引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制軟件設(shè)計(jì)

1、引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制軟件設(shè)計(jì)摘要：目前提出的引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制軟件抽氣端壓力過大，導(dǎo)致排氣閥氣流排氣速度變化過于劇烈；設(shè)計(jì)了一種新 的引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制軟件，在風(fēng)洞的控制程序中引入了馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，對控制質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)檢測，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞系統(tǒng)能 夠達(dá)到更精準(zhǔn)快速的控制水平；在風(fēng)洞流場控制系統(tǒng)中引入了解耦系統(tǒng)，對風(fēng)洞測試各部分參數(shù)進(jìn)行解耦篩選，提高各參數(shù)的準(zhǔn) 確度，有利于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制軟件能有效降低引射式跨聲速風(fēng)洞流場 控制軟件抽氣端壓力，使排氣閥氣流排氣速度處于穩(wěn)定狀態(tài)關(guān)鍵詞：引射式；跨聲速風(fēng)洞；流場控制；控制軟件Design of

2、 Flow Field Control Software for Ejecting Transonic Wind TunnelAbstract: The Blow field control software the currently proposed transonic wind tunnel has too much pressure on the suction side, which leads to excessive changes in the exhaust velocity of the exhaust valve. A new flow field control sof

3、tware for ejecting transonic wi nd tunnels is des i gned，Mach number and Reynolds number are introduced into the w ind tunnel control program，and the control quality is tested and tested to realize the wind tunnel system can achieve more accurate and rapdl Introduce a decouplng system into the wnd t

4、unnel flowfeld control systemto decouple and screen each part of the wnd tunnel test parameters， mprove the accuracy of each parameter，and help the control system to achieve precise control. The exper imental results show that the desgned flow field control software of the ejected transonc wnd tunne

5、l can effectvely reduce the pressure at the exhaust end of the flow feld control software of the ejected transonc wnd tunnel，so that the ar exhaust velocty of the exhaust valve 4s 4n a stable state.Keywords: ejector； transonc wind tunnel； low field control；o引言風(fēng)洞是一種依靠動力裝置驅(qū)動對流動氣體進(jìn)行操控的 管道系統(tǒng)，在空氣流動、氣流控制等

6、研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng) 用，尤其是在航空航天技術(shù)、飛行器研究技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用 最為廣泛各種飛行產(chǎn)品的研發(fā)過程必須要經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 檢測，對飛行器不同情況下的飛行能力進(jìn)行測試，因此， 風(fēng)洞技術(shù)研究在空氣動力學(xué)領(lǐng)域和航空航天工程領(lǐng)域占有 十分重要的位置(1-2 %隨著飛行器研究和航空航天技術(shù)的不斷更新發(fā)展，對 風(fēng)洞技術(shù)研究也提出了更高的要求提高風(fēng)洞的質(zhì)量和性 能是推動飛行器研究和航空技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)前提(9-4), 根據(jù)目前風(fēng)洞技術(shù)操作控制方面存在的排氣閥氣流排氣速 度劇烈問題，本文設(shè)計(jì)了一種引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制 軟件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件能夠有效提高控制能力1引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制程序L 1引射

7、式跨聲速風(fēng)洞概念風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是用人工方式產(chǎn)生和控制氣流，模擬飛機(jī)control software周圍氣流，測量氣流對實(shí)驗(yàn)對象的影響，觀察物理現(xiàn)象的 綜合管路在空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，它是最常用、最有效的 一種工具風(fēng)洞試驗(yàn)是飛機(jī)研制的一個重要環(huán)節(jié)試驗(yàn)期間，模 型或物體被固定在風(fēng)洞中，進(jìn)行不同程度的吹風(fēng)，通過測 試和控制設(shè)備獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)()%為使試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，試驗(yàn) 流量必須與實(shí)際流量相類似，即必須滿足相似律的要求 但是，由于受風(fēng)洞大小和功率的限制，很難同時模擬一個 風(fēng)洞內(nèi)所有類似的參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 的前提下，風(fēng)洞中氣流的速度、分布均勻性、氣流方向與 軸線的背離程度、壓力梯度、截面溫度分布、

8、湍流強(qiáng)度和 氣流噪聲級等條件均可得到改善測試段尺寸為2. 4 mi 4 m,風(fēng)洞硬件設(shè)備主要包括 閥口系統(tǒng)、噴射器、混合器、消聲器、收縮器、噴管、測 試、補(bǔ)償、擴(kuò)散、排氣、消聲等部分，其中噴射器是風(fēng)洞 的主要驅(qū)動設(shè)備該裝置是通過高壓流體流經(jīng)噴嘴所形成 的高速氣流，噴出另一種低氣壓流體，并在裝置內(nèi)進(jìn)行能量交換和物料混合，實(shí)現(xiàn)輸送-引射器組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示$圖1引射器組成結(jié)構(gòu)圖D 2風(fēng)洞流場控制結(jié)構(gòu)引射器引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)的核心是對風(fēng)洞運(yùn)行的參 數(shù)控制，即對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中氣流流速、氣壓分布、氣流方向、 溫度分布等多個測試方面的參數(shù)進(jìn)行控制-例如，氣壓控 制需要風(fēng)洞控制系統(tǒng)操控風(fēng)洞設(shè)備中的調(diào)壓閥

9、和排氣閥； 氣流流速和分布需要對指控室、抽氣段進(jìn)行組合控制 等如圖為風(fēng)洞控制組成結(jié)構(gòu)：引射器駐室引射駐室引射器控制主控制圖器控制主控制圖風(fēng)洞控制結(jié)構(gòu)組成引射式跨聲速風(fēng)洞系統(tǒng)的控制軟件程序占據(jù)了總控核 心的重要位置研究更新控制軟件的程序設(shè)計(jì)能夠提高 控制軟件的配置水平，增強(qiáng)感應(yīng)能力和操控的靈活度，使 風(fēng)洞流場控制更流場高效，節(jié)省人力物力資源和實(shí)驗(yàn)耗費(fèi) 的時間11$2引射式跨聲速風(fēng)洞流場控制軟件設(shè)計(jì)2 1氣流動態(tài)布局控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)我國當(dāng)前的跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置在氣流運(yùn)行方式上一 般采用半回流引射式或者下吹直流式的氣流布局方式$本 文的引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了增壓回引射式氣流 布局方式，通過安裝多

10、個噴壓管和引射器，設(shè)計(jì)多噴管增 壓的操作程序，通過控制系統(tǒng)下達(dá)指令，啟動引射器，使 氣流能夠在風(fēng)洞的回環(huán)裝置中循環(huán)運(yùn)動-相比于傳統(tǒng)的風(fēng) 洞氣流布局控制系統(tǒng)，本文的控制系統(tǒng)軟件可同時對抽氣 段、駐室、柵指、排氣閥等+個甚至多個工作單位進(jìn)行同 時控制或組合操控，形成獨(dú)特的驅(qū)動系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)-這 種多裝置組合形成的系統(tǒng)可以實(shí)時操控穩(wěn)定段的氣壓值， 也能夠在其他部分運(yùn)行過程中對某個環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)控制， 提高了控制系統(tǒng)整體效率的同時，也提高了各個部分的數(shù) 據(jù)精準(zhǔn)度$i（$2. 2風(fēng)洞控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)本文在傳統(tǒng)的風(fēng)洞控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，引入 了一個解耦控制程序，該程序能夠控制各環(huán)節(jié)參數(shù)之間的 耦合

11、作用，對一些缺失部分進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到削弱耦合作 對系統(tǒng)控制整體運(yùn)行過程造成的影響-因此需要在風(fēng)洞控 制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)控制中心對耦合作用的削 減控制，解耦程序接入控制器主要有以下幾種方式：1）解耦環(huán)節(jié)設(shè)置在控制中心之前-這種方式是考慮到 部分受影響信息進(jìn)入控制系統(tǒng)會造成控制系統(tǒng)程序混亂的 情況，在控制系統(tǒng)前端裝置解耦系統(tǒng)，使得各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn) 入控制中心之前就能夠受到解耦環(huán)節(jié)的監(jiān)測調(diào)整，削弱參 數(shù)受耦合作用影響的程度，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地傳入控制中 心，控制中心也能更準(zhǔn)確地下達(dá)相應(yīng)命令-2）在控制系統(tǒng)內(nèi)裝入解耦程序-這種方式在目前的風(fēng) 洞控制系統(tǒng)中比較常見，在控制系統(tǒng)內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)程序， 所占

12、據(jù)空間較小，系統(tǒng)控制效果也更好，而且不會對控制 中心造成額外負(fù)擔(dān)，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)解耦操控一 體化-但是這種方式會導(dǎo)致解耦程序沒有相對獨(dú)立時更完 整，解耦能力也會受到限制；同時解耦環(huán)節(jié)與控制系統(tǒng)之 間的聯(lián)系更為復(fù)雜，不利于實(shí)驗(yàn)裝置對控制中心和解耦環(huán) 節(jié)單獨(dú)進(jìn)行檢測$3）解耦環(huán)節(jié)安裝在反饋線路-這種安裝方式能夠在信 息數(shù)據(jù)到達(dá)總控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋之前，對數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行檢 測和解耦操作，能夠有效地提高控制系統(tǒng)承受耦合作用影 響的參數(shù)干擾的防御能力，對于其他方面的數(shù)據(jù)干擾問題， 也有一定的解決能力-但是這種設(shè)置方法會增強(qiáng)解耦環(huán)節(jié) 的內(nèi)部處理復(fù)雜程度，使得控制中心在解耦方面的負(fù)擔(dān)較 大，容易導(dǎo)致控制

13、系統(tǒng)操作紊亂，信息延遲等不良影響$4）解耦環(huán)節(jié)設(shè)置在控制器與控制對象之間-這種安裝 方式能夠使解耦環(huán)節(jié)了解到控制對象的參數(shù)特征，能夠根 據(jù)控制對象和接收到的各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的 解耦操作-這種方式減輕了控制系統(tǒng)對接耦合環(huán)節(jié)的控制 壓力，增強(qiáng)了解耦過后的數(shù)據(jù)和控制對象之間的適配性， 使控制中心作出的指令更加合適準(zhǔn)確，而且這種安裝方式 對解耦環(huán)節(jié)的程序結(jié)構(gòu)要求不高，相比于其他方式也更為 簡單-因此，這種安裝方式在當(dāng)前的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中得到的應(yīng) 用較為廣泛-但也存在一定的不足，即控制對象發(fā)生調(diào)整 變化時，解耦環(huán)節(jié)的各方面參數(shù)配置也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整 變化-圖5 !解耦圖圖圖5 !解耦圖圖6引射式跨

14、聲速風(fēng)洞流場控制軟件程序流程圖本文選擇了將解耦環(huán)節(jié)置入控制系統(tǒng)和控制對象之間 的接入方法，這種設(shè)計(jì)方法能夠減小控制系統(tǒng)的操作壓力， 還能有效地提高各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，而且結(jié)構(gòu) 簡單，容易操作，有利于系統(tǒng)整體操作運(yùn)行，并且不會對 控制系統(tǒng)對控制對象進(jìn)行解耦控制造成影響。這種解耦程 序裝置方式如圖3所示。本文解耦環(huán)節(jié)程序設(shè)計(jì)中選擇的是對角矩陣解耦方法， 該方法是在傳遞函數(shù)矩陣解耦方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合對角矩 陣運(yùn)算方法對參數(shù)進(jìn)行解耦運(yùn)算。運(yùn)算的原理是對系統(tǒng)中 的主要參數(shù)進(jìn)行傳遞函數(shù)矩陣運(yùn)算后，非對角數(shù)據(jù)的結(jié)果 不為零，則表示該函數(shù)矩陣不是對角矩陣。這種適用于引 射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)解耦程序的

15、解耦方法運(yùn)算原理如 圖4所示。圖4解耦程序?qū)蔷仃囘\(yùn)算原理圖圖4解耦程序?qū)蔷仃囘\(yùn)算原理圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞解耦控制軟件的有效 性，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，選擇同一控制對象和相同的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)，將本文設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞控制軟件與傳統(tǒng)的 跨聲速風(fēng)洞雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)和跨聲速風(fēng)洞FSS控制系統(tǒng)進(jìn)行對比。檢驗(yàn)風(fēng)洞控制系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中控制 系統(tǒng)對空氣流場內(nèi)各方面的控制效果。本文運(yùn)用了馬赫數(shù) 和雷諾數(shù)等測試指標(biāo)，對3種控制系統(tǒng)的控制水平進(jìn)行了這種方法基于解耦方法中的傳統(tǒng)的運(yùn)算方法，進(jìn)行改 進(jìn)后使這種解耦方法非常適用于安裝在控制系統(tǒng)和控制對 象之間的解耦裝置，通過引入了對角

16、矩陣解耦計(jì)算原理， 使傳遞函數(shù)矩陣解耦方法形成一個新型的對角矩陣解耦方 法，不僅解耦范圍較廣，而且增加了對控制對象解耦的運(yùn) 算過程，從而能夠使解耦程序較完整地消除控制系統(tǒng)中耦 合參數(shù)，使控制系統(tǒng)運(yùn)行操控更流暢，指令更準(zhǔn)確$3&$4%。 解耦圖如圖5所示。綜上所述，軟件程序流程圖如圖6所示。采用增壓回引射式氣流布局方式設(shè)計(jì)氣流動態(tài)布局控 制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對抽氣段、駐室、柵指、排氣閥等多個工作 單位的組合操控；引入解耦控制程序，控制各環(huán)節(jié)參數(shù)耦 合，通過傳遞函數(shù)矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)控制中心對耦合作用的削 減，得到準(zhǔn)確的風(fēng)洞流場控制指令。檢測分析，各方面測試結(jié)果如圖7所示。圖7抽氣段M數(shù)變化情況對比圖圖7是對抽

17、氣段M數(shù)的變化監(jiān)測，可見本文設(shè)計(jì)的控 制系統(tǒng)軟件控制下的抽氣段M數(shù)變化更穩(wěn)定，體現(xiàn)了控制 系統(tǒng)對該部分氣流狀況控制效果更好。M數(shù)代表的是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流的馬赫數(shù)值，圖中可見在 相同的時間對同一控制目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)洞氣流操控，受氣流運(yùn) 行影響最大的抽氣段部分3種控制系統(tǒng)下M數(shù)的變化情況, FSS控制系統(tǒng)和雙轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)控制下氣流氣壓馬赫數(shù)值波動 起伏較大，且都呈現(xiàn)波動上升的狀態(tài)$雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)前 期氣壓上升很快，后期控制能力不足，導(dǎo)致其呈現(xiàn)明顯的 波動起伏, FSS控制系統(tǒng)相較于雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)稍微穩(wěn)定 一些，起伏變化不太明顯，但壓力值依舊呈逐漸上升狀態(tài), 且時間越長上升越明顯$上述情況表明了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)隨著

18、控制時間推移, 控制能力也會逐漸減弱，對長時間的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流控制難 以滿足實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性要求$而本文設(shè)計(jì)的控制系 統(tǒng)在內(nèi)部控制軟件程序的加持下，控制精度和控制范圍都 有很大提升，因此對于測試對象復(fù)雜并且測試水平要求高 的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)軟件 能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求$雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)穩(wěn)定段氣壓控制效果圖8-10是對風(fēng)洞穩(wěn)定段氣壓控制效果的測量數(shù)據(jù)，由 此可見，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對氣壓數(shù)值的控制更精準(zhǔn)，更 貼近對控制對象的氣壓目標(biāo)要求$傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)下穩(wěn)定段 的氣壓控制數(shù)值與目標(biāo)理想數(shù)值偏離較大，如圖8所示雙轉(zhuǎn) 軸系統(tǒng)無法控制氣壓穩(wěn)定上升并保持一個平均值,通過圖9 可以看出，F(xiàn)SS系統(tǒng)的控制在前期驅(qū)動力不足，導(dǎo)致前期氣 壓不足，而后期氣壓上升迅速，控制系統(tǒng)難以及時控制穩(wěn) 定，總體來說效果并不理想$本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)對氣壓的 控制與目標(biāo)要求相差無幾，波動變化很小，實(shí)驗(yàn)效果非常良 好，可見本文設(shè)計(jì)的軟件對氣壓控制的精準(zhǔn)穩(wěn)定。雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)穩(wěn)定段氣壓控制效果圖8本文控制系統(tǒng)穩(wěn)定段氣壓控制效果圖10 FSS控制系