陳 旦, 張永雙, 李 剛, 郭守春, 沈 牟

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000; 2. 西南交通大學(xué) 風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031; 3. 電子科技大學(xué) 自動化工程學(xué)院, 成都 611731)

0 引 言

連續(xù)式風(fēng)洞通過壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動風(fēng)洞回路氣體流動，進(jìn)而提供建立風(fēng)洞流場所需要的運(yùn)行壓比，按馬赫數(shù)(Ma)運(yùn)行范圍可分成低速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞。對連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞而言，總壓調(diào)節(jié)精度高、穩(wěn)定速度快對保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度和提高試驗(yàn)效率具有重要作用,尤其是對大型風(fēng)洞而言,其試驗(yàn)效率直接和巨大的經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)。連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總壓調(diào)節(jié)按照壓力范圍可分成負(fù)壓工況(部分風(fēng)洞無負(fù)壓工況)、常壓工況和增壓工況。以中國空氣動力研究與發(fā)展中心0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞為例，其馬赫數(shù)范圍Ma=0.2～1.6，壓力范圍20～250 kPa(絕對壓力)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局見圖1。

圖1 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

暫沖式風(fēng)洞壓力控制主要通過控制風(fēng)洞進(jìn)氣主、輔調(diào)壓閥等來實(shí)現(xiàn)[1-5]，而連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞主要通過對進(jìn)排氣系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)的閥門/泵組合控制來實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行壓力控制需求，且總壓調(diào)節(jié)受馬赫數(shù)調(diào)節(jié)手段影響較大[3,6-7]。目前，國內(nèi)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞數(shù)量較少，西北工業(yè)大學(xué)NF-6風(fēng)洞為國內(nèi)首座連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞[8-9]，而后陸續(xù)有中國空氣動力研究與發(fā)展中心及中國航空工業(yè)空氣動力研究院的0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞，國內(nèi)外公開文獻(xiàn)資料中關(guān)于連續(xù)式風(fēng)洞總壓控制方法的描述較少[10-13]，而對馬赫數(shù)控制以及風(fēng)洞特性的描述更多[3,6-9,13-18]。美國NTF風(fēng)洞(Ma0.2～1.2)實(shí)現(xiàn)了0.005 atm (506 Pa)的總壓波動控制，但相關(guān)文獻(xiàn)對流場參數(shù)的耦合以及總壓的控制方法描述較少[7,11,15]。歐洲ETW風(fēng)洞(Ma0.15～1.3)總壓范圍為125～450 kPa，控制精度為0.2%[13,17]，但相關(guān)文獻(xiàn)對總壓控制方法和算法未做具體描述。文獻(xiàn)[19]對0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞總壓的控制策略進(jìn)行了描述，但對總壓的影響因素和各調(diào)節(jié)手段的對應(yīng)關(guān)系未做深入研究。

本文通過分析連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及多種流場調(diào)節(jié)手段下壓力耦合特性，建立總壓控制精度和主要調(diào)節(jié)手段性能的對應(yīng)關(guān)系，以此選取性價(jià)比最優(yōu)的閥門組合調(diào)節(jié)方式，并通過分段變參數(shù)模糊PID算法和流量補(bǔ)償算法進(jìn)行總壓控制，以提高控制精度和穩(wěn)定速度。

1 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性分析

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般具有以下特性：

(1) 運(yùn)行工況多，包括常壓、增壓、負(fù)壓3種不同工況，且試驗(yàn)過程中需要連續(xù)變總壓。

(2) 風(fēng)洞用于壓力調(diào)節(jié)的閥門/泵數(shù)量多，不同的壓力工況涉及多種不同的閥門/泵組合控制方式。

(3) 風(fēng)洞配置了壓縮機(jī)氣密封系統(tǒng)，導(dǎo)致有部分氣體泄漏至洞體回路中，對總壓調(diào)節(jié)有較大影響，尤其是當(dāng)壓力工況為常壓或負(fù)壓時(shí)，影響明顯。

(4) 相比暫沖式風(fēng)洞，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞對總壓控制精度要求高，但快速性要求低，同時(shí)對調(diào)壓閥的要求稍低，配置稍差。

(5) 風(fēng)洞運(yùn)行過程中除調(diào)節(jié)總壓外，還需頻繁地改變試驗(yàn)條件，包括模型姿態(tài)角度、二喉道型面、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、駐室抽氣流量等，這些對總壓均有較大影響，總壓波動又導(dǎo)致Ma波動，從來帶了總壓和Ma的嚴(yán)重耦合。

綜上所述，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞調(diào)節(jié)手段多，工況多，總壓控制方法需要具備很強(qiáng)的適應(yīng)性，且總壓調(diào)節(jié)必須和Ma的控制協(xié)調(diào)進(jìn)行。

2 總壓影響因素分析

2.1 風(fēng)洞各調(diào)節(jié)手段對總壓的影響

Ma和總壓為連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的主要流場參數(shù)。Ma調(diào)節(jié)手段包括主壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、靜葉角、噴管型面、輔壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、駐室抽氣流量、二喉道型面，且Ma還受模型姿態(tài)角影響；而總壓調(diào)節(jié)手段包括真空泵轉(zhuǎn)速、抽真空調(diào)節(jié)閥開度、進(jìn)氣主調(diào)節(jié)閥開度、進(jìn)氣輔調(diào)節(jié)閥開度、排氣主調(diào)節(jié)閥開度、排氣輔調(diào)節(jié)閥開度，同時(shí)總壓還受氣源壓力和壓縮機(jī)系統(tǒng)漏氣量影響?？倝汉蚆a各調(diào)節(jié)手段相互影響，耦合嚴(yán)重(見圖2)，致使調(diào)節(jié)難度大，調(diào)節(jié)時(shí)間長。

圖2中ps為總壓控制目標(biāo)，pf為總壓反饋值，Mas為馬赫數(shù)控制目標(biāo)，Maf為馬赫數(shù)反饋值，Ga(s)為總壓傳遞函數(shù)，Gb(s)為馬赫數(shù)傳遞函數(shù)，Gab(s)為總壓對Ma的影響函數(shù)，Gba(s)為馬赫數(shù)對總壓的影響函數(shù)，G1(s)～G12(s)為對應(yīng)調(diào)節(jié)手段的傳遞函數(shù)。為提高流場指標(biāo)控制精度和試驗(yàn)效率，需要對Ma和總壓進(jìn)行解耦，但難度較大，工程應(yīng)用少，實(shí)踐中主要是結(jié)合總壓和Ma耦合關(guān)系，通過技術(shù)手段減少總壓和Ma的耦合來實(shí)現(xiàn)。

圖2 總壓、馬赫數(shù)各調(diào)節(jié)手段的耦合關(guān)系

Fig.2ThecouplingrelationofadjustingmeansfortotalpressureandMachnumber

2.2 總壓控制與調(diào)節(jié)閥特性的關(guān)系

如圖2所示，總壓的影響因素較多，為減少控制難度，真空泵采用軟啟動器啟動，按照額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這樣，不同工況下總壓控制主要通過調(diào)節(jié)對應(yīng)管路的調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)。為保證總壓控制精度和速度，需首先建立總壓和調(diào)節(jié)閥特性之間的關(guān)系。

考慮到風(fēng)洞內(nèi)壓力的波動由風(fēng)洞內(nèi)的氣體質(zhì)量變化引起，假定某種工況下壓力控制目標(biāo)為ps，風(fēng)洞容積為V，穩(wěn)定段當(dāng)前氣流溫度為T，則假定當(dāng)改變試驗(yàn)狀態(tài)(比如變迎角或變二喉道型面)時(shí)，壓力波動量為p，考慮到風(fēng)洞目標(biāo)壓力較低，且穩(wěn)定段為常溫，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得到：

(1)

其中，p為壓力波動量，Pa；Δm為氣體質(zhì)量增量，g；V為風(fēng)洞容積，m3；T為氣流溫度，℃；R1為氣體狀態(tài)常數(shù)，R1=8.314 J/(mol×K)；M為氣體摩爾質(zhì)量，空氣為29 g/mol。

由于風(fēng)洞換熱器一直工作，在壓力波動的較短時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為氣流溫度T基本不變，假定從壓力開始波動至壓力回到設(shè)定值ps的時(shí)間為t(單位s)，可算出若需重新穩(wěn)定至ps所需灌入風(fēng)洞內(nèi)的氣體質(zhì)量增量Δm。

(2)

而風(fēng)洞內(nèi)氣體密度和壓力有很大關(guān)系，在上述的壓力波動過程中(在較短的控制時(shí)間t內(nèi))，總壓的波動相對較小(在控制目標(biāo)ps附近波動)，對密度的影響較小。風(fēng)洞內(nèi)氣體是通過干燥氣源充入的，可認(rèn)為是干燥空氣，結(jié)合空氣在不同溫度，不同壓力下的密度公式，可得出風(fēng)洞內(nèi)氣體密度：

(3)

其中，ρ為空氣密度，g/m3；ps為目標(biāo)壓力，Pa。

由式(2)和(3)，可得到上述調(diào)節(jié)過程中風(fēng)洞內(nèi)對應(yīng)體積的增量ΔV：

(4)

將調(diào)節(jié)時(shí)間t帶入式(4)，得到該時(shí)間內(nèi)體積流量的增量ΔQV為：

(5)

為便于壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥小開度調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)緩和，大開度時(shí)應(yīng)靈敏有效，調(diào)節(jié)閥多采用等百分比特性曲線，理想情況下其體積流量和閥門開度之間滿足下式：

(6)

其中，QVx為開度為x時(shí)的體積流量，QVmax為流經(jīng)閥門的最大體積流量，m3/s；R為閥門的可調(diào)比，為流經(jīng)閥門的最大流量和最小流量的比值，受閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方面的限制，無法保證太小的最小流量；x為閥門開度(用百分比表示)。

在壓力調(diào)節(jié)過程中，風(fēng)洞體積流量的增加由調(diào)節(jié)閥位置開度變化來實(shí)現(xiàn)，假定初始平衡狀態(tài)下，閥門開度為x1，經(jīng)過上述調(diào)節(jié)過程后達(dá)到新的平衡狀態(tài)，此時(shí)閥門開度為xn，可認(rèn)為閥門調(diào)節(jié)過程中為勻速運(yùn)動(閥門實(shí)際調(diào)節(jié)過程為往復(fù)運(yùn)動，但對多數(shù)電動執(zhí)行器而言，除加減速階段外，可認(rèn)為中間速度恒定)，假定在t時(shí)間內(nèi)經(jīng)過n個(gè)調(diào)節(jié)位置，則n和t應(yīng)滿足下式：

(7)

其中，t為調(diào)節(jié)時(shí)間，s；n為t時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)閥可識別出的閥門位置的數(shù)量；vs為閥門平均調(diào)節(jié)速度；r為閥門分辨率。

基于式(6)和(7)，上述調(diào)節(jié)過程中體積流量的增量用控制程序可表示為：

(8)

式(5)和(8)是等價(jià)的，并令

(9)

得到：

k×R(x1-1)×t×ps

(10)

將式(10)用積分形式可表示為：

p=k×t×ps×

(11)

由此得到壓力波動和調(diào)節(jié)閥開度的對應(yīng)關(guān)系。

考慮到調(diào)節(jié)閥初始位置x1和開度變化量無相關(guān)性，對式(11)兩邊求導(dǎo)，可得到壓力波動的變化量和調(diào)節(jié)閥開度變化量之間的關(guān)系：

(12)

將控制目標(biāo)壓力也考慮進(jìn)來，并結(jié)合式(7)，可得到壓力調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)閥特性的關(guān)系：

(13)

由式(13)可以得到以下幾條結(jié)論，以進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥為例，在同一氣源壓力下：

(1) 風(fēng)洞容積越大，總壓控制精度越高；

(2) 閥門速度越快，閥門分辨率越高，總壓控制精度越高；

(3) 閥門最大流量越小，總壓控制精度越高。

結(jié)合0.6 m風(fēng)洞實(shí)際數(shù)據(jù)(風(fēng)洞容積260 m3)，在某工況下可以得到調(diào)節(jié)閥不同性能參數(shù)和總壓控制精度之間的關(guān)系曲線(見圖3)。閥門在實(shí)際運(yùn)行時(shí)受工作特性影響，其實(shí)際可調(diào)比很低，一般均在10以下[20]。

可以看出，當(dāng)閥門形式和可調(diào)比一定時(shí)，總壓精度和調(diào)節(jié)閥特性有直接關(guān)系，以“分辨率0.5%，速度1%/s(每秒開度為全行程的1%)”曲線為例，壓力趨穩(wěn)后，只有在開度60%以下調(diào)節(jié)時(shí)才能滿足0.2%的總壓控制要求，而若要求更高的控制精度，則必須要求更好的調(diào)節(jié)閥性能。但在調(diào)節(jié)閥選擇時(shí)不能一味的要求精度(分辨率)和速度，精度(分辨率)越高/速度越快，制造難度越大，成本越高，且運(yùn)行速度過快易導(dǎo)致閥門機(jī)構(gòu)產(chǎn)生超調(diào)抖動。

Fig.3Therelationbetweentotalpressureprecisionandregulatingvalveproperties

3 多閥門組合控制策略

由總壓控制精度和調(diào)節(jié)閥特性之間的關(guān)系可知，要保證總壓控制精度，調(diào)節(jié)閥的速度應(yīng)足夠快，且分辨率(精度)應(yīng)較高，但連續(xù)式風(fēng)洞調(diào)節(jié)閥很多，若每臺調(diào)節(jié)閥均采用高配置，工程耗費(fèi)較大，因此需要對閥門進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，其中用于壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)的閥門采用高精度、高速度，而用于預(yù)置調(diào)節(jié)的閥門可適當(dāng)降低性能指標(biāo)。

結(jié)合上述分析的風(fēng)洞壓力變化規(guī)律，為保證較好的調(diào)節(jié)效果，并減少氣源消耗量，確定閥門組合控制策略為：

(1) 常壓工況時(shí)，考慮到壓縮機(jī)氣密封系統(tǒng)往洞體漏氣，進(jìn)氣閥關(guān)閉，利用排氣主、輔調(diào)節(jié)閥進(jìn)行總壓閉環(huán)控制；

(2) 負(fù)壓工況時(shí)，預(yù)置進(jìn)氣閥開度，真空泵額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，調(diào)節(jié)抽真空調(diào)節(jié)閥進(jìn)行總壓閉環(huán)控制；

(3) 增壓工況時(shí)，預(yù)置進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開度，通過調(diào)節(jié)主、輔排氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行總壓閉環(huán)控制；

(4) 常壓增壓工況調(diào)節(jié)過程中，排氣主調(diào)閥進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，待壓力趨穩(wěn)后由排氣輔調(diào)節(jié)閥精確調(diào)節(jié)，壓力較長時(shí)間穩(wěn)定在0.01%以下時(shí)排氣主、輔調(diào)節(jié)閥均退出閉環(huán)，以減少閥門磨損。

(5) 當(dāng)改變Ma階梯時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大，壓力波動也較大，對參與調(diào)節(jié)的閥門調(diào)節(jié)過程中的積分值進(jìn)行限制。同時(shí)在Ma控制算法設(shè)計(jì)時(shí)，變Ma采用多階梯逐次升/降速轉(zhuǎn)速的控制方式(以某一個(gè)轉(zhuǎn)速增量為階梯，轉(zhuǎn)速到位且等待閥門有效動作后，再調(diào)轉(zhuǎn)速)。

(6) 當(dāng)定Ma階梯變總壓時(shí)，采用流量補(bǔ)償算法根據(jù)不同目標(biāo)壓力以及壓力偏差調(diào)整進(jìn)氣閥開度來開環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)氣，并通過調(diào)節(jié)排氣調(diào)節(jié)閥或抽真空調(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力精確控制。

4 總壓控制算法

4.1 分段變參數(shù)模糊PID算法

考慮到PID算法具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在自適應(yīng)能力相對較差的缺點(diǎn)，而模糊PID不需要精確模型，參數(shù)可自由調(diào)整，對不確定性系統(tǒng)有較好的適應(yīng)性[21]，因此采用模糊PID算法作為壓力控制的核心算法。模糊PID控制算法先計(jì)算被控量的誤差e和誤差變化率ec，并將其作為模糊控制器的輸入，通過模糊化、模糊推理、解模糊得到Kp(比例系數(shù))、Ki(積分系數(shù))和Kd(微分系數(shù))的修正量，并在控制過程中實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù)。

民族意識是對于民族本身文化的認(rèn)可，是人們發(fā)自內(nèi)心對民族的熱愛。當(dāng)代大學(xué)生作為祖國的接班人，應(yīng)銘記歷史，梳理民族意識，以此推動我國社會快速發(fā)展。將中國傳統(tǒng)文化融入到我國高校思想政治教育中能夠有效的提升大學(xué)生民族意識，能夠引導(dǎo)大學(xué)生正確認(rèn)識我國發(fā)展歷史，從而培養(yǎng)大學(xué)生樹立愛國主義信念及對民族文化認(rèn)可。

由于連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓力工況較多，不同的壓力區(qū)間下風(fēng)洞的總壓特性不同，比如增壓工況下，由于壓差增大，風(fēng)洞排氣調(diào)節(jié)閥開度增大后排氣閥流量增大，總壓下降明顯，若閥門動作速度過慢，閥門的調(diào)節(jié)速度將跟不上壓力變化的速度，而此時(shí)若仍使用常壓時(shí)的控制參數(shù)為基準(zhǔn)，即使通過模糊PID進(jìn)行變參數(shù)控制，也將導(dǎo)致控制算法適應(yīng)性差。因此，采用分段變參數(shù)加模糊PID相結(jié)合的方式，即在模糊PID的基礎(chǔ)上，考慮不同目標(biāo)總壓帶來的影響，首先在幾種典型總壓目標(biāo)下，初步調(diào)試確定一組適合當(dāng)前總壓目標(biāo)的PID控制參數(shù)作為基準(zhǔn)值，爾后由模糊算法結(jié)合壓力目標(biāo)和調(diào)節(jié)閥特性進(jìn)行變參數(shù)控制，其原理框圖見圖4(控制參數(shù)Kd取值較小，只采用同一種參數(shù)，故圖中未畫出)。

壓力控制算法采用外環(huán)壓力閉環(huán)，內(nèi)環(huán)閥位監(jiān)測的控制方式，即只有當(dāng)調(diào)節(jié)閥位置接近上一次目標(biāo)位置時(shí)才給出下一個(gè)目標(biāo)位置。

表1 模糊PID規(guī)則表Table 1 Fuzzy PID rule table

參數(shù)選取的基本原則為：偏差大時(shí)選取較大的ΔKp、較小的ΔKi，偏差適中時(shí)選取較小的ΔKp、適中的ΔKi，偏差小時(shí)選取較大的ΔKp、較大的ΔKi。

根據(jù)壓力目標(biāo)進(jìn)行分段，能更準(zhǔn)確地獲取適合當(dāng)前壓力工況的基準(zhǔn)參數(shù)值范圍(可將其擬合處理后再作為模糊控制的輸入)，而模糊PID對參數(shù)調(diào)整時(shí)只在當(dāng)前基準(zhǔn)參數(shù)上較小幅度修正，進(jìn)而避免了控制參數(shù)大幅變化帶來的振蕩，增強(qiáng)了算法適應(yīng)性。

4.2 流量補(bǔ)償算法

風(fēng)洞調(diào)壓過程中，當(dāng)壓力欠壓或變壓力階梯時(shí)，需通過開啟進(jìn)氣閥對風(fēng)洞進(jìn)行補(bǔ)氣，常壓或25 kPa以下負(fù)壓工況下補(bǔ)氣結(jié)束后直接關(guān)閉進(jìn)氣閥，而增壓或高壓力負(fù)壓工況下若關(guān)閉進(jìn)氣閥，僅依靠排氣(抽真空)閥進(jìn)行總壓閉環(huán)，可能會導(dǎo)致用于調(diào)節(jié)的排氣(抽真空)閥的平均開度較小(大)，易陷入調(diào)節(jié)死區(qū)，嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)效果，因此趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)需要一直通過開啟進(jìn)氣閥進(jìn)行流量補(bǔ)償，以確保排氣(抽真空)閥處于合理的調(diào)節(jié)區(qū)間。流量補(bǔ)償?shù)木唧w過程為：當(dāng)壓力偏差較大時(shí)，進(jìn)氣大閥根據(jù)偏差大小采用階梯補(bǔ)氣的方式，偏差越大進(jìn)氣閥開度越大；當(dāng)壓力偏差較小，調(diào)節(jié)過程趨穩(wěn)后進(jìn)氣大閥關(guān)閉，進(jìn)氣小閥以一定的進(jìn)氣量往風(fēng)洞充氣。趨穩(wěn)后進(jìn)氣小閥預(yù)置開度與氣源壓力pas和目標(biāo)壓力ps滿足下列函數(shù)關(guān)系：

(14)

負(fù)壓小于25 kPa，以及常壓小于105 kPa時(shí)進(jìn)氣閥全關(guān)，依靠壓縮機(jī)氣密封漏氣進(jìn)行欠壓時(shí)的流量補(bǔ)償。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制方法的可行性，并測試算法性能，在0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞上進(jìn)行了驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套風(fēng)洞總壓控制系統(tǒng)，對變流場參數(shù)、變模型姿態(tài)角等不同工況均進(jìn)行了調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)以PLC 315-2PN/DP為核心，通過對多臺調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)總壓控制，其中排氣主調(diào)節(jié)閥(DN150)精度0.5%、速度1.4%/s，排氣輔調(diào)節(jié)閥(DN50，口徑小，可調(diào)流量范圍小)精度0.2%、速度3%/s，抽真空調(diào)節(jié)閥(DN250)精度0.5%、速度0.7%/s，其他調(diào)節(jié)閥精度1.0%、速度1.3%/s。

圖5為常壓和增壓工況下試驗(yàn)結(jié)果，圖6為負(fù)壓工況下試驗(yàn)結(jié)果，圖中p0為穩(wěn)定段總壓。由圖5和6可知，常壓和增壓工況總壓控制精度優(yōu)于0.1%，負(fù)壓工況總壓控制精度優(yōu)于0.2%。改變Ma階梯時(shí)，尤其是跨越式大階梯改變Ma階梯時(shí)，如圖5中Ma由0.2變至0.5，圖6中Ma由0.5變至0.9時(shí)，總壓調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)一個(gè)較大的尖峰，這是由于大幅增加壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速導(dǎo)致總壓迅速上升，而該風(fēng)洞排氣管路的泄壓能力有限，加上排氣主調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行速度仍較慢，來不及泄壓。在上述工況中，改變相鄰Ma階梯時(shí)，總壓首次穩(wěn)定的平均時(shí)間為80 s(未考慮Ma極曲線時(shí)間)。

圖5 常壓增壓下變馬赫數(shù)調(diào)試結(jié)果

Fig.5DebuggingresultofchangingMachnumberundernormalpressureandpressurizationcondition

以常壓工況為例，圖7和8為保證Ma極曲線時(shí)間為前提的調(diào)試結(jié)果(設(shè)計(jì)指標(biāo)為5 min一條極曲線)，其中圖7為采用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速精調(diào)Ma的數(shù)據(jù)，圖8為采用中心體精調(diào)Ma的數(shù)據(jù)，圖中α為迎角。

圖6 20 kPa變馬赫數(shù)調(diào)試結(jié)果

圖7 常壓下變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)馬赫數(shù)的調(diào)試結(jié)果

Fig.7TheresultofchangingcompressorspeedtoadjustMachnumberundernormalpressurecondition

圖8 常壓下變中心體調(diào)節(jié)馬赫數(shù)的調(diào)試結(jié)果

Fig.8TheresultofchangingcenterbodytoadjustMachnumberundernormalpressurecondition

圖7和8中馬赫數(shù)極曲線時(shí)間9個(gè)迎角階梯均遠(yuǎn)小于5 min，改變相鄰馬赫數(shù)階梯時(shí)，總壓首次穩(wěn)定的平均時(shí)間為40 s，總壓控制精度優(yōu)于0.1%(從第一個(gè)迎角階梯到位且流場穩(wěn)定后開始，到完成所有迎角階梯結(jié)束為一個(gè)流場參數(shù)采樣周期)，達(dá)到國軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)。

采用主壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及二喉道調(diào)節(jié)Ma時(shí)，一般具有以下趨勢：轉(zhuǎn)速升高，Ma升高，總壓上升；中心體張開，Ma下降；調(diào)節(jié)片(一般僅預(yù)置調(diào)節(jié))伸出，Ma下降。定Ma狀態(tài)，低Ma小迎角變化時(shí)總壓波動小，高M(jìn)a大迎角變化時(shí)總壓波動大。另外，從圖7和8可以看出，采用中心體閉環(huán)Ma的方式帶來的總壓波動幅值相比采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)Ma的方式要小。

在上述的調(diào)試過程中，若降低控制時(shí)間要求，隨著系統(tǒng)逐步趨穩(wěn)，總壓控制精度將更高。

6 結(jié) 論

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出下列結(jié)論：

(1) 利用本文提出的總壓控制方法能夠滿足0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總壓精度指標(biāo)要求(該風(fēng)洞常壓增壓下總壓設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.2%)，并為保證總壓和Ma極曲線時(shí)間提供了支撐；

(2) 建立的總壓控制精度和調(diào)節(jié)閥特性之間的關(guān)系可為連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)選型提供參考。

(3) 本文探討的風(fēng)洞總壓控制方法可為其他連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的壓力控制提供參考。