测风速的相对稳定。
本发明的有益效果：
本发明的低速回流风洞风速稳定性控制方法，通过分段控制有效实现了动力系统风扇的快速响应，并且不会出现超调振荡，根据动力系统风扇的不同可以自由调整分段控制的数量，从而有效适应转动惯量各不相同的动力系统风扇，有效保证了风速的稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种低速回流风洞风速稳定性控制方法，包括如下步骤：
步骤一：计算出动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压，计算公式为：动力系统风扇的最大额定输入电压÷动力系统风扇的最大额定转速＝动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压；
本实施例中，动力系统风扇的最大额定转速为1480r/min，动力系统风扇的最大额定输入电压为5v，可得动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压约为0.0033v；
步骤二：启动动力系统风扇，测试动力系统风扇在不同输入电压下的响应时间；
本实施例中，输入电压共设定了5个取值，依次为1v、2v、3v、4v和5v，每个取值的输入电压的给定时间周期均为6ms；当输入电压为1v时，动力系统风扇的额定转速为296r/min，动力系统风扇达到额定转速的响应时间为6s；当输入电压为2v时，动力系统风扇的额定转速为592r/min，动力系统风扇达到额定转速的响应时间为12s；当输入电压为3v时，动力系统风扇的额定转速为888r/min，动力系统风扇达到额定转速的响应时间为18s；当输入电压为4v时，动力系统风扇的额定转速为1184r/min，动力系统风扇达到额定转速的响应时间为24s；当输入电压为5v时，动力系统风扇的额定转速为1480r/min，动力系统风扇达到额定转速的响应时间为30s；
步骤三：在风洞稳定段出口处和风洞实验段进口处各取若干风速测量点，风洞稳定段出口处的若干风速测量点与风洞实验段进口处的若干风速测量点数量相等，风洞稳定段出口处的若干风速测量点处于同一个横截面内，风洞实验段进口处的若干风速测量点处于同一个横截面内，所有风速测量点进行物理平均；
本实施例中，风洞稳定段出口处和风洞实验段进口处各取5个风速测量点，因此风速测量点的总数为10个，且10个风速测量点之间分别利用管路连通，实现物理平衡；
步骤四：设定一个目标风速，并将设定好的目标风速分成若干风速段，根据实测风速所对应的风速段，对动力系统风扇的输入电压进行定量增加，且实测风速越大，输入电压的定量增加值越小，而定量增加的输入电压为动力系统风扇在最低转速下所需要的最小输入电压的整数倍；
本实施例中，目标风速设为40m/s，目标风速共分成4个风速段，第一个风速段为目标风速的0～40％，第二个风速段为目标风速40％～70％，第三个风速段为目标风速70％～90％，第四个风速段为目标风速90％～100％；当实测风速位于第一个风速段时，即0＜实测风速≤16m/s时，定量增加的输入电压为0.0033×3＝0.0099v，即每个6ms的给定时间周期内输入电压增量为0.0099v；当实测风速位于第二个风速段时，即16m/s＜实测风速≤28m/s时，定量增加的输入电压为0.0033×2＝0.0066v，即每个6ms的给定时间周期内输入电压增量为0.0066v；当实测风速位于第三个风速段时，即28m/s＜实测风速≤36m/s时，定量增加的输入电压为0.0033×1＝0.0033v，即每个6ms的给定时间周期内输入电压增量为0.0033v；当实测风速位于第四个风速段时，即实测风速＞36m/s时，定量增加的输入电压为0.0033×1＝0.0033v，即每个6ms的给定时间周期内输入电压增量为0.0033v；
步骤五：当实测风速达到目标风速时，对动力系统风扇的输入电压进行定量微增或定量微降，即可保持实测风速的相对稳定；
本实施例中，当实测风速＜40m/s时，对动力系统风扇的输入电压进行定量微增，且定量微增的输入电压为+0.0011v(取0.0033v的三分之一)，即每个6ms的给定时间周期内输入电压增量为0.0011v；当实测风速＞40m/s时，对动力系统风扇的输入电压进行定量微降，且定量微增的输入电压为-0.0011v(取0.0033v的三分之一)，即每个6ms的给定时间周期内输入电压降低量为0.0011v。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。