一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统及方法技术方案

一种于连续式跨声速风洞试验的马赫数精确控制系统及方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。为解决连续式跨声速风洞吹试验过程中，由于模型姿态角变化引起的马赫数不能稳定控制的问题。本发明专利技术包括模型姿态角控制单元连接第一运动控制电机，压缩机转速控制单元连接压缩机，二喉道截面积控制单元连接第二运动控制电机、数据采集单元连接风洞总静压传感器；第一运动控制电机用于控制模型的姿态角运动；压缩机用于控制连续式跨声速风洞的风速；第二运动控制电机用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积。本发明专利技术通过调节压缩机转速以及二喉道截面积，消除由于试验模型运动导致的马赫数扰动。数扰动。数扰动。

【技术实现步骤摘要】
一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统及方法


[0001]本专利技术属于航空气动力风洞试验
，具体涉及一种于连续式跨声速风洞试验的马赫数精确控制系统及方法。

技术介绍

[0002]连续式跨声速风洞试验作为一种空气动力学方向研究广泛采用的手段，为航空、航天领域的发展提供必要的技术保障。风洞马赫数的精确控制是保证试验精准度的重要组成部分，该部分直接影响到风洞试验数据的精准性。在控制策略方面，目前国内风洞的流场控制仍然以PID控制为主，风洞采用PID控制器对稳定段总压进行调控。但是，在吹风试验中，风洞流场情况非常复杂，对于暂冲式风洞而言，气源压力的不断下降会导致风洞流场存在时变特性。而且，为了确定合适的PID 参数，需要通过大量吹风试验来进行调试，利用传统的整定方式也难以达到最优。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在解决连续式跨声速风洞吹试验过程中，由于模型姿态角变化引起的马赫数不能稳定控制的问题，提出一种于连续式跨声速风洞试验的马赫数精确控制系统及方法。
[0004]一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，包括中央控制单元、模型姿态角控制单元、压缩机转速控制单元、二喉道截面积控制单元、数据采集单元、第一运动控制电机、压缩机、第二运动控制电机、风洞总静压传感器，所述模型姿态角控制单元连接第一运动控制电机，所述压缩机转速控制单元连接压缩机，所述二喉道截面积控制单元连接第二运动控制电机、所述数据采集单元连接风洞总静压传感器；
[0005]所述第一运动控制电机用于控制模型的姿态角运动；
[0006]所述压缩机用于控制连续式跨声速风洞的风速；
[0007]所述第二运动控制电机用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积。
[0008]进一步的，所述模型姿态角控制单元为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。
[0009]进一步的，所述的压缩机转速控制单元为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统，所述二喉道截面积控制单元为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。
[0010]进一步的，所述数据采集单元为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元包括采集模块、数据预处理模块。
[0011]一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，依托于所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制实现，包括如下步骤：
[0012]S1、中央控制单元解算二喉道处的开度变化与马赫数变化和俯仰角变化的对应关系；
[0013]S2、中央控制单元向数据采集单元发出指令，数据采集单元采集风洞总压、风洞静
压，数据采集单元将采集到的风洞总压、风洞静压传输给中央控制单元，中央控制单元进行数据预处理后，计算得到风洞马赫数；
[0014]S3、中央控制单元向压缩机转速控制单元发出指令，压缩机转速控制单元控制压缩机在试验段内形成风速一定的气流，通过对压缩机转速的预置以及闭环控制使风洞马赫数到达预置值；
[0015]S4、中央控制单元向模型姿态角控制单元发出指令，模型姿态角控制单元控制模型姿态角按照给定的角度进行运动；
[0016]S5、中央控制单元对压缩机转速控制单元和二喉道截面积控制单元进行控制，使风洞马赫数与给定目标值保持在一定的误差带范围内。
[0017]进一步的，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：
[0018] S1.1、模型俯仰角变化时，模型俯仰角变化导致模型核心流处的马赫数变化，风洞总压不发生变化，根据流量守恒，模型核心流处的马赫数变化导致二喉道处的总压值变化，为了保持不变，通过二喉道处的截面积调节量进行补偿，由此得出模型俯仰角变化和二喉道处的截面积调节量的计算公式为：
[0019]其中为二喉道处的截面积，为模型俯仰角，为二喉道处的总压值，为模型核心流处的马赫数；
[0020]S1.2、根据流量守恒关系得到核心流处的质量流量和二喉道处的质量流量相等，则得到计算公式为：
[0021]其中，m1为模型核心流处的质量流量，m2为二喉道处的质量流量，为气体比热比，A1为为核心流处截面积；
[0022]S1.3、根据步骤S1.2的计算公式，进行如下推导，得到计算公式为：
[0023]其中，设置第一常数；；；
[0024]其中，设置第二常数；
[0025]S1.4、将步骤S1.3推导的计算公式代入步骤S1.1中，得到
[0026]S1.5、根据，则得到公式为：
[0027]S1.6、设置第三常数，则步骤S1.5的计算公式进行转化，得到；
[0028] S1.7、设置第四常数，则步骤S1.6的计算公式进行转化，得到；
[0029]解散出，通过得到二喉道处的开度变化。
[0030]进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：
[0031]S2.1、中央控制单元进行数据预处理的方法为对采集到的数据进行滤波处理，首先对风洞总压、风洞静压传感器应用滑动平均滤波处理，分别对风洞总压、风洞静压数据创建一个大小为N维的数组空间，采用先入先出的方法，同时对数组取平均值，得到用于计算马赫数的风洞总压均值、风洞静压均值；
[0032]S2.2、利用步骤S2.1得到的风洞总压均值、风洞静压均值进行风洞马赫数的计算，计算公式为：
[0033]其中，为风洞总压均值，P
ct
为风洞静压均值。
[0034]进一步的，步骤S3压缩机转速控制单元控制压缩机的具体计算公式为：；
；
[0035]其中：为压缩机转速控制值，为压缩机转速实时反馈值，为k时刻压缩机转速增量控制值，为压缩机的最大速度，为k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，，，分别为增量式PID算法的比例参数、积分参数、微分参数。
[0036]进一步的，步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：
[0037]S5.1、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，则确定为固定压缩机转速，采用步骤S1的方法将马赫数误差带调整到
±
0.004以内；
[0038]S5.2、当k时刻实时马赫数与预置马赫数的差值，则确定为固定二喉道开度，采用压缩机转速闭环控制方法，使马赫数误差带控制到
±
0.001以内，计算公式为：。
[0039]本专利技术的有益效果：
[0040]本专利技术所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，采集风洞的总、静压传感器值，计算得到风洞马赫数，通过调节压缩机转速以及二喉道截面积，消除由于试验模型运动导致的马赫数扰动，使试验模型在风洞内运动过程中，马赫数保持在一定的误差带范围内，相比于传统PID的控制方法控制精度高，通过二喉道截面积的变化预先补偿由姿态角变化导致的波动，再通过压缩机转速PID闭环调节，可以使马赫数在模型姿态角连续变化过程中始终保持在误差带范围内，提高风洞的试验效率。但应用二喉道截面积补偿模型姿态角变化影响有一定的限制，只能在亚声速（M&本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，其特征在于，包括中央控制单元（1）、模型姿态角控制单元（2）、压缩机转速控制单元（3）、二喉道截面积控制单元（4）、数据采集单元（5）、第一运动控制电机（6）、压缩机（7）、第二运动控制电机（8）、风洞总静压传感器（9），所述模型姿态角控制单元（2）连接第一运动控制电机（6），所述压缩机转速控制单元（3）连接压缩机（7），所述二喉道截面积控制单元（4）连接第二运动控制电机（8）、所述数据采集单元（5）连接风洞总静压传感器（9）；所述第一运动控制电机（6）用于控制模型的姿态角运动；所述压缩机（7）用于控制连续式跨声速风洞的风速；所述第二运动控制电机（8）用于控制连续式跨声速风洞的二喉道截面积。2.根据权利要求1所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，其特征在于，所述模型姿态角控制单元（2）为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。3.根据权利要求1或2所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，其特征在于，所述的压缩机转速控制单元（3）为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统，所述二喉道截面积控制单元（4）为基于Ethernet现场总线的倍福PLC控制系统。4.根据权利要求3所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制系统，其特征在于，所述数据采集单元（5）为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元（5）包括采集模块、数据预处理模块。5.一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，依托于权利要求1
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4之一所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制实现，其特征在于，包括如下步骤：S1、中央控制单元（1）解算二喉道处的开度变化与马赫数变化和俯仰角变化的对应关系；S2、中央控制单元（1）向数据采集单元（5）发出指令，数据采集单元（5）采集风洞总压、风洞静压，数据采集单元（5）将采集到的风洞总压、风洞静压传输给中央控制单元（1），中央控制单元（1）进行数据预处理后，计算得到风洞马赫数；S3、中央控制单元（1）向压缩机转速控制单元（3）发出指令，压缩机转速控制单元（3）控制压缩机（7）在试验段内形成风速一定的气流，通过对压缩机（7）转速的预置以及闭环控制使风洞马赫数到达预置值；S4、中央控制单元（1）向模型姿态角控制单元（2）发出指令，模型姿态角控制单元（2）控制模型姿态角按照给定的角度进行运动；S5、中央控制单元（1）对压缩机转速控制单元（3）和二喉道截面积控制单元（4）进行控制，使风洞马赫数与给定目标值保持在一定的误差带范围内。6.根据权利要求5所述的一种用于连续式跨声速风洞的马赫数精确控制方法，其特征在于，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹阳，崔晓春，张刃，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：