本發明涉及航空航天工業超聲速風洞試驗控制領域，尤其是涉及一種適用于直流暫沖式超聲速風洞的變速壓流場控制方法。
背景技術：
顫振是在飛機、導彈等飛行器飛行中飛行速壓超過臨界值后出現的一種破壞性的結構振動，它是氣動力、彈性力和慣性力相互作用下的一種自激振動。由于顫振的危害性，飛行器在飛行包線內絕對不允許出現顫振現象。飛行器顫振試驗的目的是在風洞中用動力相似模型再現顫振現象，了解飛行器顫振特性，確定危險飛行狀態下的顫振臨界速壓和顫振頻率，為飛行器安全飛行提供飛行包線數據。為了評估飛行器安全飛行的顫振包線，需要在超聲速風洞建立顫振試驗技術，該需求對風洞流場控制方式提出了新要求，即單次車可以完成多個總壓階梯的控制，并且總壓上升速率可控。
風洞速壓計算公式為：
q＝0.7×P0×(1+0.2×Ma2)-3.5×Ma2 (1)
其中，P0表示穩定段總壓，Ma表示馬赫數。超聲速風洞洞體條件確定后馬赫數即確定，從式(1)中可以看出，在馬赫數一定的條件下，速壓與穩定段總壓成正比，即可以通過改變穩定段總壓值來調節速壓(即變速壓控制)，逐步逼近顫振臨界速壓，直至模型出現顫振現象。
超聲速風洞常規試驗流場控制方法分為啟動充壓、恒壓調節和關車三個階段，啟動充壓階段主調壓閥高開，待總壓上升到目標值附近時回到預置開度位置，然后進入恒壓調節階段；恒壓調節采用分段PID的串級控制方法；關車階段，當馬赫數小于等于2.0時直接關車，即直接關閉主調壓閥，當馬赫數大于2.0時引射關車，即開啟引射調壓閥調節引射壓力，關閉主調壓閥，待總壓下降到小于預設的關車總壓值后再關閉引射調壓閥。這種常規控制方法主要存在以下缺陷：1、單次試驗不能進行多個總壓階梯控制；2、總壓上升速率不可控。3、關車時不能降低速壓。
雖然暫沖式跨聲速風洞已具備變速壓流場控制能力，但超聲速風洞與跨聲速風洞結構不同，流場控制方法也不相同：跨聲速風洞通過主調壓閥控制主引壓力，通過主排控制總壓，同時通過柵指調節馬赫數；在變速壓試驗的流場調節和變總壓調節環節，采用了基于運動規律法的變PI智能控制方法，涉及主引和總壓的協同變化控制，其本質上是壓力閉環調節。而超聲速風洞馬赫數通過試驗前預置的噴管型面確定，試驗中通過主調壓閥控制總壓，因此跨聲速風洞變速壓流場控制方法并不適用于超聲速風洞。
技術實現要素：
本發明的主要目的是提供一種滿足顫振試驗對直流暫沖式超聲速風洞變速壓流場控制的要求，具有運行可靠、參數給定方便，且總壓控制精度高的變速壓流場控制方法。
為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
一種大型直流暫沖式超聲速風洞變速壓流場控制方法，包括以下步驟：
步驟一：根據試驗工況要求，確認試驗馬赫數、總壓階梯數、總壓階梯值、總壓變化速率、總壓PID控制參數等；
步驟二：風洞啟動充壓階段，主調壓閥高開，待總壓快速上升到首階梯值附近時再回到預置位置；
步驟三：總壓穩定調節階段，總壓由主調壓閥控制，采用總壓分組、誤差分段的PID控制方法；
步驟四：變總壓調節階段，根據設定的總壓變化速率線性變目標總壓至下一總壓階梯值，在該過程中根據當前氣源壓力、目標總壓，通過壓比-主調開度曲線實時計算出主調壓閥位置值，控制主調壓閥位置得到隨時間變化的總壓值；
重復上述步驟三、四直至完成所有預設總壓階梯；
步驟五：風洞關車階段，當模型未發生顫振，風洞按程序完成所有總壓階梯后自動進入正常關車流程。
在上述技術方案中，在步驟二中，所述的主調壓閥高開，是根據馬赫數不同，在預置開度的基礎上加上一個固定值；預置開度是試驗前根據氣源壓力和目標總壓，由壓比-主調開度曲線計算出來的主調壓閥位置。
在上述技術方案中，根據需要決定是否采用引射調壓閥調節引射壓力，輔助建立流場，當首階梯總壓值低于常規總壓時，開啟引射調壓閥調節引射壓力，輔助建立流場；當首階梯總壓值高于常規總壓時，不開啟引射調壓閥。
在上述技術方案中，所述PID控制方法為：根據各階梯總壓值大小分組控制，每組采用不同的PID參數；在每組PID控制參數中，再根據總壓誤差大小分段選取PID參數。
在上述技術方案中，步驟四中變總壓階段基于壓比-主調開度曲線的控制策略為：通過目標總壓值和當前氣源壓力根據壓比-主調開度曲線實時計算出主調開度，再通過主調位置閉環控制得到穩定段總壓。
在上述技術方案中，線性變目標總壓的方法是：根據要求的總壓變化速率每個控制周期改變一次目標總壓值，即每個控制周期的目標總壓等于上個控制周期的目標總壓與總壓增量之和，其中總壓增量等于設定的總壓變化速率與控制周期時間的乘積。
在上述技術方案中，任一馬赫數下的壓比-主調開度曲線均通過該馬赫數條件下歷史試驗數據用最小二乘法擬合得到。
在上述技術方案中，在步驟五中模型未發生顫振時，則主調壓閥保持當前位置，待試驗模型回退到駐室內后同時關閉主調壓閥和引射調壓閥。
在上述技術方案中，在步驟當模型發生顫振現象時，主調壓閥按照設定速率關閉以降低風洞速壓，使模型退出顫振狀態，待試驗模型回退到駐室內后再同時關閉主調壓閥和引射調壓閥。
在上述技術方案中，在步驟三與步驟四任一個步驟中如果模型發生顫振，則進入關車階段。
本發明與現有技術相比，有益效果在于：
本發明提出了總壓分組、誤差分段的PID總壓穩定控制策略，單次車可以完成多個總壓階梯的控制，且總壓控制精度高；
本發明提出了基于壓比-主調開度曲線的變總壓控制策略，使得總壓上升速率可控，具有調試車次少、運行可靠、控制參數給定方便等優點。
本發明改變了常規控制方式，滿足了顫振試驗要求。
附圖說明
本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
圖1是本發明的流程圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
超聲速風洞是在試驗前根據馬赫數要求將噴管型面和超擴段型面調節至對應位置，試驗過程中調節穩定段總壓得到相應馬赫數條件下的超聲速流場。主調壓閥控制系統負責控制穩定段總壓；引射調壓閥控制系統負責控制引射壓力；模型插入機構控制系統負責控制模型的插入與撤收。
超聲速風洞速壓計算公式如下：
q＝0.7×P0×(1+0.2×Ma2)-3.5×Ma2。
其中，q表示速壓；P0表示穩定段總壓；Ma表示馬赫數。
超聲速風洞洞體條件確定后馬赫數即確定，從速壓公式中可以看出，在馬赫數一定的條件下，速壓與穩定段總壓成正比，即可以通過改變穩定段總壓值來調節速壓。
本發明提供的變速壓流場控制方法采用總壓分組、誤差分段的PID控制方法完成總壓穩定控制；采用基于壓比-主調開度曲線的方法完成變總壓控制；不同情況采取不同關車方式，使風洞安全運行，取得較好效果。
如圖1所示，試驗前，根據試驗工況調節風洞噴管型面和超擴段型面等洞體條件，確定總壓階梯數、總壓階梯值、總壓上升速率、PID參數等控制參數。試驗開始，由控制程序按照預定流程完成整個試驗過程。
首先是風洞啟動環節。本階段要求穩定段總壓快速上升到首階梯目標總壓附近，視情況是否啟動引射調壓閥輔助流場建立。當首階梯總壓值小于常規試驗總壓時啟動引射調壓閥調節引射壓力，當首階梯總壓值大于等于常規試驗總壓時不啟動引射調壓閥。
啟動環節的具體方法是：如果不需要引射，引射調壓閥始終保持關閉，主調壓閥首先開至高開位置，待總壓上升到首階梯目標總壓值附近時主調壓閥再開至預置開度位置。如果需要引射，試驗開始首先引射調壓閥開至預置開度位置，延時2秒后閉環調節使其穩定在目標引射壓力；同時主調壓閥開至高開位置，待總壓上升到首階梯目標總壓值附近時主調壓閥再開至預置開度位置。
其次是總壓穩定調節環節。總壓穩定調節環節主要實現總壓精確調節，使其穩定在目標值允許誤差范圍內。
風洞在完成啟動充壓環節后，進入總壓穩定調節環節，采用總壓分組、誤差分段的控制方法。為滿足寬范圍內不同總壓階梯的穩定要求，設置了三組總壓穩定控制參數，通過“變速壓階段1”和“變速壓階段2”兩個參數確定不同總壓階梯采用的總壓穩定控制參數。具體劃分方法如式(1)所示：
例如：Ma＝1.5時，總壓階梯序列為50kPa、70kPa、120kPa、140kPa、210kPa，設定“變速壓階段1”＝2，“變速壓階段2”＝5，則總壓階梯50kPa、70kPa采用組1的PID參數，總壓階梯120kPa、140kPa采用組2的PID參數，總壓階梯210kPa采用組3的PID參數。
在每組PID參數中，再根據目標總壓與實際總壓的誤差值分段選取PI參數，具體規則如式(2)和式(3)所示：
式中，Kp、Ki分別為比例系數和積分系數；POerr為總壓目標值減去實際總壓值的差值；Ep、Ei分別為設定的總壓誤差閾值。
例如：Ep1＝5kPa，Ep2＝1kPa，當總壓誤差P0err＞5kPa時，比例系數取Kp1；當總壓誤差1kPa＜POerr≤5kPa時，比例系數取Kp2；當POerr≤1kPa時，比例系數取Kp3。
再次是變總壓環節。變總壓環節主要實現從當前階梯總壓按照預定速率平滑變化到下一階梯總壓，在該階段采用基于壓比-主調開度曲線的方法。
壓比-主調開度曲線與常規試驗相同，馬赫數不同，壓比-主調開度曲線不同。進入變總壓環節，首先根據要求的總壓變化速率確定目標總壓的斜坡曲線，具體方法是：每個控制周期的目標總壓等于上個控制周期的目標總壓與總壓增量之和，其中總壓增量等于要求的總壓變化速率與控制周期時間的乘積。然后根據當前氣源壓力、當前目標總壓，結合壓比-主調開度曲線實時計算出主調壓閥位置，通過控制主調壓閥位置來得到相應的總壓。由于實際總壓會滯后目標總壓，因此當目標總壓已增加到下一階梯總壓值后，目標總壓保持該階梯值，待總壓上升到該目標總壓誤差范圍內，再進入總壓穩定調節環節。變總壓環節和總壓穩定調節環節如此循環，直至完成所有預設總壓階梯，進入關車環節。
最后是關車環節。關車環節主要實現風洞平穩關車，防止模型損壞。如果模型未發生顫振，在完成最后一個總壓階梯后，主調壓閥保持當前位置，待試驗模型回退到駐室內后關閉主調壓閥和引射調壓閥；試驗中如果模型發生顫振現象，則輸出-0.5V的電壓給主調壓閥控制器，使主調壓閥以一定速率關閉，降低風洞速壓，使模型退出顫振狀態，同時進行試驗模型撤收，待試驗模型回退到駐室內后再同時關閉主調壓閥和引射調壓閥。
本發明并不局限于前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。