謝 艷，李 平，蔣 鴻，王瑞波，薛江平

( 中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

0 引 言

目前，我國的高速風洞多為暫沖式風洞，因受風洞運行時間、流場調(diào)節(jié)能力、數(shù)據(jù)精細化處理等方面的限制只能采用階梯測力試驗方式，試驗得到的數(shù)據(jù)點稀疏，難以準確描述氣動試驗曲線細節(jié)特征。而連續(xù)變迎角測力試驗技術(shù)可有效改善上述現(xiàn)象［1］。

連續(xù)變迎角測力試驗技術(shù)最初是在國外連續(xù)式風洞發(fā)展起來的試驗技術(shù)，它獲得的測力試驗結(jié)果具有試驗信息豐富、氣動特性曲線光滑連續(xù)、操穩(wěn)特性評估精確度高、關(guān)鍵氣動力參數(shù)判讀精準等顯著優(yōu)點［2］。由于連續(xù)式風洞和低速風洞運行時間長，模型迎角可以慢速運動，所以實現(xiàn)連續(xù)變迎角試驗有其先天優(yōu)勢，目前在國內(nèi)低速風洞中已經(jīng)得到有效應(yīng)用［3-5］。在暫沖式高速風洞中，因受風洞運行時間的限制，連續(xù)變迎角的迎角運行速度要達到1°/s 左右，這樣就會產(chǎn)生如下幾個關(guān)鍵性的問題：(1) 模型運動對流場的擾動大，流場快速精確補償難； ( 2) 試驗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行速度的增加而加劇影響試驗數(shù)據(jù)的準度。

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

1 風洞流場的快速跟隨補償

2.4m 跨聲速風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，僅能滿足階梯采集時刻流場處于穩(wěn)定狀態(tài)的要求［6］。連續(xù)變迎角測力試驗時，由于迎角持續(xù)運動，不間斷地擾動流場，又要求流場必須時刻保持在穩(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，Ma 數(shù)超差0.011。因此對風洞流場控制環(huán)路等進行了優(yōu)化改進［7］，提高了連續(xù)變迎角測力試驗時Ma 數(shù)控制的精準度。

1.1 總靜壓濾波器的優(yōu)化

風洞總靜壓的實時精確測量是保證精準控制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 風洞總靜壓最優(yōu)濾波截止頻率的區(qū)間為1Hz ～10Hz。同時考慮到風洞控制參數(shù)的適應(yīng)性，優(yōu)化改進是采取循序漸進逐步靠近最優(yōu)濾波截止頻率的方法進行的。即首先將總靜壓濾波截止頻率由最先的0.7Hz 改進為1Hz，待風洞控制參數(shù)適應(yīng)后，再逐步將1Hz 改為2Hz，2Hz改為3Hz。改進前后的Ma 數(shù)對比見圖1。結(jié)果表明總靜壓濾波的優(yōu)化改進明顯改善了控制系統(tǒng)對流場擾動的控制能力。

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

1.2 柵指PID 參數(shù)優(yōu)化

2.4m 跨聲速風洞總靜壓的控制是多個獨立的控制環(huán)路完成，主要是總壓控制環(huán)路、柵指( 當Ma 數(shù)≤0.9 時使用) 控制環(huán)路、駐室抽氣( 當Ma 數(shù)＞0.9 時使用) 控制環(huán)路。

對風洞試驗數(shù)據(jù)進行分析后，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。因此采用進一步優(yōu)化柵指PID 參數(shù)，強化PID 調(diào)節(jié)效果，加速Ma 數(shù)的收斂。圖2 顯示優(yōu)化PID 參數(shù)中的KI( 積分補償系數(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)的前饋補償

2.4m 跨聲速風洞在Ma 高于0.9 時采用駐室抽氣調(diào)節(jié)Ma 數(shù)，但是因2.4m 風洞大駐室壓力的變化也需要時間，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，增加適量的前饋補償。具體做法是：當檢測到Ma 數(shù)接近誤差帶的上下邊緣時，在駐室抽氣系統(tǒng)的反饋量中增加適量前饋補償，使駐室抽氣機構(gòu)提前快速運動，將Ma數(shù)拉回給定值。

圖3 駐室抽氣的前饋補償效果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Ma 數(shù)的快速精準控制。

2 連續(xù)變迎角試驗數(shù)據(jù)的濾波降噪處理

2.1 階梯、連續(xù)測力試驗信號的頻譜分析

對于階梯測力試驗方式，每個階梯穩(wěn)定時，流場、迎角均是穩(wěn)定的，此狀態(tài)下試驗信號趨于恒定值，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，流場穩(wěn)定后迎角持續(xù)勻速運動，并同步采集，此狀態(tài)下試驗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)變迎角試驗數(shù)據(jù)濾波降噪策略

針對連續(xù)變迎角試驗信號頻譜分析的結(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)變迎角試驗數(shù)據(jù)的濾波降噪問題。

3 試驗數(shù)據(jù)的同步處理

3.1 數(shù)據(jù)不同步的影響分析

測力試驗時，模型姿態(tài)角通常由角度傳感器測得，而氣動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) 的時序差。對于階梯測力，階梯穩(wěn)定時間遠大于此時序差，因此對試驗數(shù)據(jù)毫無影響。而迎角運行速度較快的連續(xù)變迎角試驗使信號之間時序差的影響凸顯出來，從而使得連續(xù)變迎角測力試驗數(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)兩個平穩(wěn)隨機信號的時間歷程為x(t)、y(t)，則兩個信號的互相關(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α 為最大值時，Y元也應(yīng)該為最大值； 當α 為最小值時，Y 元也應(yīng)該為最小值。假如這兩個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，利用互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)及特點，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) 的精確延遲時差。以此類推計算出天平其它元和迎角傳感器之間的延遲時差。

在精確求出天平各元信號與迎角傳感器信號的延遲時差后，再以迎角傳感器信號的時序為標準時序，對原始數(shù)據(jù)進行時序?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)，可精確計算出風洞試驗中各信號之間的時序差，并據(jù)此對數(shù)據(jù)進行同步修正，從而保證了連續(xù)變迎角測力試驗數(shù)據(jù)的準確性。

4 標模驗證情況

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

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

(2) 連續(xù)變迎角試驗數(shù)據(jù)的準度與階梯測力數(shù)據(jù)的準度相當，連續(xù)與階梯氣動系數(shù)差量已進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，而在迎角4° ～20°范圍，連續(xù)變迎角試驗數(shù)據(jù)的精度優(yōu)于階梯測力試驗的精度( 見圖6) ；

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

(5) 連續(xù)變迎角測力比階梯測力節(jié)約約16%的風洞試驗時間。

圖4 連續(xù)變迎角試驗Ma 數(shù)精準度情況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 跨聲速風洞為研究平臺，解決了實現(xiàn)連續(xù)變迎角試驗技術(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關(guān)鍵性的技術(shù)難題，建立了工程實用的暫沖式高速風洞的連續(xù)變迎角測力試驗技術(shù)，既提高了試驗數(shù)據(jù)的數(shù)質(zhì)量，又提高了試驗的效率和安全性。

［1］ 魏志，謝艷，吳軍強，等. 連續(xù)變迎角試驗技術(shù)在大型暫沖式跨聲速風洞中的應(yīng)用［J］. 實驗流體力學，2011，25(4) ： 99-102.Wei Z，Xie Y，Wu J Q，et al. Application of continuous sweeping force measuring technology in large intermittent transonic wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2011，25(4) ： 99-102.

［2］ 惲起麟. 實驗空氣動力學［M］. 北京： 國防工業(yè)出版社，1991.

［3］ 顧藝，岑飛，溫渝昌，等. 基于非接觸測量技術(shù)的低速風洞連續(xù)掃描試驗技術(shù)研究［J］. 實驗流體力學，2013，27(5) ： 98-104.Gu Y，Cen F，Wen Y C. Research about continuous scanning test technique based on non-contact measurement technique in low speed wind tunne［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2013，27(5) ： 98-104.

［4］ 唐喬喬，張衛(wèi)國，劉忠華，等. 8m ×6m 風洞特大迎角機構(gòu)連續(xù)掃描試驗技術(shù)研究與應(yīng)用［J］. 實驗流體力學，2012，26(2) ： 81-85.Tang Q Q，Zhang W G，Liu Z H，et al. Research and application of the continuous scan technique to the high angle of attack equipment in 8m×6m wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26(2) ： 81-85.

［5］ 程松，劉曉暉，溫渝昌. 大攻角連續(xù)掃描試驗技術(shù)在某型號飛機上的應(yīng)用［J］. 實驗流體力學，1999，13(4) ：27-31.Cheng S，Liu X H，Wen Y C. An application of the continuous scan technique to the high angle of attack fighter model test［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，1999，13(4) ： 27-31.

［6］ 劉政崇. 高低速風洞氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］. 北京： 國防工業(yè)出版社，2003.

［7］ 張永雙，陳旦，陳嬌，等. NF-6 連續(xù)式跨聲速風洞馬赫數(shù)控制方法比較與研究［J］. 實驗流體力學，2013，27(2) ：95-100.Zhang Y S，Chen D，Chen J，et al. Comparison and research on the Mach number control methods for the NF-6 continous transonic wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2013，27(2) ： 95-100.

［8］ 李平，芮偉，秦建華，等. 2m ×2m 超聲速風洞測量系統(tǒng)與運行管理系統(tǒng)研究［J］. 實驗流體力學，2012，26(4) ： 96-100.Li P，Rui W，Qin J H，et al. Development of measurement and operation management system in 2m × 2m supsonic wind tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26(4) ： 96-100.

［9］ 張鵬，魏志，王春，等. 基于小波變換的風洞連續(xù)信號降噪分析［J］. 兵工自動化，2013，32(5) ： 63-67.

［10］楊建軍，張俊，張龍，等. 基于PSD 的模型姿態(tài)角和振動測量技術(shù)原理性研究［J］. 實驗流體力學，2012，26(4) ： 79-82.Yang J J，Zhang J，Zhang L，et al. Priniciple and method research for optical measuring system of model attitude angle and vibration based on PSD［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26(4) ： 79-82.

［11］彭玉華. 小波變化與工程應(yīng)用［M］. 北京： 北京科學出版社，1999.