一種暫衝式風洞流場控制的辯識方法與流程

2023-08-04 02:17:21 1

本發明涉及一種暫衝式風洞流場控制的辯識方法，屬於風洞的控制與測控技術領域。

背景技術：

我國普通的標準地面工業設備中控制系統的設計一般遵循經驗和慣例，而其關鍵的控制參數則完全依靠多次調試過程中的工程整定方法來獲取。過去在風洞控制領域因為歷史和計算機技術本身發展水平的制約，也長期套用這一設計和調試的手段。然而在空氣動力學試驗技術大發展的今天，風洞的規模尺寸越來越大，技術水平越來越高，風洞與普通的標準地面工業設備從工程的角度來看區別也越來越大。這些區別主要在四個方面：

■大尺寸風洞系統級調試的費用和準備時間是絕大多數普通的標準地面工業設備完全不能比擬的；

■風洞設備的總體數量遠小於絕大多數普通的標準地面工業設備，技術上也相對封閉，其控制系統特別是流場控制系統設計相關的經驗和慣例欠詳盡和準確，因此控制系統設計失誤造成事故的風險也大大增加；

■很多種常用而有效的工程整定方法在風洞特別是大尺寸風洞中實施有較大難度，有時甚至本身就可能損害設備並具有風險(比如階躍響應法、掃頻法等)。

■大尺寸風洞的氣動設計、結構設計非常複雜，被控對象是非線性的，其細節特性很難通過計算流體力學的手段直接而準確的給出。暫衝式大尺寸風洞相對小尺寸風洞本生就有更強的非線性(比如氣源壓力變化更劇烈)。

據以上四點所述，在工程建設引入其他設計、調試輔助手段是非常有必要的。為了規避風險和降低成本，國內外工業界，在設計新型地面設備和現代型號設備控制系統的過程中，基本都會引入仿真和系統辯識的技術手段。大尺寸風洞控制系統在設計風險和調試成本上與這些設備有一定的相似性，因此引入系統辯識的技術手段也是必要的。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提出了一種暫衝式風洞流場控制的辯識方法，快速的設計出基本可用流場參數控制器，使進一步的研究和控制器的設計和優化在一個安全而經濟的基礎上進行。通過很少的吹風試驗使流場調節控制器達到基本滿足流場校測和吹風試驗的要求。

本發明的技術解決方案是：

一種暫衝式風洞流場控制的辯識方法，步驟如下：

(1)構建暫衝式風洞的開環數學模型結構；

(2)在通氣條件下，施加調壓閥閥芯位移l的階躍激勵，得到前室總壓p0、調壓閥閥芯位置l和氣源壓力p的測量數據，記錄每組數據中前室總壓p0與氣源壓力p比值的最大值將其記作壓力恢復係數v，通過多項式擬和方法得到壓力恢復曲線v＝f(l)；根據所述壓力恢復曲線v＝f(l)，對所述開環數學模型進行參數辨識，得到開環數學模型的參數，進而確定開環數學模型；

(3)以步驟(2)中得到的開環數學模型為被控對象，對總壓控制器進行pid控制參數設置；

(4)若首次進行此步驟，根據步驟(3)中得到的總壓控制器結構和參數，在暫衝式風洞中進行吹風試驗，並記錄調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據；若非首次進行此步驟，根據步驟(3)中得到的總壓控制器結構和步驟(7)中得到的總壓控制器參數，在暫衝式風洞中進行吹風試驗，並記錄調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據；

(5)將步驟(4)中前室總壓p0與預設的目標值p1進行比較，如果p0與p1之間的穩態偏差在3‰以內，則辨識精度滿足設計要求，完成暫衝式風洞流場控制的辯識；否則進入步驟(6)；

(6)若首次進行此步驟，以步驟(1)得到的暫衝式風洞的開環數學模型結構及步驟(3)中設計的總壓控制器結構行成新的閉環數學模型結構，根據步驟(4)記錄的調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據以及步驟(3)中設計的總壓控制器參數，對所述新的閉環數學模型結構進行參數辨識，得到的參數形成新的開環數學模型；

若非首次進行此步驟，以步驟(1)得到的暫衝式風洞的開環數學模型結構及步驟(3)中設計的總壓控制器結構行成新的閉環數學模型結構，根據步驟(4)記錄的調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據以及步驟(7)中設計的總壓控制器參數，對所述新的閉環數學模型結構進行參數辨識，得到的參數形成新的開環數學模型；

(7)以步驟(6)中得到的新的開環數學模型為被控對象，以步驟(3)中確定的總壓控制器結構對總壓控制器的參數進行設計，之後返回步驟(4)。

所述施加調壓閥閥芯位移l的階躍激勵具體為：分別施加調壓閥閥芯位移l為全行程的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的10次持續10s的階躍激勵。

壓力恢復曲線v＝f(l)，即氣源壓力p和前室總壓p0之比與調壓閥閥芯位置l的穩態映射關係。

所述暫衝式風洞的開環數學模型結構，具體為：

其中，go(s)為從電液伺服系統的電壓u到前室總壓p0的動力學關係，s為拉普拉斯算子，kl為暫衝式風洞的電液伺服系統的電壓與調壓閥閥芯移動速度的比例關係，p為氣源壓力，f(l)為氣源壓力p和前室總壓p0之比與調壓閥閥芯位置l的穩態映射關係，t1、t2為時常數。

所述新的閉環數學模型結構，具體為：

gc(s)為預設總壓的目標值p1到前室總壓p0的動力學關係，s為拉普拉斯算子，kl為暫衝式風洞的電液伺服系統的電壓與調壓閥閥芯移動速度的比例關係，p01為上一次吹風試驗中前室總壓的穩態值，kp為pid結構的控制器的比例增益，ki為pid結構的控制器的積分增益，kd為pid結構的控制器的微分增益。

所述暫衝式風洞是指暫衝式亞跨超三聲速風洞。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)在暫衝式亞跨超聲速風洞中，通過這樣方式設計的控制器和控制參數通常能保證實際系統穩定，確保了首次吹風基本成功，有效降低了設計和調試的風險。直觀準確的指導了整個調試過程中參數調整，為快速達成設計指標提供了保障。

(2)系統辯識獲得數學模型和已獲得的數據能較好的吻合，並對一些設計風險較大的現代控制方法(如自適應控制、前饋控制)進行了驗證，為進一步提高控制品質打下了基礎。

(3)為大型風洞控制系統關鍵子系統設計、調試和完善摸索出了一種比完整合理步驟流程。

附圖說明

圖1為本發明方法流程圖；

圖2前室總壓開環系統框圖；

圖3前室總壓閉環控制系統框圖。

具體實施方式

本發明提出了一種暫衝式風洞流場控制的辯識方法，首先利用暫衝式亞跨超三聲速風洞本身的特點和其總壓控制系統本身的一些基本技術參數確立其開環數學模型結構；繼而根據通氣條件下有限次數的開環階躍響應試驗獲取的試驗數據，通過辨識獲取獲取開環數學模型的參數，得到初步的電液伺服系統的電壓到前室總壓的開環數學模型；在開環數學模型的基礎上進行總壓控制器結構和參數設計；以吹風試驗中總壓控制器是否能將前室總壓控制到一定精度作為開環數學模型辨識精度是否達到要求的判據；若前室總壓控制精度達到要求，則辨識過程完成；若前室總壓控制精度未達到要求，根據總壓控制器結構得到閉環數學模型結構，結合上一次吹風試驗使用的控制器參數和其試驗數據，通過對該閉環數學模型型進行參數辨識得到閉環數學模型結構中和開環數學模型結構中相同定義的參數，使用這些參數得到優化後的開環數學模型，根據優化後的開環數學模型重新設計總壓控制器參數，繼而使用該參數開展吹風試驗通過控制精度檢驗辨識精度是否達到，如此往復直至達成辨識精度(控制精度)。

這種方法只需要少量的為系統辨識專門組織的試驗，有效的利用吹風試驗積累的數據，同時促進模型辨識和控制器設計工作，解決了風洞流場控制系統設計過程中缺乏被控對象模型的問題，極大的提高了效率降低了成本；將控制精度是否達成作為辨識精度是否達成的判據，從開環數學模型實際用途的角度最小化了辨識的工作量。

如圖1所示，本發明提出的暫衝式風洞流場控制的辯識方法，所述暫衝式風洞是指暫衝式亞跨超三聲速風洞，步驟如下：

(1)根據如圖2所示的前室總壓開環系統框圖構建暫衝式風洞的開環數學模型結構；

具體為：

其中，go(s)為從電液伺服系統的電壓u到前室總壓p0的動力學關係，s為拉普拉斯算子，kl為暫衝式風洞的電液伺服系統的電壓與調壓閥閥芯移動速度的比例關係，p為氣源壓力，f(l)為氣源壓力p和前室總壓p0之比與調壓閥閥芯位置l的穩態映射關係，t1、t2為時常數

(2)在通氣條件下，依次施加調壓閥閥芯位移l為全行程的10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，100％的10次持續10s的階躍激勵，得到10組前室總壓p0、調壓閥閥芯位置l和氣源壓力p的測量測量數據，記錄每組數據中前室總壓p0與氣源壓力p比值的最大值將其記作壓力恢復係數v，通過5次多項式擬和方法得到壓力恢復係數v＝f(l)，即氣源壓力p和前室總壓p0之比與調壓閥閥芯位置l的穩態映射關係；對所述開環數學模型的進行參數辨識，得到開環數學模型的參數，進而確定開環數學模型，具體過程為：

kl由電液伺服閥和調壓閥液壓系統技術指標確定，l為10％到100％的已知量，將前室總壓p0作為輸出，調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和壓力恢復係數的乘積作為輸入，形成線性定定常的數學模型，

其中，k＝1～10，

根據10組前室總壓p0、調壓閥閥芯位置l和氣源壓力p的測量測量數據，對上述線性定常數學模型進行辨識得到t1*、t2*的最小二乘估計值，辨識的目標函數為

其中,l-1為反laplace變換，p0k(t)為第k次激勵條件下記錄的總壓數據，lk(s)為第k次試驗記錄調壓閥閥芯位置的laplace變換；繼而初步確定氣源壓力變化的線性變參數開環數學模型，

(3)總壓控制器採用pid控制結構，具體為:

其中,gpid(s)為從總壓控制誤差到電液伺服系統的電壓的數學模型，kp為pid結構的控制器的比例增益，ki為pid結構的控制器的積分增益，kd為pid結構的控制器的微分增益。

以步驟(2)中得到的開環數學模型為被控對象，以相位裕度60°,幅值裕度6db，階躍響應穩態傳輸比0db為設計指標，在小擾動線性化的基礎上通過經典的控制系統設計方法，確定kp、ki和kd的具體值。

(4)若首次進行此步驟，根據步驟(3)中得到的總壓控制器結構和參數，在暫衝式風洞中進行吹風試驗，並記錄調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據；若非首次進行此步驟，根據步驟(3)中得到的總壓控制器結構和上一次步驟(7)中得到的總壓控制器參數，在暫衝式風洞中進行吹風試驗，並記錄調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據；

(5)將步驟(4)中前室總壓p0與預設的目標值p1進行比較，如果p0與p1之間的穩態偏差在3‰以內，則辨識精度滿足設計要求，完成暫衝式風洞流場控制的辯識；否則進入步驟(6)；

(6)若首次進行此步驟，以步驟(1)得到的暫衝式風洞的開環數學模型結構及步驟(3)中設計的總壓控制器結構按照圖3所示前室總壓閉環控制系統框圖，行成新的閉環數學模型結構，具體為：

其中gc(s)為預設總壓的目標值p1到前室總壓p0的動力學關係，s為拉普拉斯算子，kl為暫衝式風洞的電液伺服系統的電壓與調壓閥閥芯移動速度的比例關係，p01為上一次吹風試驗中前室總壓的穩態值，t1、t2為時常數，kp為pid結構的控制器的比例增益，ki為pid結構的控制器的積分增益，kd為pid結構的控制器的微分增益。根據步驟(4)記錄的調壓閥閥芯位移l、氣源壓力p和前室總壓p0數據以及步驟(3)中設計的總壓控制器參數，對所述新的閉環數學模型結構進行參數辨識，得到的參數形成新的開環數學模型，具體過程如下：

中，

kl已知，kp，ki，kd為已知的pid結構的控制器增益，p01為上一次吹風試驗中前室總壓的穩態值；以目標函數

辨識得到t1、t2的最小二乘估計值t1*，t2*，優化得到了氣源壓力變化的線性變參數開環數學模型，

若非首次進行此步驟，除使上一次步驟(7)中設計的總壓控制器參數進行計算外與首次進行該步驟相同。

(7)以步驟(6)中得到的新的開環數學模型為被控對象，以步驟(3)中確定的總壓控制器結構對總壓控制器的參數進行設計，參數設計方法同步驟(3)，之後返回步驟(4)。

實施例：

本發明暫衝式風洞流場控制的辯識方法成功地應用於1米量級暫衝亞跨超三聲速風洞的研製過程，解決了其流場控制系統設計過程中無被控對象定量數學模型的問題，縮減了專門為被控對象建模型組織的試驗的次數，被控對象數學模型優化和總壓控制器優化的過程中，風洞流場控制系統就已投入流場校測試驗、標模試驗和試運行試驗，明顯提高了研製效率，極大的降低了研製成本，該方法的應用是1米量級暫衝亞跨超三聲速風洞能夠提前完成研製和建設工作投入科研生產的主要原因之一。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。