[發明專利]風洞馬赫數控制器

有效

• 申請號: 201010228521.4
• 申請日: 2010-07-16
• 公開（公告）號: CN101887267A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 羅印升;邢紹邦;宋偉;陳太洪;高倩;沃松林;包伯成
• 申請（專利權）人: 江蘇技術師范學院
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 常州市江海陽光知識產權代理有限公司 32214
• 代理人: 蔣全強

技術領域

本發明涉及風洞氣流控制的技術領域，具體是一種風洞馬赫數控制器。

背景技術

風洞是能人工產生和控制氣流，用以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物體現象的一種管道試驗設備。簡而言之，風洞是在一個管道內用動力設備驅動一股速度可控的氣流，用以對模型進行空氣動力學實驗的一種設備。風洞起源于航空航天技術的發展需要，在空氣動力學研究和飛行器設計中起著十分重要的作用，也已經廣泛應用于工業和建筑領域。

高速風洞主要由空氣壓縮機、儲氣系統(氣源)、風洞、控制與測試系統組成。控制與測試系統由馬赫數控制部分和模型姿態控制部分、數據測試部分和相應的軟件構成。風洞結構示意如圖1所示，風洞試驗的過程及原理為：空氣壓縮機把外界的空氣壓縮、干燥后，經高壓管道輸送到儲氣罐中，當儲氣罐內氣體壓力達到8MPa后，就可進行風洞吹風試驗。試驗時，先運行風洞測控程序，在其中設定馬赫數控制參數、攻角及模型等有關參數。開啟調壓閥和快速閥，高速氣流經調壓閥、穩定段和噴管后，加速到達試驗段。在風洞試驗段內的天平上安裝有需要測試的試驗模型。此時，通過馬赫數控制裝置不斷調整調壓閥開度從而調節氣流馬赫數，在試驗段內控制氣流馬赫數達到設定值的過程中，就可以啟動攻角機構改變試驗模型到達所需的姿態，當試驗模型姿態到位且氣流馬赫數控制達到設定值后，通過風洞中的天平來測試作用在試驗模型上的阻力、升力、俯仰力矩等多個空氣動力參數。一組數據采集完畢后，改變試驗模型姿態或改變氣流馬赫數重復上述過程。當整個試驗任務完畢后，關閉風洞快速閥，隨后，進行數據處理與分析。

馬赫數為物體速度與音速的比值，即音速的倍數。風洞馬赫數為在風洞的管道內，氣流速度與音速的比值。

風洞馬赫數的控制技術和控制水平影響著整個風洞的流場品質和精確度。在風洞建成后，風洞的改造任務中馬赫數的控制精度作為一項重要的內容來考慮。由于高速風洞氣源容量、壓力不同，試驗段尺寸不同，雖然馬赫數控制指標要求相近，但是控制馬赫數的執行機構不同，控制策略和相應的參數也不同。目前相關的控制器還沒有通用的，需要根據具體風洞情況進行設計和調試。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、流場品質和精度較高的風洞馬赫數控制器。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種風洞馬赫數控制器，其包括：工業PC機，與該工業PC機相連的ISA總線，與ISA總線相連的用于控制調壓閥和快速閥的模擬量輸出控制電路，與ISA總線相連的用于獲取氣壓、溫度、調壓閥開度和作用在試驗模型上的多個空氣動力參數的數據采集電路，與ISA總線相連的用于通過控制攻角機構而控制試驗模型姿態的開關量輸入輸出電路。

在風洞試驗的啟動階段采用帶有自調因子的模糊控制方法來控制風洞的試驗段中氣流的馬赫數，當試驗段中氣流的實際馬赫數Ma≤3ΔMW時，改為采用PID控制方法控制該試驗段中氣流的馬赫數；所述ΔMW為判斷實際馬赫數Ma是否穩定的誤差值，ΔMW在0.001-0.005范圍內取值。

當工業PC機連續5次判定實際馬赫數Ma在ΔMW內，且試驗模型的攻角已到位即試驗模型姿態處于預設姿態時，工業PC機通過所述數據采集電路采集作用在試驗模型上的多個空氣動力參數；然后控制試驗模型變化到下一個攻角和/或控制試驗段中的氣流變化到下一馬赫數，并重復上述的馬赫數控制和各空氣動力參數數據的采集過程。

進一步，所述的帶有自調因子的模糊控制方法包括如下步驟：分別選取當前計算出的實際馬赫數和設定馬赫數、風洞穩定段的總壓和實際測量值之間的誤差(E)和誤差變化率(EC)作為模糊控制器的輸入變量，U定義為控制變量；E、EC及U的論域選取如下式：{E}＝{EC}＝{U}＝{-N，…，-2，-1，0，1，2，…，N}，則在全論域范圍內帶有自調因子的模糊控制規則可表示為：U＝-[α×E+(1-α)×EC]，其中：0≤a₀≤a_S≤1，α∈[a₀，a_S]。

進一步，所述PID控制方法的控制步驟包括：工業PC機將測得的風洞中實際的馬赫數與設定的馬赫數比較后，經過控制器中控制算法的計算，再經過模擬量輸出控制電路輸出控制信號，以調節調壓閥門開度，以實現馬赫數的閉環控制。