(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000； 2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016)

0 引言

撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計制造的新型飛行器，具有便于攜帶、飛行靈活、隱蔽性好等特點(diǎn)，可用于生化探測與環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難救援、軍事偵察、情報竊聽等，可以完成許多其它飛行器無法執(zhí)行的任務(wù)，在民用和國防領(lǐng)域有十分重要而廣泛的應(yīng)用[1]。為了提高撲翼飛行器設(shè)計的精細(xì)化程度，需要研究環(huán)境風(fēng)速、飛行器撲動頻率、飛行器迎角、飛行器翼型等對撲翼飛行器氣動特性的影響，得出撲翼飛行器升力、推力產(chǎn)生的基本規(guī)律, 為撲翼飛行器總體設(shè)計和氣動設(shè)計提供參考。據(jù)此，設(shè)計了某撲翼飛行器風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用直流吸氣式結(jié)構(gòu)形式，由喇叭口、穩(wěn)定段、收縮段、平直段、試驗(yàn)段、第一擴(kuò)散段、過渡段、風(fēng)扇段、第二擴(kuò)散段等部段組成，總體結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 撲翼飛行器風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

撲翼飛行器風(fēng)洞氣動輪廓和洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計定型后，整個風(fēng)洞的運(yùn)行性能和效率很大程度上靠控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，而流場控制作為控制系統(tǒng)中最核心的部分，其性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到風(fēng)洞的氣動流場品質(zhì)，從而對最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。根據(jù)試驗(yàn)需求，本風(fēng)洞流場要求具有更低的風(fēng)速(風(fēng)速范圍為2～30 m/s)、更高的風(fēng)速控制精度(風(fēng)速誤差≤0.2 m/s)；同時，由于撲翼飛行器存在薄弱部件(如翅翼)，在流場調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)盡量避免風(fēng)速振蕩帶來飛行器應(yīng)力的反復(fù)變化而導(dǎo)致薄弱部件損壞，也對流場控制性能提出了更高的要求。

1 流場控制系統(tǒng)總體設(shè)計

流場控制系統(tǒng)主要由控制器、傳感器、I/O子站、風(fēng)扇電機(jī)、調(diào)速裝置等組成。

系統(tǒng)采用PLC作為核心控制器，配備相應(yīng)的開關(guān)量及模擬量輸入、輸出模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、時序控制、邏輯控制以及控制算法等功能。

為了實(shí)現(xiàn)流場閉環(huán)控制，需要檢測試驗(yàn)段風(fēng)速作為反饋量。試驗(yàn)段風(fēng)速通過試驗(yàn)段動壓、試驗(yàn)段溫度以及大氣壓力折算獲得，需要配置相應(yīng)的傳感器實(shí)時采集相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，試驗(yàn)段動壓傳感器對風(fēng)速采集精度影響最大，根據(jù)風(fēng)速范圍及風(fēng)速控制精度要求，動壓傳感器選用量程為5000Pa、精度為0.01%的微差壓傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器信號的高精度采集，同時避免長距離傳輸可能存在的信號干擾問題，在現(xiàn)場配置一套高性能I/O子站，實(shí)現(xiàn)傳感器信號的現(xiàn)場采集，并通過通信傳送給PLC控制器。

風(fēng)扇電機(jī)選用異步電動機(jī)，采用變頻器作為調(diào)速裝置。電機(jī)非傳動軸端安裝增量編碼器用于反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速，增量編碼器輸出TTL信號，分辨率為1 024 p/r，配合變頻器的M/T測速法和四倍頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度采集。

系統(tǒng)設(shè)置安全聯(lián)鎖功能，主要實(shí)現(xiàn)操作權(quán)限的聯(lián)鎖、系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行條件的聯(lián)鎖、對系統(tǒng)或設(shè)備異常狀態(tài)進(jìn)行報警并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施、系統(tǒng)緊急停車聯(lián)鎖等功能。

系統(tǒng)配置現(xiàn)場人機(jī)界面和上位監(jiān)控計算機(jī)，分別用于在現(xiàn)場和遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)指令下達(dá)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時顯示等功能。

流場控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，配置如圖2。

圖2 流場控制系統(tǒng)配置圖

變頻器、I/O子站與PLC控制器之間采用PROFINET I/O通信協(xié)議，現(xiàn)場人機(jī)界面、上位監(jiān)控計算機(jī)與PLC控制器之間采用TCP/IP通信協(xié)議。

2 流場控制實(shí)現(xiàn)方式與控制策略

風(fēng)洞流場的產(chǎn)生及變化是通過風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)的，可將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速認(rèn)為是流場控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)；而風(fēng)洞流場的變化主要體現(xiàn)在試驗(yàn)段風(fēng)速的變化上，可將試驗(yàn)段風(fēng)速認(rèn)為是流場控制系統(tǒng)的檢測點(diǎn)。

由于風(fēng)洞流道較長，控制點(diǎn)與檢測點(diǎn)之間有一定的距離，且風(fēng)洞穩(wěn)定段容積較大，流場的建立需要一定的時間；同時，風(fēng)扇電機(jī)的負(fù)載特性決定其在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中還存在著升速、降速時間。因此，流場控制系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)。

風(fēng)洞氣流自身存在高頻和低頻壓力脈動，會產(chǎn)生氣流擾動；試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖藨B(tài)角變化，會導(dǎo)致風(fēng)洞堵塞度變化，加劇氣流擾動，影響流場的穩(wěn)定性。

為了克服上述的滯后和擾動，提高系統(tǒng)的控制性能，流場控制采用帶轉(zhuǎn)速前饋的串級控制方式。其中，串級控制方式可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性[2-4]，轉(zhuǎn)速前饋環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)大滯后問題、提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[5-7]。串級控制中，風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制作為副控制回路，試驗(yàn)段風(fēng)速控制作為主控制回路，原理如圖3。

圖3 串級控制原理圖

圖2中，vs為風(fēng)速設(shè)定值，vr為風(fēng)速實(shí)際值，Δv為風(fēng)速偏差，ns為風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值，nr為風(fēng)扇電機(jī)實(shí)際值，Pd為試驗(yàn)段動壓(通過差壓傳感器采集)，t為試驗(yàn)段溫度(通過溫度傳感器采集)，P0為大氣壓力(通過大氣壓力傳感器采集)，R為常數(shù)(一般取287.053)。

副控制回路由轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)器、風(fēng)扇電機(jī)以及增量編碼器等環(huán)節(jié)組成，主控制回路由風(fēng)速控制調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)、軟開關(guān)、試驗(yàn)段參數(shù)等環(huán)節(jié)組成。

帶轉(zhuǎn)速前饋的串級控制系統(tǒng)工作流程為：當(dāng)外界擾動或改變風(fēng)速給定值時，PLC控制器實(shí)時地將Δv與預(yù)設(shè)的誤差帶進(jìn)行對比，當(dāng)Δv在誤差帶范圍外時，通過軟開關(guān)觸發(fā)轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)輸出風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值；當(dāng)Δv在誤差帶范圍內(nèi)時，通過軟開關(guān)觸發(fā)風(fēng)速調(diào)節(jié)器輸出風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值；變頻器通過M/T測速法獲得風(fēng)扇電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值，根據(jù)PLC控制器輸出的轉(zhuǎn)速給定值，動態(tài)地調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)試驗(yàn)段風(fēng)速的目的。

2.1 風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是流場控制的核心，其性能直接影響到試驗(yàn)段風(fēng)速的控制效果。

電動機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程如式(1)：

(1)

式中，GD2為電動機(jī)和負(fù)載機(jī)械的飛輪轉(zhuǎn)矩，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Td為電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，TL為電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

由式(1)可以看出，電動機(jī)負(fù)載結(jié)構(gòu)形式確定后，其轉(zhuǎn)速主要受轉(zhuǎn)矩的影響，因此，轉(zhuǎn)速控制的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制。

常用的交流電動機(jī)調(diào)速控制方式有3種：V/F控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中，V/F控制只通過設(shè)定定子電壓和頻率來控制合成磁通勢矢量的幅值和旋轉(zhuǎn)速度，無法實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化主要由電動機(jī)的轉(zhuǎn)差變化引起，由于電動機(jī)慣量大，轉(zhuǎn)差變化慢，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，可能引起電磁轉(zhuǎn)矩的超調(diào)和振蕩，因此，V/F控制方式動態(tài)調(diào)速性能較差，無法滿足本系統(tǒng)的高性能調(diào)速要求。

而無論是矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制，其思想都是通過控制電動機(jī)磁通勢矢量的幅值及夾角來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而使得在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)有轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，提高調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本系統(tǒng)采用矢量控制方式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。矢量控制基本思路為：根據(jù)期望的電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈值計算定子電流的給定矢量，然后通過電動機(jī)模型、磁通控制塊、轉(zhuǎn)速控制塊和電流控制塊并結(jié)合風(fēng)扇電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號，得到三相電壓給定信號，最后經(jīng)過PWM調(diào)制即得到變頻器輸出，達(dá)到控制風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

為了保證控制性能，需要對矢量控制中的電動機(jī)模型、磁通控制塊、轉(zhuǎn)速控制塊、電流控制塊相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整定調(diào)試。

電動機(jī)模型用于得到轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值Ψr和空間位置角φ，α-β坐標(biāo)系下的風(fēng)扇電機(jī)電流模型和電壓模型分別如式(2)、式(3)：

(2)

式中，isα和isβ分別為定子電流的α和β分量，Ψrα和Ψrβ分別為轉(zhuǎn)子磁鏈的α和β分量。

(3)

式中，usα和usβ分別為定子電壓的α和β分量，rs為定子電阻。

磁鏈控制塊用以產(chǎn)生勵磁電流給定信號，本系統(tǒng)的風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行工況不存在超速運(yùn)行，因此，磁鏈控制塊采用開環(huán)控制，其傳遞函數(shù)為：

(4)

式中，Lm為電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組互感，Lr為電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組自感，rr為轉(zhuǎn)子繞組電阻。

電流控制塊用以實(shí)現(xiàn)定子電流矢量的閉環(huán)控制，其傳遞函數(shù)為：

(5)

式中，K1為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，Ti為小時間常數(shù)，Lrσ為轉(zhuǎn)子繞組漏感，Lsσ為定子繞組漏感。

轉(zhuǎn)速控制塊用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，其傳遞函數(shù)為：

(6)

式中，K2為比例系數(shù)，T2為積分時間常數(shù)，Teq為電流環(huán)等效時間常數(shù)，Tm為風(fēng)扇電機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)。

2.1.1 風(fēng)扇電機(jī)參數(shù)整定

由式(2)～式(5)可知，電動機(jī)模型、磁通控制塊以及電流控制塊中，需要電動機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子漏感和互感等參數(shù)參與計算。部分參數(shù)可以通過電動機(jī)出廠檢測報告獲得，部分可以通過變頻器的電機(jī)參數(shù)辨識功能獲得，最終獲得的風(fēng)扇電機(jī)參數(shù)如表1。

表1 風(fēng)扇電機(jī)參數(shù)

2.1.2 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

轉(zhuǎn)速控制塊采用基于PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制，可依據(jù)“基于典型系統(tǒng)的工程設(shè)計方法”對其PI參數(shù)進(jìn)行整定調(diào)試。式(6)為典型II型的開環(huán)傳遞函數(shù)[8-9]，PI參數(shù)應(yīng)依據(jù)式(7)進(jìn)行選?。?/p>

(7)

式中，Tn為電流環(huán)等效時間常數(shù)以及轉(zhuǎn)速環(huán)中所有濾波時間之和。

由于電流環(huán)等效時間常數(shù)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)速環(huán)中所有濾波時間之和，所以Tn可近似為轉(zhuǎn)速環(huán)中所有濾波時間之和，本系統(tǒng)設(shè)為30 ms。

風(fēng)扇電機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)Tm可由式(8)獲得：

(8)

式中，J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，TN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，nN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

將電機(jī)相關(guān)參數(shù)帶入式(8)，可得風(fēng)扇電機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)為200 ms。

將Tn和Tm的實(shí)際值帶入式(7)可得到K2和T2的值分別為3.3和120 ms。

根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，對K2和T2進(jìn)行調(diào)整，最終確定的PI參數(shù)為K2=3.0、T2=160 ms。

2.2 轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)的確定

由于穩(wěn)風(fēng)速控制系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，過早投入風(fēng)速閉環(huán)控制，容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。因此，引入轉(zhuǎn)速前饋環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)置風(fēng)速誤差帶，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速與給定風(fēng)速偏差在誤差帶ε1范圍外時，根據(jù)給定風(fēng)速，通過軟開關(guān)觸發(fā)轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)預(yù)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)為給定風(fēng)速與風(fēng)扇電機(jī)給定轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，其獲取方式為：在風(fēng)扇電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分若干個階梯給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，記錄下每個電機(jī)轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的試驗(yàn)段風(fēng)速，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)擬合函數(shù)曲線。

綜合權(quán)衡擬合的精確程度和控制器的運(yùn)算量，本系統(tǒng)采用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合，如圖4。

圖4 轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)擬合

圖中，n為風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，v為試驗(yàn)段風(fēng)速。

在用于擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)外，隨機(jī)選取若干個數(shù)據(jù)對前饋函數(shù)的擬合效果進(jìn)行校核，校核結(jié)果作為試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制觸發(fā)誤差帶的選擇依據(jù)。

2.3 試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制

風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速至前饋函數(shù)預(yù)置值，如果此時風(fēng)洞實(shí)際風(fēng)速與給定風(fēng)速之間的偏差在設(shè)定的誤差帶ε2內(nèi)，則不觸發(fā)試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制；如果偏差在誤差帶ε2外，則觸發(fā)試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制。

試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制采用位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，其表達(dá)式為：

(9)

式中，u(k)為本次控制作用，uI(k-1)為前次積分控制作用，e(k)為本次誤差，K3為比例系數(shù)，T3為積分時間。

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)的控制性能影響較大，在對控制性能要求較高的系統(tǒng)中，單靠整定PI參數(shù)無法滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能要求。數(shù)字控制系統(tǒng)中，衍生出了如積分分離法、參數(shù)分段法等較為實(shí)用的改進(jìn)PI算法，用以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)控制性能指標(biāo)[10-12]。

本系統(tǒng)采用定I參數(shù)、變P參數(shù)的方法，在風(fēng)速偏差較大區(qū)域，采用較大的比例系數(shù)，使實(shí)際風(fēng)速能迅速接近給定值；在風(fēng)速偏差較小區(qū)域，采用較小的比例系數(shù)，防止系統(tǒng)超調(diào)或振蕩。根據(jù)實(shí)際調(diào)試，PI參數(shù)整定如表2。

表2 試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制PI參數(shù)

風(fēng)洞存在氣流擾動，而擾動導(dǎo)致的風(fēng)速波動可能又在風(fēng)速控制精度范圍內(nèi)，此時并不希望頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，設(shè)置了控制死區(qū)，當(dāng)風(fēng)速到達(dá)一定的誤差帶內(nèi)后，則令風(fēng)速誤差為零，控制器保持當(dāng)前輸出控制量。

死區(qū)閾值設(shè)置的過大會降低控制精度，過小又起不到減少無效調(diào)節(jié)的作用，本系統(tǒng)設(shè)置為風(fēng)速控制精度指標(biāo)要求的一半。

3 軟件設(shè)計

流場控制系統(tǒng)軟件采用STEP7 Professional V13進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)啟?？刂?、風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、變頻器參數(shù)和狀態(tài)讀取、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)讀取、試驗(yàn)段風(fēng)速控制、風(fēng)洞運(yùn)行安全聯(lián)鎖、接收和響應(yīng)運(yùn)行管理計算機(jī)發(fā)出的參數(shù)和指令、向運(yùn)行管理計算機(jī)上傳試驗(yàn)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息等功能。

軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制模塊、風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速前饋控制模塊、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊、安全聯(lián)鎖模塊等。

主要算法實(shí)現(xiàn)方法為：

1)根據(jù)試驗(yàn)段給定風(fēng)速值vs和試驗(yàn)段風(fēng)速實(shí)際值vr，判斷風(fēng)速偏差Δv的誤差區(qū)間。

2)Δv≥ε1時，調(diào)用轉(zhuǎn)速前饋函數(shù)，PLC輸出給定轉(zhuǎn)速，變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行至相應(yīng)轉(zhuǎn)速。

3)ε2<Δv≤ε1時，調(diào)用試驗(yàn)段風(fēng)速閉環(huán)控制模塊。若Δv>1 m/s，將風(fēng)速閉環(huán)控制比例系數(shù)設(shè)為5.0；若0.4 m/s≤Δv≤1 m/s，將風(fēng)速閉環(huán)控制比例系數(shù)設(shè)為2.0；若Δv<0.4 m/s，將風(fēng)速閉環(huán)控制比例系數(shù)設(shè)為1.7。變頻器根據(jù)PLC輸出控制量動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4)Δv≤ε2時，進(jìn)入控制死區(qū)，此時PLC保持輸出控制量不變，變頻器維持當(dāng)前風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)工況：風(fēng)洞帶模型試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中隨機(jī)改變模型姿態(tài)角，測試風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度和試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)風(fēng)速精度。

風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度測試方法為：給定6個轉(zhuǎn)速階梯，每個階梯轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，通過上位監(jiān)控計算機(jī)采集當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速，采樣頻率為5 Hz，每個階梯持續(xù)采集20 s。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)速控制精度，計算公式為：

(10)

測試結(jié)果如表3。

表3 風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)風(fēng)速精度測試方法為：給定6個風(fēng)速階梯，每個階梯風(fēng)速穩(wěn)定后，通過上位監(jiān)控計算機(jī)采集當(dāng)前實(shí)際風(fēng)速，采樣頻率為5 Hz，每個階梯持續(xù)采集20 s。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算風(fēng)速控制精度，計算公式為：

ε=|vr-vs|max

(11)

測試結(jié)果如表4。

表4 試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)風(fēng)速精度測試數(shù)據(jù) m/s

圖5為給定風(fēng)速20 m/s時的調(diào)節(jié)過程，圖6為穩(wěn)定后的風(fēng)速。

圖5 給定風(fēng)速20 m/s的調(diào)節(jié)過程

圖6 給定風(fēng)速20 m/s的穩(wěn)態(tài)風(fēng)速

從表3和表4可以看出，風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度滿足η≤0.2%的指標(biāo)要求，試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)風(fēng)速精度滿足ε≤0.2 m/s的指標(biāo)要求。

從圖5可以看出，風(fēng)速調(diào)節(jié)過程整體平穩(wěn)。由于采用了分段式PI參數(shù)，在保證調(diào)節(jié)速度的同時，系統(tǒng)的超調(diào)量控制在了較小范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)過程中無明顯振蕩。

圖6顯示了風(fēng)速的穩(wěn)定狀態(tài)，期間，試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)角進(jìn)行了調(diào)節(jié)，由于風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制內(nèi)回路的存在，試驗(yàn)段風(fēng)速并沒有受到明顯影響，系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

5 結(jié)束語

流場控制系統(tǒng)采用帶轉(zhuǎn)速前饋的串級控制方式，通過設(shè)計合理的控制調(diào)節(jié)器，較好地解決了試驗(yàn)段風(fēng)速快速調(diào)節(jié)與超調(diào)振蕩的矛盾；風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路對試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)變化帶來的擾動具有較好的抑制作用；風(fēng)洞流場具有較高的控制精度，滿足設(shè)計指標(biāo)要求?？蔀楹罄m(xù)的撲翼飛行器的氣動性能試驗(yàn)提供流場保證。