[发明专利]一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于风洞试验领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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；本发明方法中，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。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

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；

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；