[發明專利]低溫風洞流場自抗擾控制方法

有效

• 申請號: 201911012023.3
• 申請日: 2019-10-23
• 公開（公告）號: CN110763420B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 劉為杰;何帆;秦建華;朱文杰;詹健
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/00
• 分類號: G01M9/00
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰

本發明公開了一種低溫風洞流場自抗擾控制方法，包括低溫風洞流場數學模型的建立和自抗擾控制器的設計，先建立低溫風洞的流場調節機構與流場參數之間的傳遞函數，不考慮流場調節機構和流場參數之間的耦合關系，自抗擾控制器通過流場調節機構來控制流場參數，自抗擾控制器包括擴張狀態觀測器和狀態誤差反饋控制器，擴張狀態觀測器將包括調節機構和流場參數之間的耦合在內的干擾因素視為總擾動估算出來，并補償到狀態誤差反饋控制器中，實現流場的解耦控制。本發明不需要流場精確的數學模型，在總溫、總壓和馬赫三個控制通道耦合關系未知的情況下，可以實現三者的解耦控制，有效提高了低溫風洞流場的調節精度，并且縮短了流場調節時間。

技術領域

本發明涉及風洞流場控制領域，尤其涉及連續式低溫風洞流場控制領域。

背景技術

雷諾數在流體力學中表征粘性影響的相似準則數，雷諾數的變化主要影響邊界層分離、旋渦流動、激波/邊界層干擾、激波/旋渦干擾等粘性起支配作用的流動。風洞試驗的雷諾數模擬不足，將會使上述流動現象發生變化，與真實飛行存在差異。目前風洞試驗中實現高雷諾數的方法主要有降低總溫、增加總壓、采用重氣體或者增大模型尺寸等方法，其中降低總溫(即低溫風洞)是最有前途的一種方法。

低溫風洞流場三個主要參數為：總溫、總壓和馬赫數，風洞三個主要的流場調節機構為：液氮注入調節閥、氮氣排氣調節閥、風機。因此低溫風洞可以近似看成是一個三輸入三輸出系統。低溫風洞的控制過程十分復雜，其調節機構和輸出參數之間的關系見圖1。從圖1中可以看出低溫風洞流場存在強烈的耦合，這種耦合體現在兩個方面：1、單個調節機構可能同時會影響多個流場參數，如增大液氮的注入量既會降低總溫，也會提高總壓；2、流場參數之間相互影響。例如，在保持風機轉速恒定的情況下，總溫降低時馬赫數會升高。現有的解耦方法大多需要被控對象的精確模型，而由于低溫風洞流場的復雜性加之低溫風洞運行包絡線較寬，導致流場的精確模型難以獲得，進一步增大了低溫風洞的控制難度。

因為低溫風洞控制過程的復雜性，從低溫風洞建設早期至今，國內外學者對其控制系統設計進行了大量的研究。目前低溫風洞流場控制方法可分為三類：經典PID控制、現代控制和智能控制。經典PID控制的優點是不需要流場的數學模型、易于實現，但是難以滿足現代飛行器風洞試驗對低溫風洞控制系統日益增高的性能要求(如馬赫數控制精度要求達到0.001)。現代控制理論一個顯著的特點是比較依賴被控對象精確的數學模型。美國NASA的TCT和NTF這兩座低溫風洞，早期的文獻表明其采用的是非線性增益調度PI控制并且結合前饋補償消除控制通道之間的耦合。該控制方法需要建立低溫風洞流場的數學模型：一方面非線性增益調度機制需要預先獲取風洞流場在不同工況下的穩態增益，另一方面前饋補償環節需要總溫、總壓和馬赫數三個控制通道之間的動態耦合模型。因此這類控制方法的控制效果嚴重依賴于風洞流場數學模型的精確程度。歐洲的ETW風洞采用的是一種具有自學習能力的控制算法，這類智能控制方法的缺點是需要大量的樣本數據對算法進行訓練，而樣本數據的獲取增加了風洞調試成本和周期。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出一種低溫風洞流場自抗擾控制方法，具體的，包括以下步驟：

S1.建立低溫風洞流場數學模型：建立低溫風洞的流場調節機構與流場參數之間的傳遞函數，不考慮流場調節機構和流場參數之間的耦合關系；

S2.設計自抗擾控制器：自抗擾控制器通過流場調節機構來控制流場參數，所述自抗擾控制器包括擴張狀態觀測器和狀態誤差反饋控制器，所述擴張狀態觀測器將包括調節機構和流場參數之間的耦合在內的干擾因素視為總擾動估算出來，并補償到狀態誤差反饋控制器中，實現流場的解耦控制。

進一步的，所述流場調節機構包括液氮流量調節閥、氮氣排氣閥和風機，所述流場參數包括低溫風洞的總溫、總壓和馬赫數。

進一步的，步驟S1中，將低溫風洞流場多變量耦合系統視為三個單輸入單輸出系統，建立液氮流量調節閥開度與總溫、氮氣排氣閥開度與總壓、風機轉速與馬赫數之間的傳遞函數。