2.4m 跨聲速風(fēng)洞連續(xù)變迎角試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

謝 艷，李 平，蔣 鴻，王瑞波，薛江平

( 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

0 引 言

目前，我國的高速風(fēng)洞多為暫沖式風(fēng)洞，因受風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間、流場調(diào)節(jié)能力、數(shù)據(jù)精細(xì)化處理等方面的限制只能采用階梯測力試驗(yàn)方式，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏，難以準(zhǔn)確描述氣動(dòng)試驗(yàn)曲線細(xì)節(jié)特征。而連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)技術(shù)可有效改善上述現(xiàn)象［1］。

連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)技術(shù)最初是在國外連續(xù)式風(fēng)洞發(fā)展起來的試驗(yàn)技術(shù)，它獲得的測力試驗(yàn)結(jié)果具有試驗(yàn)信息豐富、氣動(dòng)特性曲線光滑連續(xù)、操穩(wěn)特性評估精確度高、關(guān)鍵氣動(dòng)力參數(shù)判讀精準(zhǔn)等顯著優(yōu)點(diǎn)［2］。由于連續(xù)式風(fēng)洞和低速風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間長，模型迎角可以慢速運(yùn)動(dòng)，所以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變迎角試驗(yàn)有其先天優(yōu)勢，目前在國內(nèi)低速風(fēng)洞中已經(jīng)得到有效應(yīng)用［3-5］。在暫沖式高速風(fēng)洞中，因受風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間的限制，連續(xù)變迎角的迎角運(yùn)行速度要達(dá)到1°/s 左右，這樣就會產(chǎn)生如下幾個(gè)關(guān)鍵性的問題：(1) 模型運(yùn)動(dòng)對流場的擾動(dòng)大，流場快速精確補(bǔ)償難； ( 2) 試驗(yàn)信號中高頻成分增加，與干擾信號的頻率界線模糊，數(shù)據(jù)降噪處理困難；(3) 信號間微小的不同步會隨迎角運(yùn)行速度的增加而加劇影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)度。

為充分發(fā)揮2.4m 跨聲速風(fēng)洞的優(yōu)勢，開展了大型暫沖式跨聲速風(fēng)洞連續(xù)變迎角試驗(yàn)技術(shù)研究，較好解決了上述的幾個(gè)關(guān)鍵性難題，建立了2.4m 跨聲速風(fēng)洞連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)技術(shù)。下面詳細(xì)介紹針對這幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究。

1 風(fēng)洞流場的快速跟隨補(bǔ)償

2.4m 跨聲速風(fēng)洞由于采用多變量控制策略，系統(tǒng)間解耦困難，階梯測力時(shí)，僅能滿足階梯采集時(shí)刻流場處于穩(wěn)定狀態(tài)的要求［6］。連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)時(shí)，由于迎角持續(xù)運(yùn)動(dòng)，不間斷地?cái)_動(dòng)流場，又要求流場必須時(shí)刻保持在穩(wěn)定狀態(tài)，所以原有控制系統(tǒng)就顯得能力不足，致使連續(xù)變迎角初次調(diào)試時(shí)，Ma 數(shù)超差0.011。因此對風(fēng)洞流場控制環(huán)路等進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)［7］，提高了連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)時(shí)Ma 數(shù)控制的精準(zhǔn)度。

1.1 總靜壓濾波器的優(yōu)化

風(fēng)洞總靜壓的實(shí)時(shí)精確測量是保證精準(zhǔn)控制Ma數(shù)的前提。為了保證總靜壓測量的精確可靠，通常會對總靜壓信號進(jìn)行低通濾波處理。濾波截止頻率過低，總靜壓信號會滯后失真，引起流場調(diào)節(jié)反應(yīng)遲鈍；濾波截止頻率過高，信號中會疊加高頻干擾信號，引起流場誤調(diào)節(jié)，反而擾亂流場。因此總靜壓濾波的最優(yōu)化是首先要解決的問題［8］。

通過多種測試和分析，選定2.4m 風(fēng)洞總靜壓最優(yōu)濾波截止頻率的區(qū)間為1Hz ～10Hz。同時(shí)考慮到風(fēng)洞控制參數(shù)的適應(yīng)性，優(yōu)化改進(jìn)是采取循序漸進(jìn)逐步靠近最優(yōu)濾波截止頻率的方法進(jìn)行的。即首先將總靜壓濾波截止頻率由最先的0.7Hz 改進(jìn)為1Hz，待風(fēng)洞控制參數(shù)適應(yīng)后，再逐步將1Hz 改為2Hz，2Hz改為3Hz。改進(jìn)前后的Ma 數(shù)對比見圖1。結(jié)果表明總靜壓濾波的優(yōu)化改進(jìn)明顯改善了控制系統(tǒng)對流場擾動(dòng)的控制能力。

圖1 濾波截止頻率優(yōu)化改進(jìn)的效果Fig.1 Effects of optimizing cutoff frequency of filter

1.2 柵指PID 參數(shù)優(yōu)化

2.4m 跨聲速風(fēng)洞總靜壓的控制是多個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)路完成，主要是總壓控制環(huán)路、柵指( 當(dāng)Ma 數(shù)≤0.9 時(shí)使用) 控制環(huán)路、駐室抽氣( 當(dāng)Ma 數(shù)＞0.9 時(shí)使用) 控制環(huán)路。

對風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可得知靜壓控制精度是影響Ma 數(shù)的關(guān)鍵性因素。另外，從靜壓與迎角相關(guān)分析中，可明顯看出模型迎角變化帶給靜壓的擾動(dòng)。因此采用進(jìn)一步優(yōu)化柵指PID 參數(shù)，強(qiáng)化PID 調(diào)節(jié)效果，加速M(fèi)a 數(shù)的收斂。圖2 顯示優(yōu)化PID 參數(shù)中的KI( 積分補(bǔ)償系數(shù)) 的效果。PID 調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化，加速了流場Ma 的收斂和穩(wěn)定。

圖2 柵指PID 中KI 優(yōu)化的效果Fig.2 Effects of optimizing KI parameter of PID for choke finger control

1.3 駐室抽氣系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償

2.4m 跨聲速風(fēng)洞在Ma 高于0.9 時(shí)采用駐室抽氣調(diào)節(jié)Ma 數(shù)，但是因2.4m 風(fēng)洞大駐室壓力的變化也需要時(shí)間，致使此環(huán)路的調(diào)節(jié)滯后較多，從而造成Ma 數(shù)的波動(dòng)較大。

采用在原駐室抽氣PID 調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加適量的前饋補(bǔ)償。具體做法是：當(dāng)檢測到Ma 數(shù)接近誤差帶的上下邊緣時(shí)，在駐室抽氣系統(tǒng)的反饋量中增加適量前饋補(bǔ)償，使駐室抽氣機(jī)構(gòu)提前快速運(yùn)動(dòng)，將Ma數(shù)拉回給定值。

圖3 駐室抽氣的前饋補(bǔ)償效果Fig. 3 Effects of feedforward compensation for air exhaust of plenum chamber

在駐室抽氣環(huán)路中增加的前饋補(bǔ)償，有效改善了駐室抽氣調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后的問題，保證了連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)Ma 數(shù)的快速精準(zhǔn)控制。

2 連續(xù)變迎角試驗(yàn)數(shù)據(jù)的濾波降噪處理

2.1 階梯、連續(xù)測力試驗(yàn)信號的頻譜分析

對于階梯測力試驗(yàn)方式，每個(gè)階梯穩(wěn)定時(shí)，流場、迎角均是穩(wěn)定的，此狀態(tài)下試驗(yàn)信號趨于恒定值，信號能量集中在0Hz 處，換句話說，就是非0Hz 處的信號都是干擾信號。因此，此狀態(tài)下濾波處理相對容易。對于連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)，流場穩(wěn)定后迎角持續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，并同步采集，此狀態(tài)下試驗(yàn)信號是一種漸變的信號，所以信號能量會根據(jù)迎角變化的快慢分布在一段較寬或者較窄的頻帶中。雖然信號的主要能量仍然集中在低頻段，但高頻段或多或少分布著有用信號。所以在高頻段，其少量的有用信號與干擾信號交織疊加在一起，導(dǎo)致連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的濾波降噪處理困難：一是濾波截止頻率的選取困難；二是在信號和干擾交織的頻段，濾波無法分辨信號和干擾［9］。

2.2 連續(xù)變迎角試驗(yàn)數(shù)據(jù)濾波降噪策略

針對連續(xù)變迎角試驗(yàn)信號頻譜分析的結(jié)果，制定下述的濾波降噪策略。第一步： 硬件濾波，采用較高頻率( f ≧6Hz) 的硬件濾波先對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；第二步：軟件濾波，通過可逆的軟件濾波精選出較佳的軟件濾波參數(shù)，用精選出的濾波參數(shù)對數(shù)據(jù)再進(jìn)行軟件濾波處理； 第三步，小波降噪，對殘留在高頻段的干擾信號進(jìn)行小波降噪處理。

采用此濾波降噪策略較好的解決了連續(xù)變迎角試驗(yàn)數(shù)據(jù)的濾波降噪問題。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步處理

3.1 數(shù)據(jù)不同步的影響分析

測力試驗(yàn)時(shí)，模型姿態(tài)角通常由角度傳感器測得，而氣動(dòng)力和力矩則由天平測量得到。由于角度傳感器和天平的響應(yīng)特性不同，所以信號之間存在小量(0 ～0.05s 左右) 的時(shí)序差。對于階梯測力，階梯穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)大于此時(shí)序差，因此對試驗(yàn)數(shù)據(jù)毫無影響。而迎角運(yùn)行速度較快的連續(xù)變迎角試驗(yàn)使信號之間時(shí)序差的影響凸顯出來，從而使得連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生迎角的平移現(xiàn)象。

3.2 不同步量的精確測量及同步修正

為精確求出信號之間的時(shí)序差，創(chuàng)新引用互相關(guān)函數(shù)解決此難題。

互相關(guān)函數(shù)的原理：假設(shè)兩個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號的時(shí)間歷程為x(t)、y(t)，則兩個(gè)信號的互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)為：

根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，假定x( t) 是系統(tǒng)的輸入信號，而y( t) 是系統(tǒng)的輸出信號，則互相關(guān)函數(shù)Rxy( τ) 最高峰處的τ 就是該系統(tǒng)的滯后時(shí)間［10-11］。

下面以天平升力元信號Y( t) 和模型迎角傳感器信號α( t) 為例具體說明此原理和方法。由氣動(dòng)知識可知Y( t) 是α( t) 的函數(shù)，且在小角度范圍內(nèi)Y( t) 近似是α( t) 的線性函數(shù)，可將α( t) 看作系統(tǒng)的輸入，而將Y( t) 看作系統(tǒng)的輸出，因此當(dāng)α 為最大值時(shí)，Y元也應(yīng)該為最大值； 當(dāng)α 為最小值時(shí)，Y 元也應(yīng)該為最小值。假如這兩個(gè)信號之間存在不同步，則Y 元的最大值就不會對應(yīng)α 的最大值。此時(shí)，利用互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)及特點(diǎn)，求互相關(guān)函數(shù)：

互相關(guān)函數(shù)RαY( τ) 最高峰處的τ，就是天平升力元Y( t) 對迎角α( t) 的精確延遲時(shí)差。以此類推計(jì)算出天平其它元和迎角傳感器之間的延遲時(shí)差。

在精確求出天平各元信號與迎角傳感器信號的延遲時(shí)差后，再以迎角傳感器信號的時(shí)序?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)時(shí)序，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序?qū)R修正，得到完全同步的原始數(shù)據(jù)。

應(yīng)用互相關(guān)函數(shù)，可精確計(jì)算出風(fēng)洞試驗(yàn)中各信號之間的時(shí)序差，并據(jù)此對數(shù)據(jù)進(jìn)行同步修正，從而保證了連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 標(biāo)模驗(yàn)證情況

解決了上述的關(guān)鍵問題后，在2.4m 跨聲速風(fēng)洞建立了連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)技術(shù)。并先后使用J7、Ty-154 等多個(gè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如下：

(1) 連續(xù)變迎角試驗(yàn)，Ma 數(shù)控制的精準(zhǔn)度達(dá)到了±0.002( M=0.3 ～0.9) ( 見圖4) ；

(2) 連續(xù)變迎角試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)度與階梯測力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)度相當(dāng)，連續(xù)與階梯氣動(dòng)系數(shù)差量已進(jìn)入測量的正常誤差帶范圍( 見圖5) 。具體的差量為： 縱向：|ΔCL|≤0.003，|ΔCm|≤0.0002 和|ΔCD|≤0.0003；橫向：|ΔCY|≤0.0003，|ΔCl|≤0.0001 和|ΔCn|≤0.0002；

( 3) 連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度在迎角±4°范圍內(nèi)與階梯測力的精度相當(dāng)，而在迎角4° ～20°范圍，連續(xù)變迎角試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度優(yōu)于階梯測力試驗(yàn)的精度( 見圖6) ；

(4) 模型的勻速運(yùn)動(dòng)可有效減小模型的振動(dòng)，從而提高數(shù)據(jù)的精度和試驗(yàn)的安全性；

(5) 連續(xù)變迎角測力比階梯測力節(jié)約約16%的風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間。

圖4 連續(xù)變迎角試驗(yàn)Ma 數(shù)精準(zhǔn)度情況Fig.4 Accuracy of Ma for continuous sweeping test

圖5 連續(xù)變迎角數(shù)據(jù)與階梯數(shù)據(jù)對比情況Fig.5 Accuracy comparison of continuous pitch-pause( step) test

圖6 連續(xù)變迎角數(shù)據(jù)與階梯數(shù)據(jù)的精度比較情況Fig.6 Precision comparison of continuous pitch-pause( step) test

5 結(jié) 論

以2.4m 跨聲速風(fēng)洞為研究平臺，解決了實(shí)現(xiàn)連續(xù)變迎角試驗(yàn)技術(shù)中的Ma 數(shù)快速跟隨、數(shù)據(jù)降噪處理、信號精確同步等幾個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題，建立了工程實(shí)用的暫沖式高速風(fēng)洞的連續(xù)變迎角測力試驗(yàn)技術(shù)，既提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)質(zhì)量，又提高了試驗(yàn)的效率和安全性。

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