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        2.4m 跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)流場(chǎng)控制技術(shù)研究

        2012-11-20 10:03:28秦建華
        實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2012年6期
        關(guān)鍵詞:總壓馬赫數(shù)風(fēng)洞

        芮 偉,易 凡,杜 寧,秦建華

        (中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽(yáng) 621000)

        0 引 言

        顫振是飛行器上出現(xiàn)的一種破壞性振動(dòng),一旦飛行速壓超過(guò)臨界值,振幅就迅速增大,它是在氣動(dòng)力、彈性力和慣性力作用下的自激振動(dòng),是從氣流中吸取能量的結(jié)果。由于顫振的危害性,故飛行器在飛行包線內(nèi)絕對(duì)不允許出現(xiàn)顫振現(xiàn)象[1]。為了評(píng)估飛行器安全飛行的顫振包絡(luò)線,需要在2.4m 跨聲速風(fēng)洞(以下簡(jiǎn)稱:2.4m 風(fēng)洞)建立顫振試驗(yàn)技術(shù)。它對(duì)風(fēng)洞提出了兩種流場(chǎng)控制方式。方式一:定馬赫數(shù)階梯變速壓的試驗(yàn)方式,即保持馬赫數(shù)為定值,通過(guò)逐步增加試驗(yàn)段氣流總壓的方法增加速壓,逐步逼近顫振臨界速壓,甚至增加到模型出現(xiàn)顫振。該方式要求其啟動(dòng)過(guò)程速壓平滑上升,總壓超調(diào)小于0.5kPa,一次啟動(dòng)要完成4個(gè)以上盡可能多的速壓階梯,在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí),具有自動(dòng)平穩(wěn)關(guān)車的能力,速壓按要求的速率下降。該方式適用于臨界速壓范圍比較寬的情況。方式二:定總壓線性變馬赫數(shù)方式,即固定總壓,通過(guò)連續(xù)、線性地增加馬赫數(shù),逐漸提高總壓(密度),切割顫振臨界速壓隨馬赫數(shù)變化曲線,獲取顫振臨界速壓。該方式適用于臨界速壓對(duì)馬赫數(shù)變化比較敏感的情況。在實(shí)際應(yīng)用中,組合使用兩種方式可以獲得較好的試驗(yàn)效果。結(jié)合暫沖式風(fēng)洞的特點(diǎn),為拓展風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰?,采用基于運(yùn)動(dòng)規(guī)律法的定馬赫數(shù)階梯變速壓智能控制策略和基于運(yùn)動(dòng)函數(shù)的定總壓線性變馬赫數(shù)控制策略,實(shí)現(xiàn)了顫振試驗(yàn)流場(chǎng)控制,滿足了試驗(yàn)要求。

        1 2.4m 跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)控制模型

        2.4m 風(fēng)洞用于流場(chǎng)建立的控制系統(tǒng)包括主引射器調(diào)壓閥控制系統(tǒng)、主排氣閥穩(wěn)定段總壓控制系統(tǒng)、柵指馬赫數(shù)控制系統(tǒng)、駐室流量閥馬赫數(shù)控制系統(tǒng)和駐室引射器調(diào)壓閥控制系統(tǒng)。受風(fēng)洞閉合回路的影響,風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓和馬赫數(shù)可表示為式(1)[2]。從模型中可以發(fā)現(xiàn)2.4m 風(fēng)洞是一個(gè)多輸入兩輸出的多變量控制系統(tǒng)。

        式中,P0為穩(wěn)定段總壓(MPa);Ps為穩(wěn)定段總壓(MPa);Ma為試驗(yàn)段馬赫數(shù);Py為主引射器引射壓力(MPa);Sfig為柵指位移(mm);SZL為駐室流量閥位移(mm);Pfy為輔引射器引射壓力(MPa);SME為主排位移(mm)。

        2 技術(shù)要求和難點(diǎn)

        (1)定馬赫數(shù)階梯變速壓試驗(yàn)工況的技術(shù)要求:

        ·馬赫數(shù)試驗(yàn)范圍0.3~1.2;

        ·一次車總壓試驗(yàn)范圍105~450kPa,總壓的階梯跨度可高達(dá)150kPa以上;

        ·在啟動(dòng)過(guò)程中,速壓平滑上升,且要求各階梯總壓調(diào)節(jié)過(guò)程不得超過(guò)下一階梯總壓設(shè)定值,由于總壓階梯最小變化量為0.5kPa,即總壓調(diào)節(jié)過(guò)程的超調(diào)量以0.5kPa為限;

        ·在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí),具有自動(dòng)平穩(wěn)關(guān)車的能力,即關(guān)車時(shí)總壓下降要均勻、速度要受控;

        ·一個(gè)啟動(dòng)要完成4個(gè)以上盡可能多的速壓階梯。

        (2)定總壓線性變馬赫數(shù)試驗(yàn)工況的技術(shù)要求:

        ·馬赫數(shù)試驗(yàn)范圍0.3~1.2;

        ·總壓試驗(yàn)范圍105~450kPa。

        (3)定馬赫數(shù)階梯變速壓試驗(yàn)工況的技術(shù)難點(diǎn):

        結(jié)合2.4m 風(fēng)洞的特點(diǎn),確定采用定馬赫數(shù)階梯變總壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)定馬赫數(shù)階梯變速壓的試驗(yàn)工況。由于2.4m 風(fēng)洞是一個(gè)多輸入兩輸出的多變量控制系統(tǒng),其風(fēng)洞流場(chǎng)控制存在強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合以及控制參數(shù)之間大滯后的多變量調(diào)節(jié)特性。同時(shí),整個(gè)流場(chǎng)控制過(guò)程分成啟動(dòng)充壓、流場(chǎng)調(diào)節(jié)、變總壓以及關(guān)車等四個(gè)控制環(huán)節(jié)。啟動(dòng)充壓環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞從無(wú)風(fēng)狀態(tài)到首個(gè)總壓階梯變化的調(diào)節(jié)過(guò)程,涉及到“三個(gè)切換”,即主調(diào)由控制總壓到控制主引壓力的切換、主排由位置閉環(huán)到總壓閉環(huán)的切換、柵指和駐流由位置閉環(huán)到馬赫數(shù)閉環(huán)的切換,且系統(tǒng)之間存在著相互耦合以及大滯后等問(wèn)題,使得整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程的控制難度增大;流場(chǎng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)總壓和馬赫數(shù)的精確調(diào)節(jié),涉及柵指和駐流的閉環(huán)控制;變總壓環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前總壓到目標(biāo)總壓的變化過(guò)程,涉及總壓、主引壓力的協(xié)同變化控制;關(guān)車環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)總壓平穩(wěn)下降,使該過(guò)程成為涉及主引射壓力、總壓的多變量控制過(guò)程。其中,流場(chǎng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和變總壓環(huán)節(jié)交替切換進(jìn)行。

        (4)定總壓線性變馬赫數(shù)試驗(yàn)工況的技術(shù)難點(diǎn):馬赫數(shù)線性變化過(guò)程,涉及到柵指、駐流對(duì)馬赫數(shù)變化的快速跟隨問(wèn)題。

        3 定馬赫數(shù)階梯變速壓方式

        2.4m 風(fēng)洞是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯的多變量控制系統(tǒng),總壓處于工作點(diǎn)附近時(shí)可采用線性化控制策略,而總壓的大跨度調(diào)節(jié)過(guò)程為強(qiáng)非線性的暫態(tài)過(guò)程,為縮短總壓的調(diào)節(jié)時(shí)間同時(shí)減小超調(diào),可采用模糊算法和智能分段變PI相結(jié)合的方法,即總壓大階梯變化時(shí),根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律法的特征,采用模糊算法將該過(guò)程分為多個(gè)調(diào)節(jié)段,各段則根據(jù)誤差和誤差變化率智能選擇調(diào)節(jié)參數(shù),當(dāng)誤差變化到一定范圍內(nèi)則采用智能分段變PI控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)總壓的精確調(diào)節(jié)。其中,運(yùn)動(dòng)規(guī)律法主要是采用偏差e和偏差變化速度來(lái)決定控制模態(tài),在(e-)相平面上理想的相軌跡如圖1所示。其中,偏差e1由系統(tǒng)固有特性決定。在實(shí)時(shí)控制中,偏差e1可直接取為設(shè)定值變化量Δyr,e4和為滿足控制精度要求的偏差和偏差變化速度。整個(gè)變化過(guò)程分為四部分:第一部分:e1→e2段是勻減速運(yùn)動(dòng),采用Bang-Bang控制策略激發(fā)出較大偏差變化速度;第二部分:e2→e3段是勻速運(yùn)動(dòng),采用保持較大偏差變化速度的控制策略,盡量減小偏差;第三部分:e3→e4段是勻加速運(yùn)動(dòng),采用直接壓低較大偏差變化速度的控制策略,避免產(chǎn)生超調(diào),達(dá)到控制精度要求的范圍;第四部分:e4→原點(diǎn)是勻加速運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)已運(yùn)行到控制精度要求的范圍,采用保持控制量的策略。利用運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得到系統(tǒng)在每一段的運(yùn)行時(shí)間和控制律[3]。設(shè)計(jì)智能控制器最困難的問(wèn)題是如何選擇控制模態(tài)切換閾值,因此,采用模糊算法實(shí)現(xiàn)分段。整個(gè)變速壓方式實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)了一個(gè)由暫態(tài)控制器和穩(wěn)態(tài)控制器組成的控制器,解決了設(shè)定值跟蹤和抑制負(fù)載干擾的矛盾。暫態(tài)控制器采用運(yùn)動(dòng)規(guī)律法進(jìn)行設(shè)計(jì),適用于大滯后過(guò)程,適用于啟動(dòng)充壓、變總壓以及關(guān)車等調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),具有極好的設(shè)定值跟蹤能力。穩(wěn)態(tài)控制器采用智能分段PI控制器,適用于流場(chǎng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),保證了控制器在設(shè)定值附近具有良好的調(diào)節(jié)效果的同時(shí),還具有良好的抑制干擾的能力,如圖2。

        圖1 理想相軌跡Fig.1 Sketch of ideal phase track

        圖2 變速壓控制策略設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Sketch of control tactics in adjusting dynamical pressure

        4 定總壓線性變馬赫數(shù)方式

        在2.4m 風(fēng)洞中,主要是通過(guò)控制柵指和駐室流量閥的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)的精確控制??刂品绞桨儢胖缚刂啤⒓凂v室流量閥控制、固定駐室流量閥+柵指控制和固定柵指+駐室流量閥控制等4種方式。其中,Ma≤0.9 適用于純柵指控制方式,0.9<Ma≤1.1適用于固定駐室流量閥+柵指控制和固定柵指+駐室流量閥控制方式,1.1<Ma≤1.2適用于純駐室流量閥控制。因此,根據(jù)2.4m 風(fēng)洞的實(shí)際情況,按照馬赫數(shù)調(diào)節(jié)方式和最低啟動(dòng)壓力,設(shè)計(jì)了基于運(yùn)動(dòng)函數(shù)的定總壓線性變馬赫數(shù)控制策略。主要思想是:?jiǎn)?dòng)風(fēng)洞,建立流場(chǎng)到起始馬赫數(shù)Ma0,然后以一定的馬赫數(shù)變化率V1,來(lái)給定馬赫數(shù)的值,待到達(dá)目標(biāo)馬赫數(shù)Ma1后,保持馬赫數(shù)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。如圖3。其運(yùn)動(dòng)函數(shù)如式(2)。在馬赫數(shù)變化過(guò)程中,由于設(shè)定馬赫數(shù)與反饋馬赫數(shù)之間偏差較小,通過(guò)整定PID 參數(shù)可以確保在設(shè)定值附近具有良好的調(diào)節(jié)效果。

        圖3 定總壓線性變馬赫數(shù)原理圖Fig.3 Sketch of adjusting Mach number

        5 實(shí)際應(yīng)用效果

        圖4 試驗(yàn)曲線Fig.4 Curves of Test

        2001年以來(lái),先后完成了變速壓和線性變馬赫數(shù)兩種試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)工作,初步在2.4m 風(fēng)洞建立了顫振試驗(yàn)流場(chǎng)控制平臺(tái),通過(guò)數(shù)百次的各類型號(hào)試驗(yàn)證明,該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果,受到型號(hào)單位的好評(píng)。曲線如圖4。其中,圖4(a)和圖4(b)為變速壓曲線,圖4(a)的試驗(yàn)條件為:馬赫數(shù)1.1,總壓階梯為140、145、150和155kPa,穩(wěn)態(tài)過(guò)程的總壓精度控制在0.5%以內(nèi),關(guān)車過(guò)程總壓按設(shè)定的速率下降至安全區(qū);圖4(b)的試驗(yàn)條件為:馬赫數(shù)0.7,總壓階梯為160、170、180、190和200kPa,總壓超調(diào)小于0.5kPa,在一次啟動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了多階梯大跨度的變速壓試驗(yàn)條件,耗氣量滿足試驗(yàn)要求。圖4(c)和(d)為線性變馬赫數(shù)曲線,圖4(c)的馬赫數(shù)變化范圍為0.86~0.94,圖4(d)的馬赫數(shù)變化范圍為0.75~0.84,馬赫數(shù)在設(shè)定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性變化,沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)和波動(dòng)的情況,滿足了試驗(yàn)要求。

        6 結(jié) 論

        結(jié)果表明:

        (1)基于運(yùn)動(dòng)規(guī)律法的變速壓控制策略和基于運(yùn)動(dòng)函數(shù)的線性變馬赫數(shù)控制策略,滿足了顫振試驗(yàn)的要求,具有快速、準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)效果。

        (2)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的總壓精度達(dá)到0.5%,馬赫數(shù)控制精度0.005,馬赫數(shù)試驗(yàn)范圍0.3~1.2。

        (3)風(fēng)洞啟動(dòng)時(shí),速壓上升曲線比較平滑,總壓超調(diào)量小于0.5kPa。

        (4)風(fēng)洞關(guān)車過(guò)程實(shí)現(xiàn)了總壓以任意設(shè)定斜率下降至安全區(qū)的功能。

        (5)在線性變馬赫數(shù)試驗(yàn)中,馬赫數(shù)在設(shè)定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性變化。

        [1] 惲起麟.實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.

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        [3] PELA A F.Closed-loop Mach number control in a transonic wind-tunnel[J].AIAA Jounal,1989,30:25-32.

        [4] 趙娟平.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制策略及其Matlab仿真研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(3):59-60.

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        [6] 杜寧.2.4m 風(fēng)洞顫振試驗(yàn)調(diào)試總結(jié)報(bào)告[R].中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,2008.

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