用于暂冲式跨声速风洞的空气流场模型校正控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于暂冲式跨声速风洞的空气流场模型校正控制方法，包括如下步骤：步骤一、利用空气流场特性曲线数据建立空气流场数学解析模型；步骤二、根据不同的攻角变化范围将吹风实验所获取的结果数据划分为不同的数据段；步骤三、求取各个数据段内的实验结果偏差，使用线性模型对实验结果误差进行拟合，得到误差的平均值和变化趋势；步骤四、将实验结果的平均误差值转化为控制量对应的静压值，根据误差的方向和变化趋势对空气流场数学解析模型进行校正。采用本发明专利技术方法的修正结果更加符合风洞实验的实际工况，确保了后续实验控制精度的提高，可以获得一些无法通过实验获取的模型曲线，节省了吹风车次，降低了实验成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
用于暂冲式跨声速风洞的空气流场模型校正控制方法


[0001]本专利技术涉及暂冲式跨声速风洞空气流场高精度控制方法中使用的模型校 正控制方法。

技术介绍

[0002]风洞是对飞行器外形设计进行空气动力学实验的设备，在验证空气动力学 理论以及飞行器研制方面起着决定性的作用。为了提供一个良好的实验环境， 必须对风洞流场的马赫数(Ma)进行精确控制。针对目前风洞普遍采用的PID控 制算法的控制精度潜力挖掘殆尽，现有的2.4M暂冲式跨声速风洞成功的采用 了动态矩阵控制(DMC)算法，实现了对风洞Ma的高精度控制，使该风洞Ma 的控制精度由原来PID控制算法的0.2％
‑
0.5％提高到0.15％以内。为了实现 DMC控制算法，需要准确的获得风洞系统中重要被控量的模型特性响应曲线， 这就需要对风洞系统进行模型数据获取实验。目前在进行获得实验数据的实验 中，存在以下问题：
[0003]1.实验测量不准确
[0004]在获取建模数据的实验过程中，并不能完全复制风洞吹风实验的工况。这 种获取建模数据的实验与吹风实验工况的偏差导致得到的模型曲线并不能完 全反应吹风实验时系统的动态特性；此外，由于建模数据获取实验中存在的测 量误差、未知干扰等因素也可能会导致得到的模型响应曲线失真，造成控制效 果的下降。
[0005]2.现场条件不允许进行试验
[0006]在获取建模数据的实验过程中，需要将给风洞内部的执行器一个阶跃信号， 并保持到被控量响应结束为止。由于实验条件所限，有些吹风工况，例如高 Ma、高攻角实验，不能进行这类实验。对于这类工况，无法通过实验获得建 模数据，因此无法建立该工况的数学模型。在吹风实验中往往采用其它工况进 行替代，导致控制效果的下降。
[0007]3.工况众多，实验成本高昂
[0008]建模数据获取实验需要单独占用一次吹风车次。由于风洞吹风实验工况众 多，为了获得更好的控制效果，需要对各个工况都进行一次数据获取实验；此 外，当飞行器模型发生变化时，原模型的动态特性曲线不再适用，需要重新进 行数据的测取。这些都会导致总体实验成本的大幅度攀升。
[0009]因此在DMC算法的实际应用过程中，需要研究如何通过其它方式获得准 确的空气流场数学模型。

技术实现思路

[0010]为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提出了一种用于暂冲式跨声速风洞 的空气流场模型校正控制方法。
[0011]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于暂冲式跨声速风洞 的空气流场模型校正控制方法，包括如下步骤：
[0012]步骤一、利用空气流场特性曲线数据建立空气流场数学解析模型；
[0013]步骤二、根据不同的攻角变化范围将吹风实验所获取的结果数据划分为不 同的数据段；
[0014]步骤三、求取各个数据段内的实验结果偏差，使用线性模型对实验结果误 差进行拟合，得到误差的平均值和变化趋势；
[0015]步骤四、将实验结果的平均误差值转化为控制量对应的静压值，根据误差 的方向和变化趋势对空气流场数学解析模型进行校正。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：
[0017]本专利技术包括NI工控机、与该工控机相连的光纤、与光纤相连的用于控制 的模拟量输出电路、用于收集实验数据的数据采集电路；本专利技术依据控制器中 使用的数据测量模型，建立空气流场数学解析模型；在完成数据收集后，将实 验结果数据进行分段划分；对各个分段内的实验数据进行评价；依据评价结果， 对各个分段使用的数学解析模型进行修正；通过修正后的解析模型生成新的数 据模型，投入到新的风洞试验中；重复上述模型修正过程直到得到满意的控制 效果。本专利技术针对频繁波动的实验测量数据，采用均值法、线性拟合法得到控 制偏差的均值以及偏差变化的方向，以此评价该段数据的控制效果。本专利技术依 据各个数据段内控制效果的评价结果，将偏差转化为相应的静压值对模型进行 补偿，以形成针对不同攻角变化范围内的空气流场解析模型。
[0018]本专利技术的有益效果具体表现如下：
[0019](1)本方法通过吹风实验的结果对控制中使用的模型进行校正，其修正 结果更加符合风洞实验的实际工况，确保了后续实验控制精度的提高。大量实 验表明通过最多2次校正即可保证在任意工况下控制精度达到0.15％以内；
[0020](2)本方法通过吹风实验的结果对空气流场的特性曲线进行校正，可以 获得一些无法通过实验获取的模型曲线，例如攻角变化为8
°
～12
°
的高攻角工况 实验；
[0021](3)本方法通过吹风实验的结果对模型特性曲线进行校正，节省了吹风 车次，降低了实验成本。对于现有的常规飞行器模型，可以只通过专门的实验 进行某一工况下的建模数据测取。对于其它工况，在此基础上进行校正即可， 而无需对所有工况进行专门的建模数据获取实验。
附图说明
[0022]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0023]图1为面积法建模示意图；
[0024]图2为攻角——静压模型结构示意图；
[0025]图3为根据攻角的变化对数据进行划分示意图；
[0026]图4为没有采用模型修正的DMC控制器的控制效果图；
[0027]图5为采用一次模型修正后DMC控制器的控制效果图；
[0028]图6为采用二次模型修正后DMC控制器的控制效果图。
具体实施方式
[0029]本专利技术的一种高速风洞实验数据监测装置，硬件部分包括：NI工控机、与 该工控
机相连的光纤、与光纤相连的用于控制的模拟量输出电路、用于收集实 验数据的数据采集电路。软件部分包括：
[0030]1.实验特性曲线建模方法，用于通过实验获取的特性响应曲线数据建立空 气流场数学解析模型；模型结构为线性动态特性串联非线性静态特性的块状模 型结构；建模方法为面积法结合最小二乘法；
[0031]2.结果数据划分方法，用于将吹风实验获得的结果数据划分为不同的数据 段；划分规则为根据不同的攻角变化范围进行数据划分；
[0032]3.结果数据评价方法，用于对各个数据段内实验结果进行评价；
[0033]4.模型校正方法，用于对建立的空气流场数学解析模型进行校正；校正依 据各个数据段内的实验评价结果进行；模型校正量是依据将数据段内控制结果 的偏差转化为相应的静压值，再叠加到解析模型上来实现。
[0034]所述的空气流场模型校正方法，包括以下步骤：
[0035](1)收集实验获取的空气流场特性曲线数据，手动剔除数据中的异常数 据。首先针对曲线上的数据，采用面积法建立空气流场的线性动态数学解析模 型。由于空气流场的非线性特性，所建立的模型必然带有误差。通过建模物误 差，采用多项式形式的非线性静态模型结构，并结合最小二乘法对空气流场的 非线性部分进行建模，所得非线性静态模型与面积法得到的线性动态模型串联， 得到完整的空气流场数学解析本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于暂冲式跨声速风洞的空气流场模型校正控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用空气流场特性曲线数据建立空气流场数学解析模型；步骤二、根据不同的攻角变化范围将吹风实验所获取的结果数据划分为不同的数据段；步骤三、求取各个数据段内的实验结果偏差，使用线性模型对实验结果误差进行拟合，得到误差的平均值和变化趋势；步骤四、将实验结果的平均误差值转化为控制量对应的静压值，根据误差的方向和变化趋势对空气流场数学解析模型进行校正。2.根据权利要求1所述的用于暂冲式跨声速风洞的空气流场模型校正控制方法，其特征在于：步骤一所述空气流场数学解析模型的建立方法包括如下步骤：第一步、选择不同的模型阶数，通过面积法分别建立不同模型阶数下的攻角——静压特性模型；第二步、对通过面积法得到的连续传递函数采用双线性变换法进行离散化，得到模型的离散传递函数，并将离散传递函数转化为差分方程的形式；第三步、利用第二步得到的差分方程模型计算模型特性曲线，然后计算各个模型的建模误差；第四步、在不同模型中选出与原曲线误差最小的模型及其误差，采用非线性静态模型结构对误差进行建模；第五步、将得到的线性动态模型与非线性静态模型串联组成完整的攻角——静压模型。3.根据权利要求1所述的用于暂冲式跨声速风洞的空气流场模型校正控制方法，其特征在于：所述空气流场数学解析模型为块状模型结构，采用线...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜宁，于丰，张林，易凡，郁文山，金志伟，周润，秦建华，李平，朱文杰，蒋婧妍，涂清，向兵，钟若溪，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：