2m_2m超声速风洞流场控制策略研究与实现_褚卫华

ｍ×２ ｍ 超声 速 风 洞 控制 存 在 以 下 特 点 ： ２ ）风 洞 稳 定 段 容 积 较 大 ， 主 调 压 阀 与 总 压 控制 １ （ 反 馈 检 测点 之 间 距 离 较 远 ， 总 压 控制 存 在 较 大的 滞 后 性；
）在高 马赫 数 试 验工 况 下 ， 挠性喷管型面喉道 ２ （ ， 很窄 风洞启动压力 与 工 作 压 力 差 值 较 大， 很大的稳 定 段 容 积导 致 产生 风 洞 快 速 启 动 和 流 场 快 速 稳 定 矛 盾；
＋ Ｖ ２ ３ ５． ２ １ ３ 文献标识码 ：Ａ 中图分类号 ：
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｇ ｔ ｈ ｅ ２ ｍ×２ ｍｓ ｕ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｐ
流场 参 数控制 的 核 心 ， 不 仅 要 求 控 制 计 算 机 可 靠、 快 速、 具 有较 强 的 模拟 量 和 浮 点 数 处 理 能 力 ， 而且还要 求 控制 计 算 机 实 时 处 理能力 很强 。 因 此 ， 核 心 控制 部 分 选 用了 美国 Ｎ Ｉ公 司 生 产 的 Ｒ Ｔ 系列 Ｐ Ｘ Ｉ嵌 入 式 并 选 用与 之 配 套 的 Ｒ 控制器 ， Ｔ 实 时 操 作系统 。 为 了 保 证控制 精 度 ， 稳 定 段 总 压 选 用 了 ０． ０ ５％Ｆ． Ｓ高精 度的 压 力 传 感 器， 集 气 室 压 力 传 感 器 精 度 是 ０． １％ 压力传感器输出方式为大 Ｆ． Ｓ。 为 了 减少 系统 干 扰 ， 经 隔 离 滤 波 后 上 送 控制 计 算 机 。 电流 信 号 ，
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２ 风洞 控制 策略
根据 超声 速 风 洞 试 验 过 程 中 主 调 压 阀 部 分 与 引 射 器 调 压 部 分 工作 配 合 方 式 ， 风 洞 运 行 分 为 下 吹 式、 引射式和引射下吹 式 ３ 种 类 型。 在 下 吹 式 运 行 方 式 中， 风 洞 启 动和流场 控 制 由 主 调 压 阀 单 独 完 成 ； 在引 射 式 运行方 式 中 ， 引射器调压部分和主调压阀部分同 时 工作 ， 完成风洞降 速 压 试 验； 在引射下吹式运行方 式中， 引射 器 辅 助 主 调 压 阀 部 分 完 成 风 洞 启 动 后 关 闭， 目的是降低风洞 流 场 建 立 的 启 动 压 力， 然后由主 调 压 阀 控制 部 分 单 独 完 成 稳 定 段 总 压 控 制 。 为 实 现 风洞快速启动， 并 在 启 动 后 很 快 完 成 满足 精 度要 求 的 目标工 作 压 力 调 节， 在 试 验 过 程 中， ３种运行方式都 采 用了 “ 快 速 启 动 ＋ 智 能 控制 ” 的 策 略 。 为 了提高 试 验效率和 控制 精 度 ， 不同的 风 洞 运行 类 型 采 用了不同 风 洞 各 运行方 式 总 压 智 的 启 动方 式 。 但 流场建 立 后 ， 能 控制 策 略 基 本 相 同 。 ２． １ 风洞 快 速 启 动控制 稳定段 风 洞 启 动 控制 部 分是由 气 源 压 力 传 感 器 、 总压传感器、 引 射 器 压 力 传 感 器 和 主 调 压 阀 位置传 感 器、 引 射 器 位置传 感 器以 及 核 心 控制器 构 成 的 闭 环 控 具 体 控制 构 成 见 图 ３。 制 系统 ，
图 １ 下 吹 式 超声 速 风 洞 气 动 布 局 图 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｈ ｅ ａ ｅ ｒ ｏ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｏ ｗ ｎ ｂ ｌ ｏ ｗ ｉ ｎ ｓ ｕ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ － ｇ ｙ ｇ ｇ ｐ
风 前通过 预 置 挠 性 喷 管 各 执 行 机 构 位 置 形 成 与 理 论 气 动 型 面 相 吻 合的 挠 性 板 弯曲 形 状 ， 在 试 验 过 程中 通 过主 调 压 阀 控制 稳 定 段 总 压 。 在 某 些 试 验 工 况 下 需 要启动引射器， 通过 引 射 调 压 阀 控制 引 射 器集 气 室 总 压来降低背压， 从而 减 小 启 动 压 力 或 降 压 运 行 ， 实现 风 洞 高 马赫 数 和 降 速 压 运行 。
６卷 第５期 第２
实 验 流 体 力 学 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ６， Ｎ ｏ ． ５ ， Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ ２ ｐ
０ 引 言
进气管 ｍ×２ ｍ 下 吹 引 射 式 超声 速 风 洞 由 气 源 、 ２ 路、 稳定 段、 收 缩 段、 喷 管 段、 试 验 段、 补 偿 段、 超声速 扩散 段 、 扩散 段 、 引 射 器、 亚 声 速 扩 散 段、 消声段和驱 动 装置构 成 ， 气 动 布 局 如 图 １。 风 洞 运 行 方 式 是 ： 吹
１ 风洞 控制系统
１． １ 风洞 控制系统 组 成 与控制要 求 ２ ｍ×２ ｍ 超声 速 风 洞 流场建 在 风 洞 试 验 过 程中 ， 立 和 控制主要通过 总 压 控 制 和 引 射 器 集 气 室 压 力 控 制来 实 现 。 总 压 控制 部 分主要由主 调 压 阀 、 旁路阀和 稳定段总压、 主调压阀后压力、 气源压力传感器构成， 主 调 压 阀 采 用液 压 伺 服 油 缸 驱 动 ， 控制 原 理 是 选 用高 精度压力 传 感 器 采 集 稳 定 段 总 压， 控制器采用智能 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 算法 产 生 控 制 信 号 ，控 制 电 液 伺 服 油 缸 推 动主调压阀芯运 动 速 度 和 位 置 完 成 总 压 调 节。 引 射 集 气 室 压 力、 引射 压 力 控制 部 分主要 由 引 射 调 压 阀 、 气源压力传感器 构 成。 引 射 器 调 压 阀 同 样 采 用 液 压 驱动， 将集气室压力 作 为 反 馈 信 号， 经引射压力控制 控制 原 理 器 产生 引 射 器 调 压 阀 速 度 和 位置 控制 信 号 ， 与 总 压 控制相 同 。 除 正 常 关 车 方 式 外， 为了消 在 风 洞 试 验 过 程 中 ， 引入了引 除关车气流对稳定段烧结丝网造成的冲击， 射关 车 方 式 。 稳定段总压ｐ 风 洞 试 验 对 流 场 的 控 制 要 求 是 ： ０ 控制 精 度为 ０． 稳定段 ２％Ｆ． Ｓ； Ｍ ａ 数 为： １． ５～４． ０； ； 工作 总 压 范围 ： 所要求的试 １． ０×１ ０ ～１ ２． ０×１ ０Ｐ ａ
０ １ ２年１ ０月 ２
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ９ ８ ９ ７ ２ ０ １ ２ ０ ５ ０ ０ ９ ８ ０ ５ － － －
２ ｍ×２ ｍ 超声 速风洞 流 场 控制 策略 研究与实 现
褚卫 华 ，汤更生 ，王 帆
（ ） 中 国 空 气 动力研究与 发展 中 心 ，四川 绵阳 ６ ２ １ ０ ０ ０ 总压控制具有非线性、 时变、 大滞后特性， 引射器和主 ２ ｍ×２ ｍ 超声 速 风 洞 是 一 座 大 型 引 射 下 吹 式 风 洞 ， 摘要 ： 调 压 阀 同 时 运行 时 存 在一 定 的耦合 特性 。 为 了 满足 风 洞 试 验 对 总 压 控制 精 度 和 收 敛 速 度 的 要 求 ， 对不同马赫数试 验条件下， 风 洞 流场 启 动和 串 级 智 能 稳 定控制 策 略 进行了 深 入 研究 ， 并 在 调试 过 程 中 对 控 制 方 法 进 行 了 验 证 ， 控制 结果 达 到 风 洞 指标 要 求 。 串 级 控制 ； 风洞； 流场 ； 总压； 控制 策 略 关键词 ：
； 收稿日期 ： 修订日期 ： ２ ０ １ １ ０ ７ １ １ ２ ０ １ １ １ １ ２ １ － － － －
２ ｍ×２ ｍ 超声 速 风 洞 流场 控制 策 略 研究与实 现 第 ６ 期 褚 卫 华 等 ：
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）在 引 射 启 动方 式 下 ， 主调压阀与引射调压阀 ３ （ ， 同 时 工作 主 调 压 阀 与 引 射 调 压 阀 控 制 部 分 相 互 干 扰， 产生耦合 ； ）风 洞 试 验 马赫 数 范围 较 宽 ， 引射器与主调压 ４ （ 阀 运行 组 合方 式 多 样 ， 启 动方 式 与运行 控制 复 杂 。
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（ ，Ｍ ） Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ａ ｅ ｒ ｏ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｃ 来自百度文库 ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｎ ａ ｎ Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ ２ １ ０ ０ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ６ ｙ ｐ ｙ ｇ ： ， ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ２ ｍ×２ ｍｓ ｕ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｓ ａ ｌ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｂ ｌ ｏ ｗ ｄ ｏ ｗ ｎ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ Ａ ｐ ｇ ｊ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｈ ａ ｓ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｔ ｉ ｍ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｕ － － ｙ ｇ ｇ ｙ ｌ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｔ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｌ ｗ ａ ｓ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｇ ｐ ｙ ｊ ｙ ｙ ｔ ｅ ｓ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ． Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｓ ａ ｔ ｉ ｓ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｔ ｈ ａ ｔ ｍ ｕ ｓ ｔ ｂ ｅ ｏ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙ ｆ ｙ ｊ ｑ ， ｕ ｉ ｃ ｋ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｈ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｄ ｅ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ － ｑ ｐ ｇ ｙ ｔ ｇ ｙ ｐ ｙ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ａ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ． ｐ ｐ ｙ ｙ ： ； ； ； ； ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｔ ｏ ｔ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ｋ ｐ ｇ ｙ ｙ