一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统和方法。该系统包含执行模块和控制模块两大部分。执行模块包含伺服电机及其配套驱动器、拉绳传感器用于栅指位置反馈、行程开关用于栅指安全连锁；控制模块采用分布式架构，包含上位机程序和下位机程序两大部分：上位机程序负责指令下发、状态监测和试验数据存储；下位机程序负责马赫数控制、数据采集和安全连锁。该系统基于栅指实现，可提升风洞流场马赫数控制精度。本发明专利技术方法中，马赫数控制律形式为前馈控制和变参数PID控制相结合，可有效减小马赫数控制迟滞和控制超调，相对于现存的栅指控制方案，该控制方案架构明晰可靠，马赫数控制线性度和精度更高。赫数控制线性度和精度更高。赫数控制线性度和精度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统及方法


[0001]本专利技术属于风洞试验领域，涉及风洞第二喉道控制，具体是一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统及方法。

技术介绍

[0002]风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并度量气流对实体的作用效果的实验设备，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。风洞根据驱动方式不同可分为连续式和暂冲式，其中暂冲式风洞利用高压气源驱动。图1给出了一种暂冲式风洞的总体布局，其核心包括气源、主调压阀、前室、喷管、试验段、扩散段、第二喉道和引射器。
[0003]风洞气流速度是风洞试验模拟的重要指标，一般以马赫数表征，其定义为气流流速与当地声速的比值，用Ma符号表示。马赫数越高，气流速度越快。常规的暂冲式风洞马赫数控制方法是：将第二喉道置于固定的预置开度，依靠主调压阀调节风洞主管道的气流流量来调节马赫数。为了提高马赫数控制精度，可进一步通过实时改变第二喉道开度来实时调节马赫数。目前，可用于马赫数控制的第二喉道分为栅指和调节片+中心体两种形式。其中，基于栅指的马赫数控制马赫数调节范围宽，调节速度快，且可对风洞下游的干扰进行隔离。栅指第二喉道控制的原理是：通过将左右(或上下)两个栅指机构伸入风洞喉道之中以改变风洞喉道通气面积，进而控制马赫数。文章“连续式跨声速风洞第二喉道设计技术研究”深入研究了栅指第二喉道的机械结构设计方案；文章“NF
‑
6风洞马赫数控制系统研制”提出通过压缩机转速控制、压缩机静叶角控制和栅指控制实现连续式风洞的马赫数精确控制；专利“一种高精度暂冲型引射式跨声速风洞流场控制结构”基于主排气阀和栅指通过修改被控参数提高了马赫数控制精度，但其利用的模型姿态前馈动态矩阵控制方法需要较准确的风洞气动参数；专利“引射驱动的闭环回流的暂冲式亚跨声速风洞流场控制方法”综合利用主调压阀、引射器、回流调节阀、排气截流阀和栅指实现了亚跨声速马赫数控制。
[0004]但上述现有技术中，未充分考虑以下问题：首先，由于栅指与试验段存在距离，栅指做动对于试验段马赫数的影响存在滞后性；其次，鉴于栅指控制具有非线性，需要风洞流场满足一定条件时才开始利用栅指进行流场马赫数控制，从而使得栅指位于调节线性区。上述问题限制了暂冲式风洞马赫数的进一步快速、精确控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统和方法，所述系统包括执行模块和控制模块，执行模块包含伺服电机及其配套驱动器、拉绳传感器用于栅指位置反馈、行程开关用于栅指安全连锁；控制模块包含上位机程序和下位机程序，上位机程序负责指令下发、状态监测和试验数据存储；下位机程序负责马赫数控制、数据采集和安全连锁，该系统基于栅指实现，可提升风洞流场马赫数控制精度；本专利技术方法中，马赫数控制律形式为前馈控制和变参数PID控制相结合，可有效减小马赫数控制迟
滞和控制超调，相对于现存的栅指控制方案，该方案架构明晰可靠，提高了第二喉道的马赫数控制线性度和控制精度。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统，包括执行模块和控制模块；
[0008]所述执行模块包括栅指，伺服电机及其配套驱动器，拉绳位移传感器和行程开关；
[0009]所述伺服电机及其配套驱动器用于接收下位机程序输出的控制指令，驱动栅指进行伸缩运动；
[0010]所述拉绳位移传感器用于获取栅指的位置信息，并输出至下位机程序；
[0011]所述行程开关对栅指机构的位移进行限位；
[0012]所述控制模块包含上位机和下位机；
[0013]所述下位机包括马赫数控制线程、数据采集线程和上位机控制线程；通过数据采集线程接收由拉绳位移传感器和风洞传感机构输入的栅指的位置信息和风洞状态信息，并输出至上位机；通过马赫数控制线程接收由上位机输入的试验参数，根据试验参数和风洞状态信息对栅指位移进行控制；通过上位机控制线程接收上位机输入的外部指令，并输出至执行机构或主调压阀；所述风洞状态信息包括流场状态信息和试验马赫数；
[0014]所述上位机用于接收外部指令和试验参数并下发控制指令至下位机；所述上位机接收由下位机输入的栅指位置信息和风洞状态信息，并进行储存和显示。
[0015]进一步的，下位机还包括安全连锁线程；所述试验参数包括限位阈值；
[0016]所述下位机通过安全连锁线程，根据限位阈值对栅指的位置信息进行判断，当栅指位置超过限位阈值时，向伺服电机及其配套驱动器输出急停控制指令，进而控制栅指急停。
[0017]进一步的，下位机的马赫数控制线程采用状态机架构，所述状态机架构包含以下状态：等待开车，参数初始化，手动调节，预置位置，闭环调节准备，闭环调节和关闭；
[0018]所述等待开车状态为初始状态；
[0019]所述下位机根据上位机下发的控制指令，由等待开车状态进入参数初始化状态，手动调节状态或预置位置状态；在参数初始化状态进行每次试验的参数初始化设置；在手动调节状态中控制栅指到达手动预设位置，进行开环控制或调试；在预置位置状态中控制栅指到达预置位置，所述预置位置根据由历史试验数据拟合后的多项式确定；
[0020]所述预置位置状态完成后进入闭环调节准备状态，闭环调节准备状态中满足闭环调节条件后进入闭环调节状态，所述闭环调节状态通过控制栅指位移对流场马赫数进行控制；
[0021]所述关闭状态中，控制栅指返回初始位置。
[0022]一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制方法，采用上述一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统实现，包括以下步骤：
[0023]S1上位机接收试验参数并发送至下位机；
[0024]S2伺服电机及其配套驱动器接收由下位机输入的控制指令，驱动栅指到达预置位置；所述预置位置根据由历史试验数据拟合后的多项式确定；
[0025]S3主调压阀接收下位机输入的控制指令，进行开启；
[0026]S4下位机实时接收由风洞传感机构输入的流场状态信息，并进行判断，直至判断
结果满足闭环调节条件；
[0027]S5下位机实时接收由风洞传感机构输入的马赫数，采用前馈控制和变参数PID控制相结合的方法得到栅指控制量，根据栅指控制量控制栅指位移，直至试验完成；
[0028]S6关闭主调压阀，并驱动栅指返回初始位置。
[0029]进一步的，步骤S2中，由历史试验数据拟合后的多项式为
[0030]式中，L是栅指预置位置，Ma是试验马赫数，n是多项式阶数，a
n
是拟合的多项式系数，Σ是求和符号。
[0031]进一步的，步骤S4中，满足闭环调节条件的标志为流场总压在连续n个控制周期内满足
[0032]且
[0033]式中，max、min分别代表最大值函数和最小值函数，p
0g
是试验给定总压，p
0i
是实测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统，其特征在于，包括执行模块和控制模块；所述执行模块包括栅指，伺服电机及其配套驱动器，拉绳位移传感器和行程开关；所述伺服电机及其配套驱动器用于接收下位机程序输出的控制指令，驱动栅指进行伸缩运动；所述拉绳位移传感器用于获取栅指的位置信息，并输出至下位机程序；所述行程开关对栅指机构的位移进行限位；所述控制模块包含上位机和下位机；所述下位机包括马赫数控制线程、数据采集线程和上位机控制线程；通过数据采集线程接收由拉绳位移传感器和风洞传感机构输入的栅指的位置信息和风洞状态信息，并输出至上位机；通过马赫数控制线程接收由上位机输入的试验参数，根据试验参数和风洞状态信息对栅指位移进行控制；通过上位机控制线程接收上位机输入的外部指令，并输出至执行机构或主调压阀；所述风洞状态信息包括流场状态信息和试验马赫数；所述上位机用于接收外部指令和试验参数并下发控制指令至下位机；所述上位机接收由下位机输入的栅指位置信息和风洞状态信息，并进行储存和显示。2.根据权利要求1所述的一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统，其特征在于，所述下位机还包括安全连锁线程；所述试验参数包括限位阈值；所述下位机通过安全连锁线程，根据限位阈值对栅指的位置信息进行判断，当栅指位置超过限位阈值时，向伺服电机及其配套驱动器输出急停控制指令，进而控制栅指急停。3.根据权利要求1所述的一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统，其特征在于，所述下位机的马赫数控制线程采用状态机架构，所述状态机架构包含以下状态：等待开车，参数初始化，手动调节，预置位置，闭环调节准备，闭环调节和关闭；所述等待开车状态为初始状态；所述下位机根据上位机下发的控制指令，由等待开车状态进入参数初始化状态，手动调节状态或预置位置状态；在参数初始化状态进行每次试验的参数初始化设置；在手动调节状态中控制栅指到达手动预设位置，进行开环控制或调试；在预置位置状态中控制栅指到达预置位置，所述预置位置根据由历史试验数据拟合后的多项式确定；所述预置位置状态完成后进入闭环调节准备状态，闭环调节准备状态中满足闭环调节条件后进入闭环调节状态，所述闭环调节状态通过控制栅指位移对流场马赫数进行控制；所述关闭状态中，控制栅指返回初始位置。4.一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
3任一项所述的用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统实现，包括以下步骤：S1上位机接收试验参数并发送至下位机；S2伺服电机及其配套驱动器接收由下位机输入的控制指令，驱动栅指到达预置位置；所述预置位置根据由历史试验数据拟合后的多项式确定；S3主调压阀接收下位机输入的控制指令，进行开启；S4下位机实时接收由风洞传感机构输入的流场状态信息，并进行判断，直至判断结果满足闭环调节条件；S5下位机实时接收由风洞传感机构输入的马赫数，采用前馈控制和变参数PID控制相结合的方法得到栅指控制量，根据栅指控制量控制栅指位移，直至试验完成；
S6关闭主调压阀，并驱动栅指返回初始位置。5.根据权利要求4所述的一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，由历史试验数据拟合后的多项式为式中，L是栅指预置位置，Ma是试验马赫数，n是多项式阶数，a...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵煊，祝令谱，张江，魏忠武，吴军飞，董金刚，李广良，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：