CN116499700B - 一种风洞主引射压力分段控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空航天飞行器地面模拟试验技术领域，公开了一种风洞主引射压力分段控制方法及***，该方法，首先，基于调压阀压力特性和试验控制参数的历史数据，构建主调压力控制模型；然后在试验过程中对主引进行分段控制；其中，分段控制包括：主引开环控制、主引闭环调节、扰动补偿控制，主引开环控制、扰动补偿控制量由主调压力控制模型计算得到，表示主引射压力。本发明解决了现有技术存在的主调初始预设参数过分依赖岗位人员经验导致的稳态偏差大和调节时间长、闭环控制过程中主调的波动调节以及无法有效补偿气源压力下降导致的扰动等问题。

Description

一种风洞主引射压力分段控制方法及***

技术领域

本发明涉及航空航天飞行器地面模拟试验技术领域，具体是一种风洞主引射压力分段控制方法及***。

背景技术

风洞是航空航天飞行器进行空气动力学试验不可或缺的地面模拟设备。对暂冲型跨声速风洞而言，试验时控制主调压阀（以下简称主调）使压缩空气由气罐进入风洞，通过主引射器形成高速气流为风洞运行提供驱动力。风洞进气量的稳定性和主引射压力控制的精准度，会直接影响到流场控制的精度水平，从而影响到飞行器气动力数据的准确性和可信度，因此如何提升暂冲型跨声速风洞/>的控制精度是当前亟需解决的问题。目前，暂冲型跨声速风洞/>控制普遍采用主调高开预置+闭环调节的方式。该方式下，首先主调预置位置，即初始预设参数由经验知识生成，参数给定过分的依赖人员经验，往往会出现较大的偏差，使得/>的稳态值偏离设定值，增加调节时间，甚至导致闭环控制发散，车次报废；其次，在/>闭环控制过程中，PID误差控制和***噪声将使主调波动调节以消除闭环误差，调节中的波动不仅会影响到进气量及的流场稳定性，还会加速结构件的疲劳损伤；最后，随气罐中气源压力/>的不断下降，由于闭环控制的大时滞，使得闭环控制无法及时有效补偿/>下降导致的扰动，最终影响/>和流场控制的精准度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种风洞主引射压力分段控制方法及***，解决现有技术存在的主调初始预设参数过分依赖岗位人员经验导致的稳态偏差大和调节时间长、闭环控制过程中主调的波动调节以及无法有效补偿气源压力下降导致的扰动等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种风洞主引射压力分段控制方法，首先，基于调压阀压力特性和试验控制参数的历史数据，构建主调压力控制模型；然后在试验过程中对主引进行分段控制；其中，分段控制包括：主引开环控制、主引闭环调节、扰动补偿控制，主引开环控制、扰动补偿控制量由主调压力控制模型计算得到。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

S1，主调压力控制模型构建：基于主调压力特性，通过试验控制参数的历史数据分析挖掘，提取一系列不同工况下同一时刻时的气源压力、/>及主调开度值数据，由/>和计算出压力恢复系数，对一系列主调开度值和压力恢复系数数据进行多项式拟合，生成主调压力控制模型；

S2，主引开环控制：风洞启动后，通过主调运行至初始预置开度的方法实现主引的开环控制，设定充压标志位：充压标志位为1时，主调运行至初始预置开度/>的设定倍数；当充压标志位变为0后，主调运行至/>；

S3，主引闭环调节：主调到位且延时设定时长后，进行/>闭环控制，控制量为：

，

；

式中，表示主引闭环控制量，/>表示时刻总数，/>表示/>时刻主引PI控制器输出量，/>表示比例系数，/>表示/>时刻的偏差，/>表示积分系数，/>表示时刻序号，/>为整数且/>≥0，/>表示/>时刻的累计偏差；

S4，主引扰动补偿控制：设定扰动控制标志位、暂存标志位为1时的前一时刻的闭环控制输出值/>和主调压力控制模型计算的主调开度/>；当扰动补偿控制标志位为1时，实时计算/>扰动补偿控制中主调控制量，同时断开闭环控制，补偿控制/>，控制量为：

；

式中，表示/>控制量，/>表示扰动标志位为1的前一时刻的闭环输出暂存值，/>表示主调开度实时计算值，/>表示扰动标志位前一时刻的主调开度暂存值。

作为一种优选的技术方案，步骤S1包括以下步骤：

S11，通过历史数据分析挖掘，提取各工况下相同时刻的值、/>值及主调开度实测值/>，并对提取的数据进行预处理；

S12，计算出一系列不同与对应的/>的比值，将/>和/>分别近似为阀后和阀前气流总压，计算得到一系列主调压力恢复系数/>；

S13，根据计算得到一系列和对应的/>，基于多项式拟合生成主调压力控制模型：/>；

式中，表示主调开度计算值，/>表示压力恢复系数，/>表示多项式阶次、/>为整数且/>≥0，/>表示多项式系数，/>表示/>的/>阶次。

作为一种优选的技术方案，步骤S13中，取值为3、4或5。

作为一种优选的技术方案，步骤S4包括以下步骤：

S41，以测值进入精度范围、且延时N个控制周期为扰动补偿控制标志位；其中，N为设定值且N为正整数；

S42，计算暂存扰动补偿控制标志位为1前一时刻的闭环控制输出值和主调开度值/>；

S43，基于主调压力控制模型实时计算当前主调值，当扰动补偿控制标志位为1时，在每个控制周期计算当前时刻压力控制模型扰动补偿控制位置输出值增量，计算公式为：/>；

S44，扰动补偿控制标志位为1后，断开压力闭环控制，采用增量式扰动补偿控制实现的控制，保持/>的稳定，直至风洞试验结束；其中，增量式扰动补偿控制的控制量为：

。

作为一种优选的技术方案，步骤S41中，精度范围指<1%。

作为一种优选的技术方案，步骤S41中，N的取值范围为50~150。

作为一种优选的技术方案，步骤S2中，初始预置开度的设定倍数指初始预置开度/>的102~110%，充压标志位变为0指风洞稳定段总压达到设定值的0.9~0.98倍的情形。

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，闭环控制采用PI控制算法，且闭环运行后，/>闭环中积分参数/>采用斜坡方式给定。

一种风洞主引射压力分段控制***，用于实现所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，包括依次相连的以下模块：

主调压力控制模型构建模块：用以，基于主调压力特性，通过试验控制参数的历史数据分析挖掘，提取一系列不同工况下同一时刻时的气源压力、/>及主调开度值数据，由/>和/>计算出压力恢复系数/>，对一系列主调开度值和/>数据进行多项式拟合，生成主调压力控制模型；

主引开环控制模块：用以，风洞启动后，通过主调运行至初始预置开度的方法实现主引的开环控制，设定充压标志位：充压标志位为1时，主调运行至初始预置开度/>的设定倍数；当充压标志位变为0后，主调运行至/>；

主引闭环调节模块：用以，主调到位且延时设定时长后，进行/>闭环控制，控制量为：

，

；

式中，表示主引闭环控制量，/>表示时刻总数，/>表示/>时刻主引PI控制器输出量，/>表示比例系数，/>表示/>时刻的偏差，/>表示积分系数，/>表示时刻序号，/>为整数且/>≥0，/>表示/>时刻的累计偏差；

主引扰动补偿控制模块：用以，设定扰动控制标志位、暂存标志位为1时的前一时刻的/>闭环控制输出值/>和主调压力控制模型计算的主调开度/>；当扰动补偿控制标志位为1时，实时计算/>扰动补偿控制中主调控制量，同时断开闭环控制，补偿控制，控制量为：

；

式中，表示/>控制量，/>表示扰动标志位为1的前一时刻的闭环输出暂存值，/>表示主调开度实时计算值，/>表示扰动标志位前一时刻的主调开度暂存值。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

本发明基于环状缝隙式调压阀压力特性和历史数据分析挖掘，构建了主调压力控制模型，通过压力控制模型生成的主调实时开度，不仅提升了主调的准度、降低了参数给定对岗位人员的经验依赖，也为/>增量式扰动补偿控制的稳定性和精准度奠定了基础；相比预置+前馈控制方法，通过闭环控制作用，可有效降低/>存在的稳态偏差，提高扰动补偿控制位置基准值的准度；采用增量式扰动补偿控制的可有效消除了主调压力控制模型中阀门位置输出值的***性偏差、补偿/>下降对/>的扰动、消除闭环控制过程中阀门位置调节导致的/>波动；相比传统方法，本发明具有主调/>准度高、且不依赖于人员经验；消除闭环控制导致的主调调节波动、降低结构件疲劳损伤；有效补偿/>下降导致的/>扰动，最终提升/>和流场控制的精准度。

附图说明

图1为本发明所述的一种风洞主引射压力分段控制方法的步骤示意图；

图2为步骤S1的更细化的步骤示意图；

图3为步骤S2的更细化的步骤示意图；

图4为步骤S3的更细化的步骤示意图；

图5为步骤S4的更细化的步骤示意图；

图6为主调开度与压力恢复系数曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图6所示，为了解决现有暂冲型跨声速风洞控制方法中存在的主调初始预设参数/>过分依赖岗位人员经验导致的稳态偏差大和调节时间长、闭环控制过程中主调的波动调节以及无法有效补偿气源压力下降导致的扰动等问题，提出了一种基于主调压阀压力控制模型的暂冲型风洞主引射压力分段控制方法。在试验过程中对主引射压力（简称主引）/>进行分段控制；其中，分段控制包括：基于主调预置的主引开环控制、主引闭环调节、主引扰动补偿控制。

一种风洞主引射压力分段控制方法，包括：

步骤S1.主调压力控制模型构建：

基于环状缝隙式调压阀压力特性，通过历史数据分析挖掘，计算出一系列不同和/>下的主调压力恢复系数，与对应的主调开度值通过多项式（2阶至4阶）拟合，生成主调压阀（简称主调）压力控制模型。其中，/>表示主引射压力（简称主引）。

具体步骤为：

步骤S11.通过大量历史数据分析挖掘，提取各工况下的、/>值及对应主调开度实测值/>等数据，预处理。该数据需尽可能全的涵盖高/>时/>较低、低/>时/>较高、以及增压等工况下的情况；

步骤S12.计算出一系列不同与对应的/>的比值。此处，将/>和/>近似为阀后和阀前气流总压，计算得到的比值即为主调压力恢复系数/>；

步骤S13.根据计算得到一系列和对应的/>，基于多项式拟合生成主调压力控制模型：

，其中/>为阀门开度计算值，/>为压力恢复系数，一般/>取值为3~5；

步骤S14.试验过程中，根据试验马赫数、总压及模型条件等工况，确定设定值，并实时读取/>测值，计算主调实时/>，通过主调压力控制模型计算出对应的主调/>。

步骤S2.主引开环控制：

风洞启动后，设定充压标志位，并通过主调运行至初始预置开度的方法实现主引的开环控制。充压标志位为1时，主调以位置闭环方式运行至初始预置开度/>的102%~110%，风洞快速充压。当充压标志位变为0后（总压达到设定值的0.9~0.98倍），主调运行至。

进一步的，所述的步骤S2中的主调是基于试验工况/>设定值和参数准备时刻的/>测值，根据主调压力控制模型计算得出的。

步骤S3.主引闭环调节：

主调到位，且延时1s后，进入/>闭环控制，采用斜坡变积分PI控制算法，闭环控制量为/>叠加PI控制器输出值：

，

；

进一步的，所述的步骤S3中的闭环控制采用PI控制算法，且闭环投入后，/>闭环中积分参数/>采用方式斜坡给定。

进一步的，所述的PI闭环控制输出量以主调为基准，叠加PI控制器输出值。

步骤S4.主引扰动补偿控制：

设定扰动补偿控制标志位，暂存标志位为1前一时刻的/>闭环控制输出值和主调压力控制模型计算的主调开度/>。扰动补偿控制标志位为1后，实时计算扰动补偿控制中主调控制量：/>，其中/>为主调开度计算值，同时断开闭环控制，采用增量式扰动补偿控制实现/>的精确控制。具体步骤为：

步骤S41.以测值进入精度范围（/><1%）、且延时N个控制周期为扰动补偿控制标志位，其中，N取值为50~150；

步骤S42.暂存扰动补偿控制标志位为1前一时刻的闭环控制输出值和主调开度值/>；

步骤S43.基于主调压力控制模型实时计算当前主调值，当扰动补偿控制标志位为1时，在每个控制周期计算当前时刻压力控制模型扰动补偿控制位置输出值增量，。

步骤S44.扰动补偿控制标志位为1后，断开压力闭环控制，采用增量式扰动补偿控制实现的精确控制，控制量为：/>，直至风洞试验结束。

实施例2

如图1至图6所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：

如图1所示，为了实现暂冲型跨声速风洞的精准控制，为风洞流场的精细化控制奠定基础，一种风洞主引射压力分段控制方法，包括：

步骤S1.主调压力控制模型构建，思路是：基于环状缝隙结构调压阀压力特性，结合历史数据的分析挖掘，可知调压阀的开度与阀后和阀前气流总压的比值（压力恢复系数），呈现一定的相关性。则可近似认为阀后气流总压为、阀前气流总压为/>。通过对一系列压力恢复系数与之对应的主调压阀开度数据进行多项式拟合，生成主调压力控制模型。具体步骤为：

步骤S11.通过大量历史数据分析挖掘，提取各工况下的、/>及对应主调开度实测值/>等数据，经预处理。该数据需尽可能全的涵盖高/>时/>较低、低/>时/>较高、以及增压等工况下的情况；

步骤S12.计算出一系列不同与对应的/>的比值。此处，将/>和/>近似为阀后和阀前气流总压，计算得到的比值即为主调压力恢复系数/>；

步骤S13.根据计算得到一系列和对应的/>数据，基于多项式拟合生成主调压阀压力控制模型：

，其中/>为阀门开度计算值，/>为压力恢复系数，本实施例中/>取值4，曲线如图2所示；

步骤S14.试验过程中，根据试验马赫数、总压/>及模型条件等工况，确定/>设定值，并实时读取/>测值，计算主调实时/>，通过压力控制模型计算出对应的主调/>。

步骤S2.主引开环控制：通过主调运行至初始预置开度的方法实现主引的开环控制。设定充压标志位（M00977），风洞启动后，当M00977=1时，为使风洞快速充压，主调以位置闭环方式运行至初始预置开度/>值（R00297）的1.05%。当M00977=0（总压达到设定值的0.9~0.98倍）时，主调运行至/>。

具体的，所属步骤S2中的充压标志位，是在下位控制器中编程实现，当风洞启动后，M00977=1；当总压达到设定值的0.9~0.98倍时，M00977=0；

具体的，所属步骤S2中的主调是基于当前试验工况下/>设定值和参数准备时刻的/>测值，计算出当前时刻主调/>，根据压力控制模型计算得出的主调/>；

具体的，所属步骤S2中主调计算，是在上位监督管理中通过编写程序代码实现。

步骤S3.主引闭环调节：当主调运行至，且延时1s后，进入/>闭环控制阶段，闭环调节标志位M01204。闭环投入后，/>闭环中积分参数/>采用方式斜坡给定。

具体的，所属步骤S3中闭环控制中比例参数和积分参数/>由上位监督管理机设定，对应的控制变量为R00262和R00264，通过网络通讯下发至下位控制器。

具体的，所属步骤S3中闭环控制中主调位置控制量R00922为主调/>值（R00297）与PI控制器输出值R00394，在控制器中通过ADD运算模块相加生成，表示为：。

具体的，所属步骤S3中的斜坡给定方式是在下位控制器中实现，，/>定时器，周期0.1s。当/>到达设定值后，/>取值为设定值R00264。

步骤S4.主引扰动补偿控制：设定扰动补偿控制标志位，暂存标志位为1前一时刻的/>闭环控制输出值/>和主调压力控制模型计算的主调开度/>。扰动补偿控制标志位为1后，实时计算/>扰动补偿控制中主调控制量：，其中/>为主调开度计算值，同时断开闭环控制，采用增量式扰动补偿控制实现/>的精确控制。具体步骤为：

步骤S41.以测值进入精度范围（/><1%）、且延时150个控制周期为扰动补偿控制标志位，在下位控制器中以布尔变量实现（M05017）；

步骤S42.将M05017=1前一时刻的闭环控制输出值和主调开度值/>分别暂存于控制器变量R00392和R00398；

步骤S43.在下位控制器中基于主调压力控制模型，实时计算当前主调值（R04086）。当M05017=1后，在每个控制周期计算当前时刻压力控制模型扰动补偿控制位置输出值增量（R00396），表示为：/>；

步骤S44.当M05017=1后，在控制器中通过ADD运算模块，将闭环控制输出值R00392分别与前馈控制位置输出值增量R00396和主调/>值（R00297）相加，生成主引增量式扰动补偿控制输出值R04088并赋值于R00922。同时断开压力闭环控制，采用增量式扰动补偿控制实现/>的精确控制，表示为：，直至试验结束。

具体的，所属步骤S4中的扰动补偿标志位、闭环控制输出和主调开度值/>的暂存值、输出值增量等均在控制器中通过编程实现；

具体的，所属步骤S4中的主调值，是基于/>设定值和实时/>测值，并计算主调实时/>，通过主调压力控制模型计算出对应的主调/>。

本实施例提出的方法定位准确、思路明了、操作简单，具有较强的工程适应性，主引控制过程中主调准度高、且不依赖于人员经验，扰动补偿控制能消除闭环控制导致的主调调节波动、有效补偿/>下降导致的/>扰动，提升/>和流场控制的精准度。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，首先，基于调压阀压力特性和试验控制参数的历史数据，构建主调压力控制模型；然后在试验过程中对主引进行分段控制；其中，分段控制包括：主引开环控制、主引闭环调节、扰动补偿控制，主引开环控制、扰动补偿控制量由主调压力控制模型计算得到；

包括以下步骤：

S1，主调压力控制模型构建：基于主调压力特性，通过试验控制参数的历史数据分析挖掘，提取一系列不同工况下同一时刻时的气源压力、/>及主调开度值数据，由/>和/>计算出压力恢复系数，对一系列主调开度值和压力恢复系数数据进行多项式拟合，生成主调压力控制模型；

S2，主引开环控制：风洞启动后，通过主调运行至初始预置开度的方法实现主引的开环控制，设定充压标志位：充压标志位为1时，主调运行至初始预置开度/>的设定倍数；当充压标志位变为0后，主调运行至/>；

S3，主引闭环调节：主调到位且延时设定时长后，进行/>闭环控制，控制量为：

，

；

式中，表示主引闭环控制量，/>表示时刻总数，/>表示/>时刻主引PI控制器输出量，/>表示比例系数，/>表示/>时刻的偏差，/>表示积分系数，/>表示时刻序号，/>为整数且/>≥0，/>表示/>时刻的累计偏差；

S4，主引扰动补偿控制：设定扰动控制标志位、暂存标志位为1时的前一时刻的/>闭环控制输出值/>和主调压力控制模型计算的主调开度/>；当扰动补偿控制标志位为1时，实时计算/>扰动补偿控制中主调控制量，同时断开闭环控制，补偿控制/>，控制量为：

；

式中，表示/>控制量，/>表示扰动标志位为1的前一时刻的闭环输出暂存值，表示主调开度实时计算值，/>表示扰动标志位前一时刻的主调开度暂存值。

2.根据权利要求1所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：

S11，通过历史数据分析挖掘，提取各工况下相同时刻的值、/>值及主调开度实测值，并对提取的数据进行预处理；

S12，计算出一系列不同与对应的/>的比值，将/>和/>分别近似为阀后和阀前气流总压，计算得到一系列主调压力恢复系数/>；

S13，根据计算得到一系列和对应的/>，基于多项式拟合生成主调压力控制模型：/>；

式中，表示主调开度计算值，/>表示压力恢复系数，/>表示多项式阶次、/>为整数且≥0，/>表示多项式系数，/>表示/>的/>阶次。

3.根据权利要求2所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S13中，取值为3、4或5。

4.根据权利要求3所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：

S41，以测值进入精度范围、且延时N个控制周期为扰动补偿控制标志位；其中，N为设定值且N为正整数；

S42，计算暂存扰动补偿控制标志位为1前一时刻的闭环控制输出值和主调开度值；

S43，基于主调压力控制模型实时计算当前主调值，当扰动补偿控制标志位为1时，在每个控制周期计算当前时刻压力控制模型扰动补偿控制位置输出值增量，计算公式为：；

S44，扰动补偿控制标志位为1后，断开压力闭环控制，采用增量式扰动补偿控制实现的控制，保持/>的稳定，直至风洞试验结束；其中，增量式扰动补偿控制的控制量为：

。

5.根据权利要求4所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S41中，精度范围指<1%。

6.根据权利要求4所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S41中，N的取值范围为50~150。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S2中，初始预置开度的设定倍数指初始预置开度/>的102~110%，充压标志位变为0指风洞稳定段总压达到设定值的0.9~0.98倍的情形。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，其特征在于，步骤S3中，闭环控制采用PI控制算法，且闭环运行后，/>闭环中积分参数/>采用斜坡方式给定。

9.一种风洞主引射压力分段控制***，其特征在于，用于实现权利要求1至8任一项所述的一种风洞主引射压力分段控制方法，包括依次相连的以下模块：

主调压力控制模型构建模块：用以，基于主调压力特性，通过试验控制参数的历史数据分析挖掘，提取一系列不同工况下同一时刻时的气源压力、/>及主调开度值数据，由/>和/>计算出压力恢复系数，对一系列主调开度值和压力恢复系数数据进行多项式拟合，生成主调压力控制模型；

主引开环控制模块：用以，风洞启动后，通过主调运行至初始预置开度的方法实现主引的开环控制，设定充压标志位：充压标志位为1时，主调运行至初始预置开度/>的设定倍数；当充压标志位变为0后，主调运行至/>；

主引闭环调节模块：用以，主调到位且延时设定时长后，进行/>闭环控制，控制量为：

，

；

式中，表示主引闭环控制量，/>表示时刻总数，/>表示/>时刻主引PI控制器输出量，/>表示比例系数，/>表示/>时刻的偏差，/>表示积分系数，/>表示时刻序号，/>为整数且/>≥0，/>表示/>时刻的累计偏差；

主引扰动补偿控制模块：用以，设定扰动控制标志位、暂存标志位为1时的前一时刻的/>闭环控制输出值/>和主调压力控制模型计算的主调开度/>；当扰动补偿控制标志位为1时，实时计算/>扰动补偿控制中主调控制量，同时断开闭环控制，补偿控制/>，控制量为：

；

式中，表示/>控制量，/>表示扰动标志位为1的前一时刻的闭环输出暂存值，表示主调开度实时计算值，/>表示扰动标志位前一时刻的主调开度暂存值。