吳宋偉，張?zhí)旌辏盍栉?，李佳?/p>

（南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

伴隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的突破，下一代高性能飛行器面臨著超隱身能力、超遠(yuǎn)距離航行、超機(jī)動(dòng)飛行等技術(shù)要求，相比于傳統(tǒng)常規(guī)飛行器，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇等諸多方面提出了挑戰(zhàn)。常規(guī)的冷態(tài)風(fēng)洞已無(wú)法滿足航空航天高溫領(lǐng)域?qū)υO(shè)備研制提出的要求，包括溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試、葉片的熱應(yīng)力測(cè)試、關(guān)鍵部件的熱防護(hù)試驗(yàn)等。熱風(fēng)洞通過(guò)高速熱氣流產(chǎn)生一個(gè)均勻分布且穩(wěn)定的高溫流場(chǎng)，模擬材料或試件的真實(shí)工況，可以有效應(yīng)用于上述基礎(chǔ)研究?；跓犸L(fēng)洞的氣動(dòng)/熱環(huán)境，通過(guò)試驗(yàn)可以獲得飛行器試驗(yàn)件表面的特性參數(shù)。熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的氣流和溫度控制質(zhì)量會(huì)直接影響到這些研究結(jié)果的精度和可信度，因此開(kāi)展熱風(fēng)洞控制試驗(yàn)研究有著非常重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)熱風(fēng)洞及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量理論和實(shí)際工程方面的研究。加熱裝置作為熱風(fēng)洞的核心系統(tǒng)，主要分為燃燒、電阻、電弧以及蓄熱加熱等加熱方式。其中，“燃燒加熱”風(fēng)洞通常由氣源、燃料、試驗(yàn)段、點(diǎn)火器、噴管、擴(kuò)壓段、冷卻系統(tǒng)等組成。相比于其他幾種加熱方式，燃燒加熱因其適合長(zhǎng)時(shí)間和大功率試驗(yàn)的特點(diǎn)，受到了美國(guó)NASA、日本空間實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（CARDC）等研究機(jī)構(gòu)的普遍重視。

美國(guó)Langley中心設(shè)計(jì)的高溫風(fēng)洞通過(guò)甲烷和空氣高溫燃燒獲得高溫燃?xì)猓⒃鲈O(shè)補(bǔ)氧系統(tǒng)，拓展了氣動(dòng)熱載荷和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)芰?。?guó)內(nèi)CARDC研制的600 mm高超聲速高溫風(fēng)洞控制系統(tǒng)采用“分散控制，集中管理”的分布式控制架構(gòu)，對(duì)文丘里管上游壓力進(jìn)行PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒器中氧氣、氫氣等不同組分氣體的流量控制。文獻(xiàn)[19-21]針對(duì)熱風(fēng)洞的燃油供給系統(tǒng)，從系統(tǒng)特性、控制算法等方面進(jìn)行了深入研究，提出了模糊PID控制、滑?？刂坪蛣?dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制等不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃油流量的精確控制，進(jìn)而獲得了預(yù)期的燃?xì)鉁囟?。文獻(xiàn)[22]通過(guò)在控制器設(shè)計(jì)中引入溫度的動(dòng)態(tài)模型，提出了一種基于I&I的非線性自適應(yīng)控制框架，實(shí)現(xiàn)了低溫風(fēng)洞溫度的有效控制。上述文獻(xiàn)均只關(guān)注了風(fēng)洞溫度、氣體流量等單一變量的控制，而在實(shí)際熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)中，存在如外部干擾、系統(tǒng)滯后、參數(shù)時(shí)變等不確定性，同時(shí)流量對(duì)溫度控制存在耦合關(guān)系。因此，有必要設(shè)計(jì)一種基于解耦的多變量控制策略，實(shí)現(xiàn)流量和溫度的準(zhǔn)確控制。

本文以一種基于燃燒器的熱風(fēng)洞為研究對(duì)象，提出了基于解耦的雙回路PID控制策略和雙路協(xié)調(diào)控制的空氣流量控制策略，建立了熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的AMESim模型，結(jié)合MATLAB/Simulink對(duì)熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析?；赾RIO構(gòu)建了熱風(fēng)洞控制器，通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性，為國(guó)內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展熱風(fēng)洞提供參考。

1 熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。其技術(shù)參數(shù)根據(jù)使用要求確定為：氣源壓力最高達(dá)到800 kPa；空氣流量要求不小于3.5 kg/s；出口溫度要求不小于700 ℃；空氣流量波動(dòng)不大于2%；燃燒器出口溫度波動(dòng)不大于1%；風(fēng)洞參數(shù)穩(wěn)定時(shí)間不小于20 s。

圖1 熱風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Hot wind tunnel test equipment

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與工作原理

基于燃燒器的熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由暫沖氣源、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃燒器、點(diǎn)火器、消音室等組成。其中，暫沖氣源由氣罐供氣，供氣系統(tǒng)包括主路和輔路2條氣路，燃油和空氣在燃燒器中燃燒排出高溫燃?xì)?，流?jīng)燃燒器后試驗(yàn)段，最后與冷卻系統(tǒng)排出的冷卻氣流進(jìn)行摻混降溫。

圖2 熱風(fēng)洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame diagram of hot wind tunnel system structure

暫沖氣源容積有限，本試驗(yàn)系統(tǒng)最高壓力為0.8 MPa。在實(shí)際熱風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中，氣源壓力持續(xù)下降，上游壓力的波動(dòng)極易導(dǎo)致空氣流量的變化，并且其極限情況下的運(yùn)行時(shí)間非常短。因此，為了滿足熱風(fēng)洞流量設(shè)定以及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的需求，要求閥門能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流量的快速調(diào)節(jié)，在滿足空氣流量調(diào)節(jié)精度的前提下，盡可能提高穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。

在高壓氣源后增設(shè)直動(dòng)式減壓閥，可以有效解決氣源壓力波動(dòng)對(duì)空氣流量造成的不確定性影響，降低控制難度。減壓閥依靠控制腔與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，通過(guò)改變閥門動(dòng)作，使氣源壓力與彈簧力相平衡，將減壓閥出口壓力調(diào)節(jié)到一個(gè)較低的穩(wěn)定值，其本質(zhì)上相當(dāng)于穩(wěn)壓閥。此外，考慮到主氣路調(diào)節(jié)閥存在滯后、死區(qū)嚴(yán)重和調(diào)節(jié)緩慢等問(wèn)題，死區(qū)即在閥門指令開(kāi)度較小時(shí)，無(wú)明顯開(kāi)度變化，閥門線性度較差。在點(diǎn)火時(shí)，如果空氣流量過(guò)小，容易出現(xiàn)富油嚴(yán)重，無(wú)法點(diǎn)燃的情況；如果空氣流量過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)燃油噴霧過(guò)于分散，以致無(wú)法正常點(diǎn)火的情況。在不改變?cè)兄鳉饴氛{(diào)節(jié)閥的基礎(chǔ)上，增設(shè)一路小管徑、可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)的輔助氣路調(diào)節(jié)閥，主要起固定點(diǎn)火參數(shù)以及輔助調(diào)節(jié)作用。

由圖2及工作原理可知，燃燒器的能量平衡方程為：

式中：為燃油流量；為燃油熱值；為燃燒效率；為燃燒器出口燃?xì)饬髁浚?+；c為定壓比熱容；為燃燒器出口溫度；為燃燒器進(jìn)口空氣流量；為燃燒器進(jìn)口溫度。

因此，燃燒器出口溫度可以表示為：

式中：為油氣比，=/；燃燒器進(jìn)口總壓對(duì)出口溫度的影響主要體現(xiàn)在燃燒效率上。

基于上述分析，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞氣流速度以及燃?xì)鉁囟鹊鸟詈峡刂?，控制器一方面需要協(xié)調(diào)控制主氣路調(diào)節(jié)閥和輔助氣路調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)加熱空氣流量，維持燃燒器進(jìn)口氣壓穩(wěn)定不變；另一方面，通過(guò)控制變頻器頻率來(lái)改變油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其本質(zhì)上相當(dāng)于控制油氣比。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

控制系統(tǒng)主要由基于cRIO的熱風(fēng)洞控制器、配套執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器等組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。cRIO控制器包括實(shí)時(shí)控制器RT模塊和可重配置的FPGA模塊，上位機(jī)與RT模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，RT在cRIO內(nèi)部與FPGA模塊通過(guò)PCI高速總線連接，機(jī)箱中的FPGA直接與每個(gè)I/O模塊相連，可靈活實(shí)現(xiàn)定時(shí)、觸發(fā)和同步等功能。不同的I/O模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或傳感器的控制或測(cè)量任務(wù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括供氣系統(tǒng)的氣路開(kāi)關(guān)閥、主氣路調(diào)節(jié)閥和輔助氣路調(diào)節(jié)閥，以及燃油系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電磁閥和油泵電機(jī)等。傳感器包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器等，負(fù)責(zé)燃?xì)鉁囟?、油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量，其中燃?xì)鉁囟群涂諝饬髁繛榭刂屏?，其余均為監(jiān)視量。

圖3 熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame diagram of hot wind tunnel control system structure

2 熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

2.1 空氣流量控制策略設(shè)計(jì)

雖然減壓閥可以實(shí)現(xiàn)氣路壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在一定程度上保證了上游的壓力穩(wěn)定，然而在熱風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，下游的壓力變化仍會(huì)對(duì)空氣流量產(chǎn)生一定的影響。由于大流量主氣路調(diào)節(jié)閥存在動(dòng)態(tài)特性差的問(wèn)題，在開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，精度較低，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，空氣流量穩(wěn)態(tài)誤差較大。提出增加小流量的輔助氣路調(diào)節(jié)閥，采用雙路協(xié)調(diào)控制的空氣流量控制策略（如圖4所示），由主路和輔路2部分組成。

圖4 雙路協(xié)調(diào)控制策略Fig.4 Frame diagram of dual-circuit coordinated control strategy

通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥彈簧預(yù)緊力，改變氣路穩(wěn)定壓力值。在該理想壓力條件下，開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)主氣路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，摸索出在不同開(kāi)度下主路空氣流量的變化規(guī)律，建立二維線性插值表。在自動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)燃燒器進(jìn)口壓力和空氣流量的指令值，可插值計(jì)算出主氣路調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)的開(kāi)度指令。

當(dāng)實(shí)際空氣流量接近目標(biāo)值時(shí)，輔助氣路調(diào)節(jié)閥采用PID控制做輔助調(diào)節(jié)。該控制策略在一定程度上近似等效于帶前饋的PID控制器設(shè)計(jì)思路，可以在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，實(shí)現(xiàn)較高精度的空氣流量控制。

這里采用的PID控制器為位置式PID，主要考慮比例和積分作用，其表達(dá)式為：

式中：為指令流量；為實(shí)際流量；()為指令流量和實(shí)際流量的偏差量，()=－；()為輔助氣路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令，對(duì)應(yīng)0~100%；為比例增益；K為積分增益。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于引入了積分作用，在啟動(dòng)、大幅增減目標(biāo)值或結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)容易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差量。PID的積分累積會(huì)致使閥門、油泵電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量超出可能允許的最大動(dòng)作范圍，導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)甚至振蕩。為了克服這個(gè)問(wèn)題，本文加入積分分離與積分抗飽和的保護(hù)策略。這里具體表現(xiàn)為：當(dāng)實(shí)際流量與指令流量偏差較大時(shí)，取消積分項(xiàng)的作用；當(dāng)實(shí)際流量接近目標(biāo)值時(shí)，引入積分項(xiàng)，以便消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高控制精度。同時(shí)，對(duì)積分項(xiàng)的累計(jì)值設(shè)定限制范圍，避免閥門控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)，其表達(dá)式為：

式中：為積分分離閾值，=0.4 kg/s；u為積分抗飽和限制值，這里u=50，表示積分項(xiàng)對(duì)控制器輸出的閥門開(kāi)度指令影響最大為50%。

2.2 溫度控制策略設(shè)計(jì)

在2.1節(jié)的基礎(chǔ)上，針對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)一步提出雙回路PID控制的控制策略，如圖5所示。溫度控制部分主要采用基于前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制器設(shè)計(jì)，其基本原理如圖6所示。

圖5 雙回路PID控制策略Fig.5 Frame diagram of dual-loop PID control strategy

圖6 基于前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Frame diagram of PID control system structure based on feedforward compensation

系統(tǒng)輸出對(duì)輸入的傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)誤差為()=()－()，代入式（8）得到誤差對(duì)系統(tǒng)輸入的傳遞函數(shù)為：

若式（9）分子1–()()=0，即()=1/()時(shí)，系統(tǒng)誤差為0。

可以觀察到，系統(tǒng)在增加前饋前后，極點(diǎn)不變。因此，通過(guò)引入前饋環(huán)節(jié)，可以在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

本試驗(yàn)系統(tǒng)中，在不同的空氣流量條件下，開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，摸索出在不同轉(zhuǎn)速下燃燒器出口溫度的變化規(guī)律，建立二維線性插值表。在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際空氣流量和溫度的指令值，可插值計(jì)算出油泵電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速指令，并以此作為前饋補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)流量和溫度的解耦控制。

由于熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)中溫度測(cè)量存在的熱慣性，存在一定的滯后，引入前饋控制可以更快地實(shí)現(xiàn)燃油流量調(diào)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。這里，PID控制器中同樣加入積分分離與積分抗飽和的保護(hù)策略。

3 建模與仿真

3.1 熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)建模

根據(jù)熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的工作過(guò)程和結(jié)構(gòu)，利用AMESim軟件對(duì)供氣系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，如圖7所示。AMESim模型與實(shí)際熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)不完全對(duì)應(yīng)，本節(jié)主要分析驗(yàn)證熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。圖7a為供氣系統(tǒng)AMESim模型，高壓氣源9首先經(jīng)過(guò)氣路開(kāi)關(guān)閥8進(jìn)入高壓腔室7，流經(jīng)閥口進(jìn)入低壓腔室13，通過(guò)阻尼孔12進(jìn)入膜片下腔室11。當(dāng)氣源壓力波動(dòng)時(shí)，減壓閥通過(guò)控制閥口開(kāi)合，排除多余壓力，保持低壓腔室13的壓力穩(wěn)定在理想設(shè)定值?？諝鈴牡蛪呵皇?4出口排出，流經(jīng)主調(diào)節(jié)閥15和輔助調(diào)節(jié)閥17，最后經(jīng)過(guò)空氣流量計(jì)19進(jìn)入燃燒器。接口模擬器16為MATLAB/Simulink控制器部分，接收空氣流量反饋，輸出主輔氣路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度指令。圖7b為燃油系統(tǒng)AMESim模型，通過(guò)定量泵4模擬油泵電機(jī)，液壓孔5模擬燃油霧化噴嘴，接口模擬器3為MATLAB/Simulink控制器部分，接收燃油流量計(jì)2的油量反饋，輸出油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速指令。

圖7 供氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)AMSim模型Fig.7 AMESim model of gas supply system (a) and fuel system (b)

3.2 仿真分析

結(jié)合3.1節(jié)提到的控制策略，利用MATLAB/Simulink對(duì)熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。根據(jù)式（2）搭建燃燒器的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行燃燒器出口溫度的計(jì)算，并增加0.1 s的延遲環(huán)節(jié)，模擬溫度測(cè)量系統(tǒng)的滯后。利用AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真，仿真總時(shí)間設(shè)計(jì)為30 s，模擬暫沖氣源的氣壓在30 s內(nèi)從0.8 MPa下降到0.45 MPa。在0~5 s內(nèi)，主氣路調(diào)節(jié)閥全閉，設(shè)定輔助氣路調(diào)節(jié)閥初始開(kāi)度指令為5%，油泵電機(jī)初始轉(zhuǎn)速指令為60 r/min，以此模擬固定的點(diǎn)火參數(shù)。

首先，對(duì)供氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。開(kāi)環(huán)條件下，在5 s時(shí)設(shè)置主氣路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令分別為10%、20%、30%、50%，減壓閥出口壓力以及空氣流量的仿真結(jié)果如圖8所示。可以看出，在0~5 s內(nèi)，隨著輔助氣路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的增大，減壓閥出口壓力穩(wěn)定在0.37 MPa，空氣流量穩(wěn)定在2.1 g/s左右。5~8 s內(nèi)，輔助氣路調(diào)節(jié)閥保持不變。隨著主氣路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的增大，減壓閥出口壓力自動(dòng)調(diào)整出口穩(wěn)定壓力，空氣流量增大。然而在主氣路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大于30%時(shí)，觀察到空氣流量受到減壓閥出口壓力的限制，最大在21.5 g/s左右。在熱風(fēng)洞實(shí)物試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥的預(yù)緊力調(diào)整出口穩(wěn)定壓力，改變供氣系統(tǒng)的最大空氣流量。

圖8 供氣系統(tǒng)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)仿真曲線Fig.8 Simulation curve of open loop regulation of gas supply system: a)outlet plesscue; b) air flow

對(duì)熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分析。在5 s時(shí)，給定流量和溫度指令，供氣控制系統(tǒng)插值計(jì)算出主氣路調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)控制指令，在5~8 s內(nèi)，主氣路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到位。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)空氣流量指令與實(shí)際值的偏差小于2 g/s時(shí)，輔助氣路調(diào)節(jié)閥采用PID控制器閉環(huán)修正空氣流量。同時(shí)，燃油控制系統(tǒng)根據(jù)空氣流量指令，插值計(jì)算出油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的前饋控制量，并采用PID控制器調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到預(yù)期的燃?xì)鉁囟?。設(shè)定目標(biāo)流量和溫度分別為17 g/s和710 ℃，通過(guò)試湊法分別確定流量和溫度控制回路中PID控制器的比例、積分增益。

空氣流量仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，若不增設(shè)輔助氣路，主氣路流量在8 s時(shí)最大13.8 g/s，穩(wěn)態(tài)誤差較大。通過(guò)引入輔助氣路調(diào)節(jié)閥的PID協(xié)同控制策略，在10~24 s內(nèi)，實(shí)際總流量滿足熱風(fēng)洞控制精度要求，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1%。由于輔助氣路管徑相對(duì)較小，總流量主要由主氣路供氣能力決定。在24 s之后，輔助氣路調(diào)節(jié)能力跟不上主氣路流量的下降速度，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸增大，驗(yàn)證了雙路協(xié)調(diào)控制的空氣流量控制策略的有效性。

圖9 熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)空氣流量仿真曲線Fig.9 Simulation curve of air flow of hot wind tunnel control system

加入空氣流量的靜態(tài)前饋補(bǔ)償與未加前饋補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果對(duì)比如圖10所示?？梢钥闯?，在7 s左右時(shí)，引入前饋補(bǔ)償，燃燒器出口溫度迅速達(dá)到了710 ℃，有效抑制了空氣流量變化對(duì)溫度的干擾，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了空氣流量對(duì)溫度控制的解耦。穩(wěn)定狀態(tài)起始時(shí)間從11 s提前到了8 s，延長(zhǎng)了熱風(fēng)洞的穩(wěn)定時(shí)間。8~24 s內(nèi)，在空氣流量滿足控制精度要求的基礎(chǔ)上，燃燒器出口溫度波動(dòng)不小于1%，穩(wěn)定時(shí)間在16 s左右，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

圖10 熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)溫度控制前饋補(bǔ)償對(duì)比Fig.10 Comparison chart of temperature control feedforward compensation of hot wind tunnel control system: a) outlet temperature; b) fuel flow

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合上文提到的控制策略，基于cRIO平臺(tái)構(gòu)建控制器，在基于燃燒器的熱風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)。采用的K型熱電偶溫度傳感器在排氣管路軸向有三孔探針，采集其中最外側(cè)2個(gè)探針的反饋值，分別作為控制量和監(jiān)視量。通過(guò)2個(gè)探針的反饋差值，判斷溫度傳感器是否異常，以此作為冗余設(shè)計(jì)。

依據(jù)開(kāi)環(huán)條件下手動(dòng)調(diào)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立主氣路調(diào)節(jié)閥和燃燒器出口溫度的二維插值表。考慮到輔助調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性和燃燒系統(tǒng)溫度測(cè)量的熱慣性，實(shí)際上熱電偶響應(yīng)較慢。由于傳感器響應(yīng)時(shí)間不一致而導(dǎo)致流量和溫度反饋數(shù)據(jù)非同步，可適當(dāng)延長(zhǎng)溫度控制的采樣周期，將空氣流量和溫度PID控制器的采樣周期分別設(shè)為20、200 ms，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性確定PID參數(shù)。分別將空氣流量指令設(shè)為2.5、4.0 kg/s，目標(biāo)溫度為710 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 熱風(fēng)洞實(shí)物試驗(yàn)不同空氣流量及對(duì)應(yīng)溫度變化曲線Fig.11 Curve of hot wind tunnel physical test for different air flow and corresponding temperature: a) air flow; b) fuel flow;c) outlet temperature

可以看出，在0~5 s內(nèi)，空氣流量保持小流量供氣，5 s時(shí)點(diǎn)火成功，此時(shí)燃燒器處于富油狀態(tài)，燃燒器出口溫度急劇上升。5~12 s內(nèi)，空氣流量仍然保持不變，此時(shí)氣量主要由輔助氣路決定，由于實(shí)際試驗(yàn)中主氣路調(diào)節(jié)閥存在滯后、調(diào)節(jié)緩慢等問(wèn)題，一直處于死區(qū)，主氣路無(wú)氣流。在12 s時(shí)，主氣路調(diào)節(jié)閥調(diào)出死區(qū)，主氣路開(kāi)始有氣流通過(guò)。然而，在12~15 s內(nèi)，燃油流量保持不變，仍處于富油狀態(tài)，溫度繼續(xù)上升。15 s時(shí)，主氣路流量迅速增大，油氣比減小，溫度下降。之后2次試驗(yàn)中，空氣流量分別在23、27 s左右達(dá)到穩(wěn)定。相比于大流量，小流量對(duì)溫度的影響相對(duì)較小，調(diào)節(jié)時(shí)間更短。然后，溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，燃油流量增大，油氣比增大，溫度上升，并最終穩(wěn)定在710 ℃左右。空氣流量的穩(wěn)態(tài)誤差均在2%以內(nèi)，在53~80 s，燃燒器出口溫度波動(dòng)在±7 ℃以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1%，穩(wěn)定時(shí)間在25 s以上，達(dá)到了熱風(fēng)洞設(shè)計(jì)和使用要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種面向基于燃燒器的熱風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合控制策略，得到以下結(jié)論：

1）從保證空氣流量穩(wěn)定和控制精度的角度，針對(duì)大流量氣路調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性差的問(wèn)題，提出雙路協(xié)調(diào)控制的空氣流量控制策略，利用輔助氣路調(diào)節(jié)閥的快速響應(yīng)特性，優(yōu)化了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2）提出了基于解耦的雙回路PID控制策略，針對(duì)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于前饋補(bǔ)償?shù)腜ID控制器，實(shí)現(xiàn)了流量干擾對(duì)溫度控制的解耦，緩解了因溫度測(cè)量熱慣性引起的滯后影響，以保證控制器的空氣流量控制能力和在不同流量下的溫度控制能力，并維持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)。

3）通過(guò)AMESim和MATLAB/Simulink聯(lián)合建模仿真，搭建cRIO控制器平臺(tái)，完成了熱風(fēng)洞控制系統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)。在暫沖氣源供氣條件下，空氣流量波動(dòng)不大于2%，溫度波動(dòng)不大于1%，單次試驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定時(shí)間>25 s，實(shí)現(xiàn)了空氣流量和溫度的精確控制，驗(yàn)證了熱風(fēng)洞控制策略的有效性和可行性。