[發(fā)明專利]一種基于暫沖氣源的大流量高穩(wěn)定馬赫數(shù)風洞快速調節(jié)系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113008507A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設計）人: 李凌蔚;張興龍;吳宋偉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M9/02
• 分類號: G01M9/02;G01M9/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提出一種基于暫沖氣源的大流量高穩(wěn)定馬赫數(shù)風洞快速調節(jié)系統(tǒng)及方法。其結構包括暫沖氣源、主閥、輔閥、噴管、壓力傳感器、馬赫數(shù)傳感器及控制單元，其中輔閥具有更快的小流量調節(jié)能力，與主閥并聯(lián)連接。其步驟為：(1)在輔閥50％開度基礎上，對風洞能力范圍內(nèi)的特征馬赫數(shù)點進行主閥手動調節(jié)，獲得相應馬赫數(shù)下主閥開度和氣源壓力關系曲線簇；(2)根據(jù)指令馬赫數(shù)和當前氣源壓力，通過二維線性插值獲得主閥開度；(3)利用輔閥進行指令馬赫數(shù)的閉環(huán)PID調節(jié)，維持出口馬赫數(shù)。本發(fā)明采取主閥前饋和輔閥閉環(huán)PID的復合控制策略，解決了風洞試驗中由于氣源壓力不斷下降及主閥重復度差、非線性強、調節(jié)速度慢帶來的出口馬赫數(shù)不容易穩(wěn)定的問題。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于暫沖氣源的大流量高穩(wěn)定馬赫數(shù)風洞快速調節(jié)系統(tǒng)及方法，屬于航空航天工業(yè)風洞試驗測控領域。

背景技術

風洞是航空航天工業(yè)中最常用的空氣動力學實驗設備之一，它是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，并可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設備。風洞試驗是獲取飛行器氣體動力學數(shù)據(jù)，衡量飛行器外形設計布局以及評估飛行性能的重要手段。對于航空航天工業(yè)中常用的射流式風洞，風洞試驗數(shù)據(jù)受出口馬赫數(shù)精度的影響非常明顯，因此出口馬赫數(shù)是最需要精確控制的氣動參數(shù)之一。

基于暫沖氣源的風洞稱為暫沖式風洞，多以高壓儲氣罐作為暫沖氣源系統(tǒng)。與連續(xù)式風洞相比，暫沖氣源可以提供更大的流量和更大的馬赫數(shù)，其運行期間由于氣源快速消耗，儲氣罐中氣源壓力下降迅速，根據(jù)暫沖氣源初始氣源壓力及儲氣罐體積的不同，暫沖式風洞的運行時間通常為幾秒到幾十秒。氣源壓力的快速下降使得風洞出口馬赫數(shù)隨之減小，為了在試驗過程中提供穩(wěn)定準確的出口馬赫數(shù)，目前工程中通常在暫沖氣源和風洞噴管出口之間設置調節(jié)閥，通過PID閉環(huán)調節(jié)閥門開度，控制進入風洞的空氣流量，從而達到控制出口馬赫數(shù)的目的。

公開號為CN110161841A的專利公開了一種適用于暫沖式跨聲速風洞的前饋-模糊PID控制方法，通過模糊推理實時整定PID參數(shù)，并在攻角發(fā)生變化時，前饋控制部分根據(jù)攻角反饋設定前饋控制量，抑制攻角變化帶來的擾動，提高控制器暫態(tài)品質。公開號為CN110702361A的專利公開了一種直流暫沖式跨聲速風洞的流場精確控制系統(tǒng)及控制方法，通過對風洞二喉道處的柵指采用PID控制加靜態(tài)前饋控制的控制方式以及對流場的優(yōu)化控制，解決了1.0-1.2馬赫數(shù)控制精度問題。公開號為CN101887267B的專利公開了一種風洞馬赫數(shù)控制器，在風洞啟動階段采用帶有自調因子的模糊控制方法，當馬赫數(shù)基本穩(wěn)定后改用PID控制。

以上方法均未考慮氣源壓力下降過快和壓力波動的情況，未曾考慮能否實現(xiàn)較長時間穩(wěn)定馬赫數(shù)的快速調節(jié)。使用上述方法進行基于暫沖氣源的大流量風洞出口馬赫數(shù)的調節(jié)存在以下缺點：(1)由于儲氣罐中氣源的快速消耗，可能會產(chǎn)生氣源壓力脈動的現(xiàn)象，從而導致出口馬赫數(shù)的波動，無法提供穩(wěn)定高精度的出口馬赫數(shù)；(2)調節(jié)閥調節(jié)能力較強帶來的超調導致出口馬赫數(shù)波動；(3)調節(jié)閥的死區(qū)、非線性、滯環(huán)、重復度差及調節(jié)速度慢等特性會降低控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。此外，以上方法增加了控制算法的復雜度，未曾考慮實際工程應用中調節(jié)閥特性不夠理想的情況，具有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于暫沖氣源的大流量高穩(wěn)定馬赫數(shù)風洞快速調節(jié)系統(tǒng)及方法，其目的在于設計一種低成本、易實現(xiàn)的暫沖風洞系統(tǒng)，通過低復雜度的控制邏輯實現(xiàn)出口馬赫數(shù)的快速調節(jié)，并能夠穩(wěn)定保持較長時間，克服暫沖風洞系統(tǒng)中由于暫沖氣源壓力不斷下降以及主閥重復度差、非線性強、調節(jié)速度慢帶來的出口馬赫數(shù)調節(jié)緩慢及不穩(wěn)定的問題。

本發(fā)明的技術解決方案：