2 m超聲速風(fēng)洞流場變速壓控制方法研究

周 波, 高 川, 楊 洋

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著先進高速飛行器研制的深入發(fā)展，超聲速顫振問題已經(jīng)成為飛行器設(shè)計人員最為關(guān)注的重點之一，它對飛行器的氣動性能與飛行安全有著重要影響，而風(fēng)洞試驗則是研究此類問題最經(jīng)濟、最行之有效的手段，其技術(shù)基礎(chǔ)之一就是流場變速壓控制[1-4]。

目前，世界上具備超聲速顫振試驗?zāi)芰Φ娘L(fēng)洞除蘭利研究中心的9 in×18 in暫沖式超聲速風(fēng)洞外，均為連續(xù)式風(fēng)洞，如美國阿諾德工程發(fā)展中心的1.8 m連續(xù)式風(fēng)洞、4T連續(xù)式風(fēng)洞等，這類風(fēng)洞開展變速壓試驗主要通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)速壓的變化[5-7]，由于其試驗時間基本不受限制，因此對總壓上升速率要求低，可以通過較長時間調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速，速壓超調(diào)量極小甚至沒有超調(diào)。國內(nèi)除中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)的FL-26風(fēng)洞(2.4 m×2.4 m)通過PID方法控制主調(diào)壓閥和主排氣閥，從而調(diào)節(jié)總壓，再通過運動規(guī)律法和智能分段變PI的方法控制馬赫數(shù)以實現(xiàn)跨聲速速域范圍內(nèi)的流場變速壓外[8]，其余具備變速壓試驗?zāi)芰Φ母咚亠L(fēng)洞均為1 m量級暫沖式風(fēng)洞，如CARDC的FL-23風(fēng)洞(0.6 m×0.6 m)、西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所CG-01風(fēng)洞(0.6 m×0.6 m)、中國航天空氣動力技術(shù)研究院(CASC)的FD-06風(fēng)洞(0.6 m×0.6 m)和 FD-07風(fēng)洞(Φ0.5 m)等[3,9-10]。暫沖式風(fēng)洞依靠壓縮空氣來驅(qū)動和運行，開展變速壓試驗受氣源壓力影響，需要在有限時間內(nèi)完成整個試驗過程，給控制策略設(shè)計帶來較大困難，并且1 m量級風(fēng)洞試驗段尺寸偏小，為設(shè)計滿足動力相似條件要求的彈性模型帶來較大困難，試驗?zāi)M能力受限。

CARDC的2 m超聲速風(fēng)洞試驗速域廣，速壓范圍寬，流場品質(zhì)優(yōu)異，作為國內(nèi)試驗段尺寸最大的超聲速風(fēng)洞，其試驗?zāi)Ｐ涂梢栽O(shè)計得更大，能更準確地模擬真實飛行器的氣動外形、質(zhì)量分布、剛度分布，因此具有開展顫振試驗的獨特優(yōu)勢。針對該風(fēng)洞常規(guī)運行方式一次試驗只能模擬一個速壓，不具備階梯/連續(xù)變速壓試驗?zāi)芰Φ膯栴}，開展了流場變速壓控制方法研究，設(shè)計壓力分組、誤差分段的總壓穩(wěn)定控制方案，滿足了寬范圍多階梯總壓精確控制要求；提出一種基于風(fēng)洞主調(diào)壓閥特性曲線的總壓上升控制方法，實現(xiàn)了總壓變化速率可調(diào)的目標。通過風(fēng)洞試驗，驗證了總壓控制精度、總壓變化速率、速壓超調(diào)量等相關(guān)技術(shù)指標，在2 m超聲速風(fēng)洞實現(xiàn)了變速壓試驗?zāi)芰Α?/p>

1 試驗設(shè)備與變速壓試驗原理

1.1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)組成

2 m超聲速風(fēng)洞是一座直流引射下吹暫沖式風(fēng)洞，主要由穩(wěn)定段、噴管段、試驗段、超擴段、閥門系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)洞流場的建立和控制主要是通過在試驗前預(yù)置撓性噴管各執(zhí)行機構(gòu)位置，形成與理論氣動型面相吻合的撓性板彎曲形狀，然后在試驗時采用主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓來實現(xiàn)[11]。

1.2 風(fēng)洞變速壓試驗原理

風(fēng)洞速壓計算公式如下式所示：

(1)

式中，q表示速壓；p0表示風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓；Ma表示馬赫數(shù)[12]。

圖1 2 m超聲速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)輪廓圖

由式(1)可知，在馬赫數(shù)一定的情況下，風(fēng)洞速壓與穩(wěn)定段總壓成正比，即可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓來改變速壓。

風(fēng)洞變速壓試驗流程如圖2所示，主要包括總壓穩(wěn)定控制和總壓上升控制2個部分。試驗開始后，首先將總壓控制在第一個總壓階梯，穩(wěn)定數(shù)秒后，再按照設(shè)定速率上升到第二個階梯，如此循環(huán)，直至完成所有總壓階梯后關(guān)車。

圖2 變速壓試驗流程

2 m超聲速風(fēng)洞運行總壓范圍寬，降速壓時可低至常壓的35%，增壓時可達常壓的近3倍。常壓試驗時，主調(diào)壓閥閥芯的運動區(qū)域主要集中在最大位移的40%～70%，閥門在此區(qū)域具有較高的靈敏度和較好的氣流動態(tài)品質(zhì)[13]。變速壓試驗時，總壓跨度可從降速壓到常壓再到增壓，超出了主調(diào)壓閥常用區(qū)域。在常用區(qū)域以外，如果采用相同控制策略和控制參數(shù)則閥門調(diào)節(jié)能力發(fā)生較大變化，給寬范圍總壓多階梯穩(wěn)定控制帶來困難。

總壓上升過程中，針對總壓階梯之間跨度大小，需要采用不同的總壓上升速率，以保證在有限的氣源壓力條件下完成整個試驗過程。不同上升速率控制特性不同，而速壓超調(diào)量與總壓上升速率呈正相關(guān)關(guān)系，如果采用常用的風(fēng)洞壓力控制方法[14-17]，則控制參數(shù)整定困難，調(diào)試車次多，調(diào)試運行效費比低，需要優(yōu)化控制方法完成多階梯總壓試驗任務(wù)，并降低調(diào)試和運行成本。

2 控制策略

2.1 寬范圍多階梯總壓穩(wěn)定控制策略

風(fēng)洞常規(guī)總壓控制采用了內(nèi)環(huán)為主調(diào)壓閥閥門位置、外環(huán)為總壓的串級控制結(jié)構(gòu)，很好地解決了系統(tǒng)非線性、時變、大滯后的問題。這種控制方法具有抗干擾、改善過程的動態(tài)特性和提高系統(tǒng)工作頻率的特點，并且總壓控制精度高[18-19]。為滿足變速壓試驗寬范圍多階梯總壓穩(wěn)定控制要求，在該控制方法的基礎(chǔ)上進行改進，改進后的總壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 改進后的總壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

改進后的控制結(jié)構(gòu)將總壓控制器升級為可根據(jù)不同的目標壓力值以及總壓誤差大小選用不同控制參數(shù)的調(diào)節(jié)器，即采用總壓分組、誤差分段的方法。

總壓分組是將多個階梯的總壓按照一定規(guī)則分成3組，即分為低速壓、常速壓和增速壓3組，每組采用不同的PID參數(shù)進行穩(wěn)定控制，從而達到適應(yīng)閥門調(diào)節(jié)能力變化的目的。

總壓按照下式進行分組：

(2)

式中，KPID、K1PID、K2PID、K3PID表示一組PID參數(shù)；pm表示當前目標總壓；p1，p2表示預(yù)設(shè)的總壓閾值，且p1

在每一組PID控制中，根據(jù)目標總壓和實際總壓的差值進行誤差分段控制，從而提高總壓穩(wěn)定控制精度。分段方法如式(3)和(4)所示。

(3)

(4)

式中，E1，E2分別表示總壓誤差，Kpi，Kii(i=1,2,3)分別表示比例系數(shù)和積分系數(shù)，perr表示目標總壓與實際總壓的差值。

在進行PID參數(shù)整定時，各組總壓穩(wěn)定控制互不相關(guān)，可以單獨進行整定。由于變速壓時各組穩(wěn)定控制方法與常規(guī)壓力穩(wěn)定控制方法相同，因此風(fēng)洞常速壓組的參數(shù)可以直接應(yīng)用，不需要單獨整定；降速壓組和增壓組的控制參數(shù)可以參考以往單一速壓的降速壓或增壓吹風(fēng)車次的控制參數(shù)，大大減少了調(diào)試車次，節(jié)省了調(diào)試時間和調(diào)試經(jīng)費。通過總壓分組的方法，每組采用不同的PID參數(shù)，使得主調(diào)壓閥能適應(yīng)不同總壓穩(wěn)定控制要求，解決了寬范圍多階梯總壓穩(wěn)定控制時主調(diào)壓閥使用區(qū)間超過常用區(qū)域帶來的調(diào)節(jié)特性不一致的問題，取得了滿意的效果。

2.2 總壓上升控制策略

2 m超聲速風(fēng)洞主調(diào)壓閥是環(huán)狀縫隙式調(diào)壓閥，它可以獲得線性或近似線性的調(diào)壓特性[13]，主調(diào)壓 閥位移與馬赫數(shù)、穩(wěn)定段總壓和氣源壓力之間的關(guān)系如下:

S=f(Ma,ps,p0)

(5)

式中，S表示主調(diào)壓閥位移，ps表示氣源壓力。

在馬赫數(shù)確定的條件下，主調(diào)壓閥位移是氣源壓力和穩(wěn)定段總壓的函數(shù)，而氣源壓力可以實時采集獲取，因此可以得到式(6)：

S=g(p0)

(6)

即主調(diào)壓閥位移與穩(wěn)定段總壓之間存在函數(shù)關(guān)系。

經(jīng)過理論計算和實際試驗數(shù)據(jù)修正后，得到典型馬赫數(shù)的閥門特性曲線如圖4所示。圖中，橫坐標壓比(p0/ps)是穩(wěn)定段總壓與氣源壓力之比；縱坐標主調(diào)開度比γ是主調(diào)開度與最大開度之比(S/Smax)。

圖4 典型馬赫數(shù)主調(diào)壓閥特性曲線

Fig.4CharacteristiccurvesofmainpressurevalveoftypicalMachnumbers

如果以速率Vp線性改變目標總壓，即

pm=pstep+Vp×Δt

(7)

式中，pm表示當前時間目標總壓值，pstep表示上一個階梯總壓值，Δt表示從目標總壓開始變化時起算的時間增量。根據(jù)式(6)和(7)，可以得到:

S=g(h(Vp))

(8)

即根據(jù)總壓上升速率要求調(diào)節(jié)主調(diào)壓閥位置，可以得到相應(yīng)的穩(wěn)定段總壓。采用這種方法，只需要指定總壓上升速率，線性改變目標總壓，然后根據(jù)公式計算主調(diào)壓閥位置，再調(diào)節(jié)閥門位置即可得到目標總壓，避免了控制參數(shù)的整定過程，顯著減少了調(diào)試車次。

當目標總壓變化到下一個總壓階梯值后，由于風(fēng)洞總壓控制系統(tǒng)的滯后性[19]，實際總壓滯后于目標值，此時目標總壓不變，氣源壓力下降，根據(jù)主調(diào)壓閥閥門特性曲線計算出的主調(diào)壓閥位置緩慢增加，總壓上升減緩，待穩(wěn)定段總壓進入設(shè)置的閾值范圍內(nèi)再開始進行總壓穩(wěn)定控制，這樣就保證了在總壓目標值附近閉環(huán)調(diào)節(jié)，有助于減小總壓超調(diào)量。

3 調(diào)試試驗與結(jié)果分析

采用總壓分組、誤差分段控制方法進行總壓穩(wěn)定控制，以及基于主調(diào)閥門特性曲線的總壓上升控制，很好地解決了寬范圍總壓穩(wěn)定控制及總壓上升速率任意可調(diào)的問題。圖5(a)是Ma=1.8，目標總壓階梯值分別為110、140、170和200 kPa的總壓控制曲線。圖5(b)是Ma=2.0，目標總壓階梯值分別為83、120和180 kPa的總壓控制曲線。圖5(c)是Ma=3.0，目標總壓階梯值分別為280、330、360和380 kPa總壓控制曲線。

(a) Ma=1.8總壓曲線

(b) Ma=2.0總壓曲線

(c) Ma=3.0總壓曲線

從圖5可以看出，各馬赫數(shù)均實現(xiàn)了變速壓控制，并且一次試驗可以完成多個總壓階梯的穩(wěn)定控制。在第一個總壓階梯穩(wěn)定前，此時模型位于駐室內(nèi)，不會受到?jīng)_擊載荷的影響，因此采用快速建立流場的策略，不需要考慮超調(diào)量對模型的影響。經(jīng)過式(1)計算，首階梯總壓穩(wěn)定后，各馬赫數(shù)的速壓超調(diào)量均小于0.5 kPa。

圖6為Ma=3.0，不同總壓階梯穩(wěn)定時的總壓曲線?？梢钥闯觯斂倝弘A梯值分別為280、330和380 kPa時，總壓階梯之間跨度達100 kPa，穩(wěn)定控制精度均在±0.3%以內(nèi)。

(a) p0=280 kPa總壓穩(wěn)定控制曲線

(b) p0=330 kPa總壓穩(wěn)定控制曲線

(c) p0=380 kPa總壓穩(wěn)定控制曲線

以Ma=3.0為例，設(shè)定不同總壓上升速率時的總壓曲線如圖7(a)所示；相應(yīng)的氣源壓力曲線見圖7(b)。圖7(a)中，紅色曲線表示總壓從303～373 kPa，總壓跨度70 kPa，5個階梯，每個階梯穩(wěn)定5 s，上升速率為5 kPa/s；藍色曲線表示總壓從240～280 kPa，總壓跨度40 kPa，4個階梯，每個階梯穩(wěn)定5 s，上升速率為2 kPa/s?？梢钥闯觯煌倝荷仙俾蕰r，總壓能按照設(shè)定速率平穩(wěn)上升，調(diào)節(jié)效率高；紅色曲線總壓跨度大，且階梯數(shù)多，但2次試驗耗時相當，耗氣量相當，說明采用較大的總壓上升速率節(jié)約了試驗時間和耗氣量。

圖8是某模型Ma=2.5顫振試驗時的加速度與總壓曲線。曲線1～3表示模型不同方向的加速度；曲線4表示穩(wěn)定段總壓；曲線5表示總壓階梯穩(wěn)定指示，高電平表示階梯穩(wěn)定；曲線6表示關(guān)車指示，高電平表示關(guān)車。從圖中可以看出，在第4個總壓階梯向第5個階梯爬升時，模型振動加大，發(fā)生顫振現(xiàn)象，獲得了該模型狀態(tài)下Ma=2.5時的顫振特性。

(a) 不同總壓上升速率時的總壓曲線

(b) 不同總壓上升速率時的氣源壓力曲線

圖8 某模型顫振試驗曲線

4 結(jié) 論

本文有以下幾點結(jié)論：

(1) 采用總壓分組、誤差分段的控制方法進行寬范圍多階梯總壓穩(wěn)定控制，解決了變速壓時主調(diào)壓閥超過常用區(qū)域?qū)е碌恼{(diào)節(jié)能力發(fā)生變化的難題，并且控制精度在0.3%以內(nèi)；

(2) 采用基于主調(diào)壓閥閥門特性曲線的方法進行總壓上升控制，總壓變化速率可調(diào)，總壓上升平穩(wěn)，速壓超調(diào)量小于0.5 kPa；

(3) 總壓穩(wěn)定控制階段和總壓上升控制階段采用不同的控制方法，過程相對獨立，互不影響，方便控制參數(shù)的整定，節(jié)省了大量調(diào)試時間和調(diào)試經(jīng)費。

2 m超聲速風(fēng)洞流場變速壓控制方法研究成果已應(yīng)用于多個型號試驗，獲得了滿意的試驗數(shù)據(jù)，為飛行器設(shè)計提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。