陳旦, 王眾, 魯相, 林辰龍, 裴海濤

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所, 四川 綿陽 621000)

某連續(xù)式超聲速風(fēng)洞作為國(guó)內(nèi)首座連續(xù)式超聲速風(fēng)洞，馬赫數(shù)范圍為1.5～4.5(目前馬赫數(shù)只到3.0)，壓力范圍20～200 kPa(絕壓)。風(fēng)洞由多級(jí)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，配置有噴管段、試驗(yàn)段和超擴(kuò)段等部段，同時(shí)配置總壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增壓和降壓運(yùn)行，配置換熱器段實(shí)現(xiàn)總溫調(diào)節(jié)。

目前國(guó)內(nèi)超聲速風(fēng)洞均為暫沖式，代表性的為中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的2 m超聲速風(fēng)洞。相比暫沖式超聲速風(fēng)洞，連續(xù)式超聲速風(fēng)洞單次運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，流場(chǎng)參數(shù)控制精度高，運(yùn)行效率高，可在較低速壓下運(yùn)行，且連續(xù)式超聲速風(fēng)洞啟動(dòng)/關(guān)車時(shí)沖擊小，降低了對(duì)模型、天平等機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的要求。該風(fēng)洞的建設(shè)將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)連續(xù)式超聲速風(fēng)洞領(lǐng)域的空白，并通過摸索其運(yùn)行控制及設(shè)計(jì)、調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)，可為今后更大量級(jí)的連續(xù)式超聲速風(fēng)洞的建設(shè)調(diào)試奠定基礎(chǔ)。

我國(guó)第一座跨超聲速風(fēng)洞是建于1958年的FL-1暫沖式風(fēng)洞，目前最大的為2 m超聲速暫沖式風(fēng)洞，其馬赫數(shù)范圍1.5～4.0，馬赫數(shù)均勻性0.003 3～0.006 2，總壓范圍100～1 200 kPa，總壓控制精度0.3%[1-2]。國(guó)外早在1960年就建立了大型連續(xù)式超聲速風(fēng)洞，尺寸最大的為美國(guó)阿諾德工程發(fā)展中心的16S風(fēng)洞(建成于1960年)，其口徑達(dá)到4.9 m，馬赫數(shù)范圍為1.5～4.75(并論證過馬赫數(shù)6及以上實(shí)施的可能性)，高度模擬范圍為15～45 km[3]。過去幾十年受連續(xù)式超聲速風(fēng)洞建設(shè)費(fèi)用等影響，國(guó)內(nèi)外多以暫沖式風(fēng)洞建設(shè)為主，但最近一二十年，由于連續(xù)式超聲速風(fēng)洞的優(yōu)異性能以及發(fā)展高超聲速武器的緊迫性，又加大了對(duì)連續(xù)式超聲速風(fēng)洞的建設(shè)投入，比如美國(guó)于2013至2015年對(duì)封存的16S風(fēng)洞開展了狀態(tài)評(píng)估，之后更是進(jìn)行了耗資6 000萬美元的修復(fù)和現(xiàn)代化改造[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)連續(xù)式超聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究描述極少，即使是關(guān)于連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試的文獻(xiàn)也相對(duì)較少[7-15]。美國(guó)NTF跨聲速風(fēng)洞(總壓100～830 kPa，馬赫數(shù)0.1～1.2)最近幾年利用二喉道精調(diào)來提高馬赫數(shù)穩(wěn)定性；中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞(下簡(jiǎn)稱0.6 m風(fēng)洞)通過設(shè)置內(nèi)環(huán)觀測(cè)閾值的串級(jí)控制加模糊PID的控制方法，采用轉(zhuǎn)速粗調(diào)加中心體精調(diào)的方式，實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)控制精度達(dá)到0.001，并通過分段變參數(shù)模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)了常壓/增壓下總壓控制精度0.1%(負(fù)壓下0.2%)；西北工業(yè)大學(xué)NF-6跨聲速風(fēng)洞采用轉(zhuǎn)速加?xùn)胖讣捌浣M合的方式實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)控制精度0.002。

考慮到連續(xù)式超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)建立方式和(低)跨聲速風(fēng)洞不同，且風(fēng)洞馬赫數(shù)更高，氣動(dòng)載荷更大，壓縮機(jī)功率更高，風(fēng)洞總壓和馬赫數(shù)等參數(shù)仍存在相互耦合，因此，如何實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)參數(shù)的精確控制和快速穩(wěn)定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 流場(chǎng)參數(shù)控制原理

某連續(xù)式超聲速風(fēng)洞啟動(dòng)運(yùn)行后，換熱器系統(tǒng)按照一定的冷量運(yùn)行，即總溫不做精確控制，因此，本文討論的流場(chǎng)參數(shù)特指總壓和馬赫數(shù)?？倝汉婉R赫數(shù)控制是一個(gè)復(fù)雜的綜合性任務(wù)，需要調(diào)動(dòng)其下屬的各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，其原理如圖1所示。首先由核心控制器(BOXPC)通過調(diào)度噴管/超擴(kuò)段控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)型面/調(diào)節(jié)片至對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)，然后通過壓縮機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制來建立風(fēng)洞運(yùn)行壓比，并實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)控制；通過對(duì)總壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥或真空泵等閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)總壓的精確調(diào)節(jié)；通過模型姿態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型迎角等調(diào)節(jié)；通過標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總壓和馬赫數(shù)參數(shù)的測(cè)量，并作為總壓和馬赫數(shù)控制的基準(zhǔn)。

圖1 流場(chǎng)參數(shù)控制原理

該風(fēng)洞總壓的調(diào)節(jié)手段及影響因素包括：抽真空泵轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開度、排氣/抽氣調(diào)節(jié)閥開度、氣源壓力和洞體漏氣量；靜壓沒有直接的控制手段；馬赫數(shù)的調(diào)節(jié)手段及影響因素包括：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、噴管型面、超擴(kuò)段型面、模型堵塞度等。

連續(xù)式風(fēng)洞馬赫數(shù)公式為

(1)

式中:p0為穩(wěn)定段總壓;p1為試驗(yàn)段靜壓。

由公式(1)可知,總壓的調(diào)節(jié)直接影響馬赫數(shù),而實(shí)際中馬赫數(shù)調(diào)節(jié)手段比如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、半柔壁型面等在調(diào)節(jié)過程中又將導(dǎo)致總壓的波動(dòng),這就導(dǎo)致馬赫數(shù)與總壓之間存在耦合,調(diào)節(jié)難度加大?？倝汉婉R赫數(shù)的耦合關(guān)系如圖2所示。

圖2 總壓、馬赫數(shù)影響因素及耦合關(guān)系

但連續(xù)式超聲速風(fēng)洞和跨聲速風(fēng)洞的流場(chǎng)參數(shù)耦合特性又有所不同。一是馬赫數(shù)精確調(diào)節(jié)方式不同,跨聲速風(fēng)洞需要通過對(duì)中心體/柵指型面、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等調(diào)節(jié)手段實(shí)時(shí)閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)精確調(diào)節(jié),而超聲速風(fēng)洞主要通過噴管型面、超擴(kuò)段型面精確調(diào)節(jié)到位后,利用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來建立馬赫數(shù)流場(chǎng)。另外,兩者在馬赫數(shù)和總壓的耦合程度上也不同,超聲速風(fēng)洞的馬赫數(shù)流場(chǎng)主要由壓比決定,當(dāng)壓比一定時(shí),總壓波動(dòng)對(duì)馬赫數(shù)的影響較小;而跨聲速風(fēng)洞總壓波動(dòng)時(shí)馬赫數(shù)波動(dòng)較大。

由上述分析可知,對(duì)于工況復(fù)雜、狀態(tài)多變的風(fēng)洞總壓與馬赫數(shù)運(yùn)行流場(chǎng)來說,由于流場(chǎng)參數(shù)調(diào)節(jié)手段多,相互耦合,很難獲得精確數(shù)學(xué)模型,故而基于數(shù)學(xué)解耦的現(xiàn)代控制理論難于施行。因此在設(shè)計(jì)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)參數(shù)控制方法時(shí),首先基于各自調(diào)節(jié)手段進(jìn)行對(duì)應(yīng)參數(shù)的閉環(huán)控制,同時(shí)結(jié)合馬赫數(shù)與總壓耦合關(guān)系,通過技術(shù)手段進(jìn)行解耦來實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)參數(shù)精確控制。

結(jié)合流場(chǎng)參數(shù)控制原理和耦合關(guān)系,擬通過高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)多調(diào)節(jié)手段的協(xié)調(diào)調(diào)度,通過高動(dòng)態(tài)高精度的調(diào)節(jié)/測(cè)試手段和先進(jìn)控制算法來保證流場(chǎng)參數(shù)的精確調(diào)節(jié)和快速穩(wěn)定。

2 控制系統(tǒng)網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)以嵌入式控制器BoxPC 427E為核心,通過2套智能交換機(jī)組建光纖環(huán)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞的流場(chǎng)控制,并負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)洞運(yùn)行相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)控制。各子系統(tǒng)PLC之間采用Profinet RT通信,PLC控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用Profinet IRT進(jìn)行通信,風(fēng)洞整體控制調(diào)度(包括機(jī)構(gòu)執(zhí)行)周期控制在100 ms,滿足流場(chǎng)參數(shù)控制系統(tǒng)對(duì)各調(diào)節(jié)手段的調(diào)度要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題

流場(chǎng)參數(shù)的精確快速控制除先進(jìn)的控制算法外還需要考慮時(shí)間特性(各機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度特性能否滿足調(diào)度要求)、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)/測(cè)試儀器的控制/測(cè)試精度能否滿足流場(chǎng)參數(shù)控制精度指標(biāo)、能否保證多變量逐次解耦的及時(shí)性,并確保能支撐起控制算法的高效性。

3.1 高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于總壓和馬赫數(shù)控制精度要求較高,為保證控制的有效性，需要首先保證流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性，壓力采集精度對(duì)馬赫數(shù)偏差的影響可用公式(2)來表示

(2)

(3)

由公式(3)可知當(dāng)目標(biāo)馬赫數(shù)越低，對(duì)壓力采集的精度要求越高，而本風(fēng)洞啟動(dòng)馬赫數(shù)較高，避免了低馬赫數(shù)下對(duì)測(cè)試儀器高精度的要求。同時(shí)，由(1)式得到靜壓隨馬赫數(shù)變化情況，如(4)式所示

(4)

由(4)式可得到不同穩(wěn)定段總壓下，馬赫數(shù)階梯變化時(shí)的靜壓變化，如圖3所示。

圖3 不同總壓下靜壓隨馬赫數(shù)變化情況

由圖3可知，當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到3.0時(shí)靜壓只有幾百帕，而若要保證總靜壓的精度，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外壓力傳感器性能，選取0.02%精度壓力傳感器(其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為20 ms)，并采用量程分段的方式以適應(yīng)不同壓力運(yùn)行工況的測(cè)試需求。

3.2 伺服系統(tǒng)高精度及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性設(shè)計(jì)

作為馬赫數(shù)主要調(diào)節(jié)手段，半柔壁及超擴(kuò)段等伺服系統(tǒng)需具備較高的定位精度和足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,這里重點(diǎn)以柔壁為例來進(jìn)行描述。半柔壁噴管由上下各6套伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，為保證氣流均勻性和柔板不損壞，需要單側(cè)6個(gè)軸同步運(yùn)行，上下兩側(cè)各6個(gè)軸協(xié)調(diào)運(yùn)行。柔壁控制系統(tǒng)以1516T-CPU作為控制器，配以Sinamic S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)半柔壁機(jī)構(gòu)的多軸同步控制。T-CPU接受風(fēng)洞核心控制器發(fā)送的型面控制命令，計(jì)算出各推桿運(yùn)行目標(biāo)位移，通過S120控制推桿的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)構(gòu)上位移傳感器實(shí)時(shí)采集各推桿的位移，反饋給T-CPU，與設(shè)定值不斷比較，并對(duì)控制量進(jìn)行修正，最終形成完整的位置閉環(huán)。伺服系統(tǒng)位置定位原理如圖4所示。

圖4 伺服系統(tǒng)位置定位原理

伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度d(不考慮機(jī)構(gòu)加工安裝精度)由電機(jī)分辨率精度和位移傳感器采集精度兩部分組成，如(5)式(最大誤差)所示

(5)

式中：Ms為推桿絲杠螺距；nh為電機(jī)單圈分辨率；rd為電機(jī)減速比；j為位移傳感器滿量程精度；L為位移傳感器量程。

在確定機(jī)構(gòu)定位精度要求后，據(jù)(5)式可反算各電機(jī)、位移傳感器等精度參數(shù)。

為保證半柔壁單側(cè)6個(gè)伺服軸運(yùn)動(dòng)過程同步運(yùn)行，以1號(hào)軸為主軸，其他5個(gè)軸為從軸，每次運(yùn)行前先計(jì)算各軸的齒輪比

(6)

式中：rn為第n個(gè)軸的齒輪比；sn為第n個(gè)軸的當(dāng)次行程；s1為主軸(1號(hào)軸)的當(dāng)次行程；vn為第n個(gè)軸的勻速運(yùn)行速度；v1為1號(hào)軸運(yùn)行速度。

同時(shí)，為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性，且同起同停，各軸之間應(yīng)設(shè)置可變加速度，且加速度和各軸速度成正比，即

(7)

式中：an為第n個(gè)軸加速度；t1為1號(hào)軸加速時(shí)間，可結(jié)合控制器性能和調(diào)試需要設(shè)置該加速時(shí)間。

當(dāng)前型面運(yùn)行到位后，再走新的型面時(shí)，需重新計(jì)算各軸的目標(biāo)行程，并計(jì)算齒輪比和加速度。

TCPU控制系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用PN-Drive通信協(xié)議，總線循環(huán)(控制)周期可縮短至3 ms以內(nèi)。按照s=v×t，當(dāng)控制周期足夠短，控制器可識(shí)別出的各軸之間的不同步量越小，可及早重新對(duì)各軸進(jìn)行位置調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)更精確的同步控制精度。

3.3 總壓調(diào)節(jié)手段精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性設(shè)計(jì)

結(jié)合圖2可知，總壓調(diào)節(jié)手段主要包括調(diào)節(jié)閥開度、真空泵轉(zhuǎn)速、氣源壓力等，而氣源壓力受外界影響，不容易控制。這樣，總壓的調(diào)節(jié)手段變成了真空泵轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥開度，而兩者若同時(shí)調(diào)節(jié)，易出現(xiàn)相互耦合。因此，壓力閉環(huán)時(shí)，真空泵轉(zhuǎn)速采用前饋控制(不同目標(biāo)壓力階梯下預(yù)置調(diào)節(jié))，而利用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行精調(diào)。忽略風(fēng)洞漏氣，連續(xù)式風(fēng)洞總壓控制精度可參考(8)式[16]：

式中：p為壓力波動(dòng)量；ps為目標(biāo)壓力；QVmax為閥門最大體積流量;M為空氣摩爾質(zhì)量；R1為氣體狀態(tài)常數(shù)；調(diào)節(jié)時(shí)間為t；x為閥門開度比；R為閥門的可調(diào)比；閥門調(diào)節(jié)過程平均速度為vs；閥門可識(shí)別的位置精度(分辨率)為d；s為閥阻比。

考慮到洞體容積較小，只有50 m3，而一般調(diào)節(jié)閥R=50，同時(shí)排氣和抽真空調(diào)節(jié)閥共用，流量較大(10 min內(nèi)常壓抽至20 kPa)，結(jié)合(8)式，并基于現(xiàn)有市面上調(diào)節(jié)閥的性能，要求調(diào)節(jié)閥定位精度優(yōu)于0.2%，速度(時(shí)間)優(yōu)于25～30 s。

3.4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)系統(tǒng)作為動(dòng)力源，是連續(xù)式超聲速風(fēng)洞最重要的系統(tǒng)，而且壓縮機(jī)系統(tǒng)能耗很大，這就對(duì)壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)特性有很高要求。同時(shí)，穩(wěn)定段總壓和風(fēng)速的關(guān)系如(9)式所示

(9)

式中:p0為總壓；p1為靜壓；pd為動(dòng)壓；ρ為密度；vf為風(fēng)速。作為馬赫數(shù)主要調(diào)節(jié)手段之一，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，(9)式中的靜壓、密度等均會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致總壓波動(dòng)。

結(jié)合其他連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求(比如0.6 m風(fēng)洞)和現(xiàn)有壓縮機(jī)設(shè)計(jì)水平，要求壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到0.03%，最大升降速度為90 s以內(nèi)。

4 分段變參數(shù)加模糊PI算法實(shí)現(xiàn)總壓控制

由于連續(xù)式超聲速風(fēng)洞馬赫數(shù)無需主控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)，在解耦控制時(shí)主要考慮馬赫數(shù)調(diào)節(jié)手段對(duì)總壓的影響。而在風(fēng)洞流場(chǎng)參數(shù)控制領(lǐng)域，使用較多的算法包括PID控制、模糊控制和預(yù)測(cè)控制等，考慮到超聲速風(fēng)洞要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型很困難，以分段模糊PI控制算法為核心來實(shí)施總壓控制?？倝嚎刂撇呗詾椋涸鰤簳r(shí)采用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥預(yù)置，排氣調(diào)節(jié)閥精調(diào)，負(fù)壓時(shí)采用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥預(yù)置，抽氣調(diào)節(jié)閥加真空泵精調(diào)的總壓控制方式。設(shè)計(jì)時(shí)先采用前饋控制方式實(shí)施壓力粗調(diào)，待壓力進(jìn)入調(diào)節(jié)閾值q(t)(設(shè)定為目標(biāo)壓力的96%～104%)后再采用分段變參數(shù)加模糊PI控制算法進(jìn)行總壓精確控制，即在模糊PI的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)目標(biāo)總壓調(diào)試獲取不同目標(biāo)壓力下的分段的PI控制參數(shù)作為模糊PI基準(zhǔn)參數(shù)，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。其原理框圖如圖5所示。

圖5 總壓控制算法調(diào)節(jié)原理

模糊PI以PI控制器為基礎(chǔ)，PI控制器根據(jù)壓力的給定值s(t)和實(shí)際值r(t)的偏差e(t)與比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti組合構(gòu)成控制量輸出，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為

(10)

離散化處理后得到(11)式

(11)

(12)

模糊PI的控制算法描述相對(duì)較多，這里就不過多敘述[17-19]。

考慮到壓縮機(jī)密封氣系統(tǒng)往風(fēng)洞內(nèi)漏密封氣(固有特性)，風(fēng)洞增壓及低真空工況下，需要通過開啟進(jìn)氣閥進(jìn)行流量補(bǔ)償，以確保排氣/抽氣調(diào)節(jié)閥處于合理的調(diào)節(jié)區(qū)間。進(jìn)入調(diào)節(jié)閾值q(t)后，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開度V(x)與氣源壓力pa、目標(biāo)總壓ps滿足(12)式

(13)

同時(shí)，負(fù)壓工況下真空泵轉(zhuǎn)速np也隨著(13)式進(jìn)行預(yù)置調(diào)節(jié)，以防止低真空下抽氣系統(tǒng)流量過大，導(dǎo)致抽氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)入調(diào)節(jié)死區(qū)。

(14)

5 運(yùn)行控制流程設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

連續(xù)式超聲速風(fēng)洞能耗大，合理優(yōu)化的運(yùn)行控制流程是試驗(yàn)效率優(yōu)化的前提保證，風(fēng)洞運(yùn)行控制主要流程如圖6所示。考慮到馬赫數(shù)和總壓的耦合，在啟動(dòng)或變馬赫數(shù)階梯時(shí)先利用馬赫數(shù)調(diào)節(jié)手段進(jìn)行預(yù)置，待馬赫數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后，再利用總壓控制算法實(shí)施壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖6 風(fēng)洞運(yùn)行控制流程圖

風(fēng)洞于2020年開始建設(shè)，2021年建設(shè)完畢，經(jīng)過測(cè)試，柔壁和超擴(kuò)段、模型支撐系統(tǒng)機(jī)構(gòu)定位精度優(yōu)于0.01 mm，同步過程中各軸的不同步量小于0.05 mm。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度約0.03%。總壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥調(diào)整為氣驅(qū)調(diào)節(jié)閥，實(shí)際定位精度僅為0.5%(分辨率0.5%)，速度為3.2%/s(每秒3.2%的全行程)；受氣驅(qū)調(diào)節(jié)閥死區(qū)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間影響，調(diào)節(jié)閥可用調(diào)節(jié)開度范圍為2%～98%。

風(fēng)洞吹風(fēng)結(jié)果以2021060201和2021060301 2個(gè)典型車次進(jìn)行描述，試驗(yàn)條件為變總壓、變馬赫數(shù)。馬赫數(shù)調(diào)節(jié)方式為固定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，攻角固定為0°(該風(fēng)洞目前僅安裝移測(cè)架)，流場(chǎng)穩(wěn)定后采用總壓探針移測(cè)架進(jìn)行移測(cè)測(cè)試。圖7和圖8分別為20 kPa和60 kPa下變馬赫數(shù)測(cè)試結(jié)果(車次為2021060301)，圖9為100 kPa下變馬赫數(shù)測(cè)試結(jié)果(車次為2021060201)。在噴管運(yùn)動(dòng)過程中型面號(hào)保持為前一值，只有型面完全成型時(shí)，當(dāng)前型面號(hào)才會(huì)更新。

從圖7～9中可知，趨穩(wěn)后壓力控制精度優(yōu)于0.05%(圖中總壓虛線范圍)，試驗(yàn)段馬赫數(shù)單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)控制精度可優(yōu)于0.000 3(圖中馬赫數(shù)虛線范圍)。

由圖7～9中可知，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，柔壁型面擴(kuò)開，馬赫數(shù)增大，總壓增大；型面收縮，馬赫數(shù)減小，總壓跟隨下降。當(dāng)壓比達(dá)到對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)時(shí)，馬赫數(shù)主要受型面影響，與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。總壓變階梯調(diào)節(jié)或者當(dāng)緩慢改變型面或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，總壓穩(wěn)定較快，超調(diào)較小；當(dāng)快速調(diào)節(jié)型面或大幅調(diào)整轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)帶來總壓較大幅度的變化(總壓會(huì)很快超出精度范圍，如圖中的各尖峰)。

圖7 20 kPa下流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果 圖8 60 kPa下流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果 圖9 100 kPa時(shí)流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

調(diào)節(jié)馬赫數(shù)時(shí)(轉(zhuǎn)速不變)，總壓和馬赫數(shù)的穩(wěn)定時(shí)間與馬赫數(shù)調(diào)節(jié)階梯幅度大小、柔壁型面行走時(shí)間等相關(guān)，平均來看，相鄰2個(gè)馬赫數(shù)之間總壓穩(wěn)定時(shí)間約20～30 s，馬赫數(shù)穩(wěn)定時(shí)間約25～35 s。

部分工況下試驗(yàn)段馬赫數(shù)穩(wěn)定較慢(如圖7所示高馬赫數(shù))，主要原因是當(dāng)總壓到達(dá)控制精度后，靜壓仍緩慢下降，導(dǎo)致馬赫數(shù)穩(wěn)定存在滯后現(xiàn)象，該現(xiàn)象有可能由以下原因造成，一是該工況下靜壓很低(有時(shí)甚至低于1 kPa)，而靜壓傳感器絕對(duì)精度僅為12 Pa，測(cè)試精度存在一定偏差；二是在對(duì)應(yīng)工況下，試驗(yàn)段入口側(cè)壁處可能存在持續(xù)膨脹加速過程，懷疑與風(fēng)洞壓比建立情況(負(fù)壓下壓縮機(jī)性能變化)或者負(fù)壓下噴管內(nèi)部流場(chǎng)變動(dòng)有關(guān)。上述現(xiàn)象還有待進(jìn)一步分析研究。

另外總壓理論上調(diào)節(jié)精度可以更高，因?yàn)轱L(fēng)洞用于精調(diào)的排/抽調(diào)節(jié)閥定位精度及分辨率離設(shè)計(jì)指標(biāo)有較大差距。

6 結(jié) 論

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出以下結(jié)論：

1) 利用本文提出的連續(xù)式風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)流場(chǎng)指標(biāo)的精確控制，其中總壓穩(wěn)態(tài)控制精度可達(dá)0.05%(設(shè)計(jì)指標(biāo)增壓/增壓0.1%，負(fù)壓0.2%)，試驗(yàn)段馬赫數(shù)穩(wěn)態(tài)精度優(yōu)于0.000 3，均達(dá)到國(guó)軍標(biāo)先進(jìn)水平。

2) 本文可為其他連續(xù)式超聲速風(fēng)洞以及大型連續(xù)式超聲速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)調(diào)試奠定基礎(chǔ)。

下一步將重點(diǎn)優(yōu)化試驗(yàn)效率，包括優(yōu)化風(fēng)洞運(yùn)行流程、優(yōu)化控制算法并進(jìn)一步提高流場(chǎng)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)間，并針對(duì)部分工況下馬赫數(shù)穩(wěn)定較慢的問題進(jìn)行深入研究。