2m×2m超聲速風(fēng)洞流場控制策略研究與實(shí)現(xiàn)

褚衛(wèi)華，湯更生，王 帆

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

2m×2m超聲速風(fēng)洞流場控制策略研究與實(shí)現(xiàn)

褚衛(wèi)華，湯更生，王 帆

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

2m×2m超聲速風(fēng)洞是一座大型引射下吹式風(fēng)洞，總壓控制具有非線性、時變、大滯后特性，引射器和主調(diào)壓閥同時運(yùn)行時存在一定的耦合特性。為了滿足風(fēng)洞試驗對總壓控制精度和收斂速度的要求，對不同馬赫數(shù)試驗條件下，風(fēng)洞流場啟動和串級智能穩(wěn)定控制策略進(jìn)行了深入研究，并在調(diào)試過程中對控制方法進(jìn)行了驗證，控制結(jié)果達(dá)到風(fēng)洞指標(biāo)要求。

串級控制；風(fēng)洞；流場；總壓；控制策略

0 引 言

2m×2m下吹引射式超聲速風(fēng)洞由氣源、進(jìn)氣管路、穩(wěn)定段、收縮段、噴管段、試驗段、補(bǔ)償段、超聲速擴(kuò)散段、擴(kuò)散段、引射器、亞聲速擴(kuò)散段、消聲段和驅(qū)動裝置構(gòu)成，氣動布局如圖1。風(fēng)洞運(yùn)行方式是：吹風(fēng)前通過預(yù)置撓性噴管各執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置形成與理論氣動型面相吻合的撓性板彎曲形狀，在試驗過程中通過主調(diào)壓閥控制穩(wěn)定段總壓。在某些試驗工況下需要啟動引射器，通過引射調(diào)壓閥控制引射器集氣室總壓來降低背壓，從而減小啟動壓力或降壓運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞高馬赫數(shù)和降速壓運(yùn)行。

圖1 下吹式超聲速風(fēng)洞氣動布局圖Fig.1 The aerodynamic configuration of the down－blowing supersonic wind tunnel

2m×2m超聲速風(fēng)洞控制存在以下特點(diǎn)：

（1）風(fēng)洞穩(wěn)定段容積較大，主調(diào)壓閥與總壓控制反饋檢測點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn)，總壓控制存在較大的滯后性；

（2）在高馬赫數(shù)試驗工況下，撓性噴管型面喉道很窄，風(fēng)洞啟動壓力與工作壓力差值較大，很大的穩(wěn)定段容積導(dǎo)致產(chǎn)生風(fēng)洞快速啟動和流場快速穩(wěn)定矛盾；

（3）在引射啟動方式下，主調(diào)壓閥與引射調(diào)壓閥同時工作，主調(diào)壓閥與引射調(diào)壓閥控制部分相互干擾，產(chǎn)生耦合；

（4）風(fēng)洞試驗馬赫數(shù)范圍較寬，引射器與主調(diào)壓閥運(yùn)行組合方式多樣，啟動方式與運(yùn)行控制復(fù)雜。

1 風(fēng)洞控制系統(tǒng)

1.1 風(fēng)洞控制系統(tǒng)組成與控制要求

在風(fēng)洞試驗過程中，2m×2m超聲速風(fēng)洞流場建立和控制主要通過總壓控制和引射器集氣室壓力控制來實(shí)現(xiàn)。總壓控制部分主要由主調(diào)壓閥、旁路閥和穩(wěn)定段總壓、主調(diào)壓閥后壓力、氣源壓力傳感器構(gòu)成，主調(diào)壓閥采用液壓伺服油缸驅(qū)動，控制原理是選用高精度壓力傳感器采集穩(wěn)定段總壓，控制器采用智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號，控制電液伺服油缸推動主調(diào)壓閥芯運(yùn)動速度和位置完成總壓調(diào)節(jié)。引射壓力控制部分主要由引射調(diào)壓閥、集氣室壓力、引射氣源壓力傳感器構(gòu)成。引射器調(diào)壓閥同樣采用液壓驅(qū)動，將集氣室壓力作為反饋信號，經(jīng)引射壓力控制器產(chǎn)生引射器調(diào)壓閥速度和位置控制信號，控制原理與總壓控制相同。

在風(fēng)洞試驗過程中，除正常關(guān)車方式外，為了消除關(guān)車氣流對穩(wěn)定段燒結(jié)絲網(wǎng)造成的沖擊，引入了引射關(guān)車方式。

風(fēng)洞試驗對流場的控制要求是：穩(wěn)定段總壓p0控制精度為0.2%F.S；Ma數(shù)為：1.5～4.0；穩(wěn)定段工作總壓范圍：1.0×105～12.0×105Pa；所要求的試驗工況為：定壓階梯變迎角；定迎角階梯變總壓。

1.2 控制系統(tǒng)硬件環(huán)境

風(fēng)洞控制為集散控制系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如圖2。風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓控制、引射器集氣室壓力控制是風(fēng)洞流場參數(shù)控制的核心，不僅要求控制計算機(jī)可靠、快速、具有較強(qiáng)的模擬量和浮點(diǎn)數(shù)處理能力，而且還要求控制計算機(jī)實(shí)時處理能力很強(qiáng)。因此，核心控制部分選用了美國NI公司生產(chǎn)的RT系列PXI嵌入式控制器，并選用與之配套的RT實(shí)時操作系統(tǒng)。為了保證控制精度，穩(wěn)定段總壓選用了0.05%F.S高精度的壓力傳感器，集氣室壓力傳感器精度是0.1%F.S。為了減少系統(tǒng)干擾，壓力傳感器輸出方式為大電流信號，經(jīng)隔離濾波后上送控制計算機(jī)。

圖2 下吹式風(fēng)洞控制系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The control system of the down－blowing supersonic wind tunnel

2 風(fēng)洞控制策略

根據(jù)超聲速風(fēng)洞試驗過程中主調(diào)壓閥部分與引射器調(diào)壓部分工作配合方式，風(fēng)洞運(yùn)行分為下吹式、引射式和引射下吹式3種類型。在下吹式運(yùn)行方式中，風(fēng)洞啟動和流場控制由主調(diào)壓閥單獨(dú)完成；在引射式運(yùn)行方式中，引射器調(diào)壓部分和主調(diào)壓閥部分同時工作，完成風(fēng)洞降速壓試驗；在引射下吹式運(yùn)行方式中，引射器輔助主調(diào)壓閥部分完成風(fēng)洞啟動后關(guān)閉，目的是降低風(fēng)洞流場建立的啟動壓力，然后由主調(diào)壓閥控制部分單獨(dú)完成穩(wěn)定段總壓控制。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞快速啟動，并在啟動后很快完成滿足精度要求的目標(biāo)工作壓力調(diào)節(jié)，在試驗過程中，3種運(yùn)行方式都采用了 “快速啟動＋智能控制”的策略。為了提高試驗效率和控制精度，不同的風(fēng)洞運(yùn)行類型采用了不同的啟動方式。但流場建立后，風(fēng)洞各運(yùn)行方式總壓智能控制策略基本相同。

2.1 風(fēng)洞快速啟動控制

風(fēng)洞啟動控制部分是由氣源壓力傳感器、穩(wěn)定段總壓傳感器、引射器壓力傳感器和主調(diào)壓閥位置傳感器、引射器位置傳感器以及核心控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，具體控制構(gòu)成見圖3。

圖3 風(fēng)洞啟動控制框圖Fig.3 The flow chart of wind tunnel start－up control

在下吹式試驗方式中，風(fēng)洞啟動過程是：在保證風(fēng)洞安全運(yùn)行的前提下，控制主調(diào)壓閥迅速打開到盡可能大的位置，快速完成穩(wěn)定段和風(fēng)洞管路填充，當(dāng)穩(wěn)定段總壓達(dá)到目標(biāo)啟動壓力后，風(fēng)洞流場建立，正激波從噴管段推到超擴(kuò)段后平直段，這時核心控制器根據(jù)當(dāng)前氣源壓力和主調(diào)壓閥閥門特性曲線計算出目標(biāo)工作壓力對應(yīng)主調(diào)壓閥位置預(yù)開度，并將主調(diào)壓閥迅速定位到相應(yīng)位置，控制穩(wěn)定段總壓很快下降到目標(biāo)工作壓力。在總壓調(diào)節(jié)過程中壓力不能偏離目標(biāo)工作壓力太遠(yuǎn)，以防激波返回試驗段，導(dǎo)致模型天平損壞。在不同試驗馬赫數(shù)區(qū)間中，撓性噴管喉道的尺寸差別很大，因此風(fēng)洞啟動控制流程會隨目標(biāo)馬赫數(shù)智能改變。當(dāng)試驗?zāi)繕?biāo)馬赫數(shù)較低（M＝1.5～2.25）時，噴管段喉道尺寸較大，試驗開始后，主調(diào)壓閥在核心控制器控制下快速開到啟動安全開度位置（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前氣源壓力下工作壓力對應(yīng)的主調(diào)壓閥目標(biāo)開度），迅速完成穩(wěn)定段和風(fēng)洞管路填充工作，穩(wěn)定段總壓達(dá)到目標(biāo)啟動壓力后，控制模塊檢測當(dāng)前氣源壓力，根據(jù)目標(biāo)壓比和閥門特性曲線，計算出目標(biāo)工作壓力主調(diào)壓閥目標(biāo)開度，然后控制主調(diào)壓閥開度到目標(biāo)位置，等待1s后，穩(wěn)定段壓力穩(wěn)定，穩(wěn)定段總壓迅速下降到工作壓力附近，系統(tǒng)開始進(jìn)入工作壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)階段；當(dāng)試驗?zāi)繕?biāo)馬赫數(shù)較大（M＝2.5～4.0）時，噴管段喉道尺寸較小，啟動壓力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)洞運(yùn)行工作壓力，采用相同的啟動方式，會導(dǎo)致從啟動壓力返回到目標(biāo)壓力時間很長，從而降低試驗效率，因此在穩(wěn)定段總壓達(dá)到啟動壓力后，增加了穩(wěn)定段快速降壓處理過程，具體試驗流程是：主調(diào)壓閥在核心控制器控制下快速開到啟動安全開度位置，迅速完成穩(wěn)定段和管路填充工作，當(dāng)穩(wěn)定段總壓達(dá)到目標(biāo)啟動壓力后，迅速將主調(diào)壓閥閥門關(guān)閉到很小位置，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定段迅速降壓，當(dāng)總壓到達(dá)目標(biāo)工作壓力附近后，啟動控制模塊檢測當(dāng)前氣源壓力，根據(jù)目標(biāo)壓比和閥門特性曲線，計算工作壓力主調(diào)壓閥目標(biāo)開度，然后控制主調(diào)壓閥到目標(biāo)位置，等待1s后，穩(wěn)定段壓力穩(wěn)定，穩(wěn)定段總壓迅速下降到工作壓力附近，系統(tǒng)開始進(jìn)入工作壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)階段。

在引射試驗和引射下吹式試驗方式中，風(fēng)洞的啟動依靠引射器輔助完成，穩(wěn)定段總壓不存在啟動壓力建立過程，但仍然需要快速完成穩(wěn)定段和管道迅速填充過程，并在適當(dāng)時機(jī)啟動引射器，完成流場建立過程。經(jīng)過試驗總結(jié)，這種方式下主調(diào)壓閥與引射器調(diào)壓閥配合過程是：開始試驗后，主調(diào)壓閥在核心控制器控制下快速開到啟動安全開度位置，迅速完成穩(wěn)定段和管路填充工作，當(dāng)穩(wěn)定段總壓達(dá)到目標(biāo)啟動壓力85%后，引射器開始工作，同時啟動控制模塊檢測當(dāng)前氣源壓力，根據(jù)目標(biāo)壓比和閥門特性曲線，計算工作壓力主調(diào)壓閥目標(biāo)開度，然后控制主調(diào)壓閥到目標(biāo)位置，等待1s后，穩(wěn)定段壓力穩(wěn)定，穩(wěn)定段總壓迅速下降到工作壓力附近，系統(tǒng)開始進(jìn)入工作壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)階段。

2.2 穩(wěn)定段工作壓力智能控制策略

2.2.1 串級控制

對于穩(wěn)定段總壓控制，受控變量是穩(wěn)定段總壓，操縱變量是主調(diào)壓閥開度，由于穩(wěn)定段容積很大，總壓控制是典型的滯后過程。在風(fēng)洞流場控制過程中，當(dāng)主調(diào)壓閥開度變化時，穩(wěn)定段總壓變化要延遲一段時間（大約1.5s），且變化緩慢。如果采用傳統(tǒng)的單回路PID控制，由于相對主調(diào)壓閥而言總壓反應(yīng)存在滯后，會造成單回路控制不及時，最終導(dǎo)致控制過程不穩(wěn)定，發(fā)生震蕩。為了改善控制特性，2m×2m超聲速風(fēng)洞總壓采用了串級控制。

串級控制一般由兩個控制環(huán)串接而成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值，兩個控制器有各自獨(dú)立的測量輸入，串級控制原理圖如圖4。傳遞函數(shù)是：

對于二次擾動，其傳遞函數(shù)為：

而對于同樣假設(shè)條件的單級回路比例調(diào)節(jié)器，其二次抗干擾能力僅為Kc，因此串級控制系統(tǒng)克服二次干擾的能力大于單回路控制系統(tǒng)（約10～100倍）。

為了分析串級控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和工作頻率，假設(shè)系統(tǒng)為雙容對象，單回路和串級控制系統(tǒng)如圖5，假設(shè)兩系統(tǒng)衰減比相等，經(jīng)推理可以知道，兩控制回路的工作效率比見式（4），因此，串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減小了振蕩周期，在衰減系數(shù)相同的情況下，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了系統(tǒng)的快速性。

圖5 雙容對象單回路和串級控制系統(tǒng)框圖Fig.5 The flow chart of the double－tank single－loop control systerm and the cascade control system

同樣，由于串級控制系統(tǒng)副回路的傳遞函數(shù)為：

正是由于串級控制具有抗干擾、改善過程的動態(tài)特性和提高系統(tǒng)的工作頻率的特點(diǎn)，2m×2m超聲速風(fēng)洞總壓控制采用了串級控制，原理框圖見圖6。控制系統(tǒng)由兩個回路組成，主回路是一個定值控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定段目標(biāo)總壓控制，副回路是主調(diào)壓閥位置控制，由于副回路應(yīng)具有較小的純滯后和時間常數(shù)，因此副回路采用了有較快速的響應(yīng)比例調(diào)節(jié)器。主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)器的任務(wù)是保證穩(wěn)定段總壓穩(wěn)定并滿足精度要求，主回路總壓控制采用智能PID控制。

圖6 總壓串級控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖Fig.6 The flow chart of the total pressure cascade control system

2.2.2 主回路智能PID控制

傳統(tǒng)PID控制器可表示為：

式中kp、ki和kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣時間，e為偏差。PID控制算法各環(huán)節(jié)的基本意義是：比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，是有差調(diào)節(jié)，為了盡量減小偏差同時也為了加快響應(yīng)速度，縮短調(diào)節(jié)時間，就需要增大kp，但是kp又受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，不能任意增大；積分ki是為了消除靜差而引入的，但ki的引入使得響應(yīng)的快速性下降，穩(wěn)定性變差，尤其在大偏差階段的積分往往使得系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)過大的超調(diào)，調(diào)節(jié)時間變長；微分kd的引入使之能夠根據(jù)偏差變化的趨勢作出反應(yīng)，加快對偏差變化的反應(yīng)速度，能夠有效地減小超調(diào)，縮小最大動態(tài)偏差，但同時又使系統(tǒng)容易受到高頻干擾的影響。因此，在風(fēng)洞流場建立后目標(biāo)壓力控制過程中主要是合理地整定這3個參數(shù)。在風(fēng)洞流場控制過程中，根據(jù)風(fēng)洞目標(biāo)馬赫數(shù)、目標(biāo)總壓不同，以及在不同誤差范圍內(nèi)控制規(guī)律的變化，以智能的方式利用這些知識來智能設(shè)計和調(diào)節(jié)PID參數(shù)便構(gòu)成專家PID控制。

在風(fēng)洞總壓控制中，e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的總壓誤差值，e（k－1）、e（k－2）分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有：

根據(jù)誤差及其變化，專家PID控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)分為以下5種情況進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)計。

（1）當(dāng)∣e（k）∣＞M1時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出按最大（或最小）輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。

（2）當(dāng)e（k）Δe（k）＞0時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。此時，如果∣e（k）∣＞M2，說明誤差也較大，由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，控制器輸出為：

此時，如果｜e（k）｜＜M2，說明盡管誤差朝絕對值增大方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，控制器輸出為：

（3）當(dāng) Δe（k）＜0、Δe（k）Δe（k－1）＞0或者 Δe（k）＝0時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時保持控制器輸出不變。

（4）當(dāng) Δe（k）Δe（k）＜0、Δe（k）Δe（k－1）＜0時，說明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，即∣e（k）∣≥M2，可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用

（5）當(dāng)∣e（k）∣≤ε時，說明誤差的絕對值很小，此時加入積分，減少穩(wěn)態(tài)誤差。

式中，em（k）為誤差e的第k個極值；U（k）為第k次控制器的輸出；U（k－1）為第k－1次控制器的輸出；k1為增益放大系數(shù)，k1＞1；k2為抑制系數(shù)，0＜k2＜1；M1，M2為設(shè)定的誤差界限，M1＞M2；k為控制周期的序號（自然數(shù)）；ε為任意正實(shí)數(shù)。

2.2.3 正反向控制系數(shù)智能調(diào)節(jié)

對于下吹式暫沖型風(fēng)洞，主調(diào)壓閥對穩(wěn)定段總壓正反向誤差調(diào)節(jié)能力存在差別，當(dāng)實(shí)際總壓高于目標(biāo)總壓時，由于氣源壓力在風(fēng)洞運(yùn)行過程中本身存在下降的趨勢，穩(wěn)定段總壓下降對閥門動作很敏感；當(dāng)實(shí)際總壓低于目標(biāo)總壓時，由于穩(wěn)定段罐容很大，氣源壓力在風(fēng)洞運(yùn)行過程中本身存在下降的趨勢，總壓向上調(diào)節(jié)能力較差，因此，在穩(wěn)定段總壓控制過程中，根據(jù)誤差范圍、誤差正負(fù)和目標(biāo)馬赫數(shù)采用正反向控制系數(shù)來自動適應(yīng)這種調(diào)節(jié)能力的差異，調(diào)節(jié)原理如圖7所示。正反向控制系數(shù)智能調(diào)節(jié)原理是：風(fēng)洞試驗為低馬赫數(shù)時，當(dāng)誤差為負(fù)值且在精度范圍之內(nèi)時控制系數(shù)取零，當(dāng)誤差超出精度范圍后，控制系數(shù)增大，但最大不超出某上限值，并且控制系數(shù)隨誤差改變的幅度和上限值隨目標(biāo)馬赫數(shù)增大而增大；風(fēng)洞試驗?zāi)繕?biāo)馬赫數(shù)為高馬赫數(shù)時，控制系數(shù)設(shè)置為1，從而使主調(diào)壓閥壓閥對總壓上下誤差控制能力相同。

圖7 正反向控制系數(shù)決策框圖Fig.7 Forward－backward control coefficient intelligent adjustment

2.3 試驗結(jié)果

通過吹風(fēng)控制調(diào)試、流場校測和標(biāo)模試驗，控制策略得到不斷完善，在各試驗方式中，風(fēng)洞能快速啟動，并迅速建立流場，總壓控制精度優(yōu)于0.2%，圖8是在高、低馬赫數(shù)下常壓試驗的控制結(jié)果，很好地反映了不同馬赫數(shù)風(fēng)洞啟動過程的差別和風(fēng)洞流場控制結(jié)果。

圖8 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.8 The response curve of control system

3 結(jié) 論

通過吹風(fēng)調(diào)試試驗，證明2m×2m超聲速風(fēng)洞所采用的快速啟動、串級控制與與總壓穩(wěn)定階段智能控制策略是成功的，該控制方法解決了大型下吹式風(fēng)洞非線性、時變、大滯后困難，滿足了各類型試驗方式對控制系統(tǒng)的性能要求。

［1］ZHAI L F，CHAI T Y.Inteligent decoupling PID control of a class of complex industrial processes［C］∥Proceeding of the 6th world congress on inteligent control and automation.New York：IEEE Press，2006：485－491.

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［3］劉金錕.高級PID控制與MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］俞金壽.過程控制系統(tǒng)和應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：139－151.

［5］劉金錕.智能控制［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005

褚衛(wèi)華（1968－），男，山西翼城人，博士。研究方向：風(fēng)洞控制與測量系統(tǒng)設(shè)計與研究。通訊地址：四川省綿陽市迎賓路69號設(shè)計部（621000），電話：13890147600，E－mail：nudt＿cwh123＠163.com

Research and realization on the control strategies of the 2m×2msupersonic wind tunnel

CHU Wei－h(huán)ua，TANG Geng－sheng，WANG fan
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

The 2m×2msupersonic wind tunnel is a large injector blowdown wind tunnel，which has nonlinear，time－varying and large delay time characteristics.The interference and coupling between the total pressure control system and injection control system always occur in the injection test mode.In order to satisfy the requirement of the control system that must be of quick response and high stable－state accuracy，the control strategy is studied deeply and the method has been applied to this system successfully.

cascade control；wind tunnel；flow field；total pressure；control strategy

V235.21＋3

A

1672－9897（2012）05－0098－05

2011－07－11；

2011－11－21