韓逸非，馮娜娜

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

風(fēng)洞是一種依靠動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)對(duì)流動(dòng)氣體進(jìn)行操控的管道系統(tǒng)，在空氣流動(dòng)、氣流控制等研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在航空航天技術(shù)、飛行器研究技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。各種飛行產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程必須要經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)飛行器不同情況下的飛行能力進(jìn)行測(cè)試，因此，風(fēng)洞技術(shù)研究在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域和航空航天工程領(lǐng)域占有十分重要的位置[1-2]。

隨著飛行器研究和航空航天技術(shù)的不斷更新發(fā)展，對(duì)風(fēng)洞技術(shù)研究也提出了更高的要求。提高風(fēng)洞的質(zhì)量和性能是推動(dòng)飛行器研究和航空技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)前提[3-4]，根據(jù)目前風(fēng)洞技術(shù)操作控制方面存在的排氣閥氣流排氣速度劇烈問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種引射式跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)控制軟件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件能夠有效提高控制能力。

1 引射式跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)控制程序

1.1 引射式跨聲速風(fēng)洞概念

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是用人工方式產(chǎn)生和控制氣流，模擬飛機(jī)周?chē)鷼饬鳎瑴y(cè)量氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的影響，觀察物理現(xiàn)象的綜合管路。在空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，它是最常用、最有效的一種工具[5-6]。

風(fēng)洞試驗(yàn)是飛機(jī)研制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。試驗(yàn)期間，模型或物體被固定在風(fēng)洞中，進(jìn)行不同程度的吹風(fēng)，通過(guò)測(cè)試和控制設(shè)備獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]。為使試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，試驗(yàn)流量必須與實(shí)際流量相類(lèi)似，即必須滿足相似律的要求。但是，由于受風(fēng)洞大小和功率的限制，很難同時(shí)模擬一個(gè)風(fēng)洞內(nèi)所有類(lèi)似的參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，風(fēng)洞中氣流的速度、分布均勻性、氣流方向與軸線的背離程度、壓力梯度、截面溫度分布、湍流強(qiáng)度和氣流噪聲級(jí)等條件均可得到改善。

測(cè)試段尺寸為2.4 m×2.4 m，風(fēng)洞硬件設(shè)備主要包括閥口系統(tǒng)、噴射器、混合器、消聲器、收縮器、噴管、測(cè)試、補(bǔ)償、擴(kuò)散、排氣、消聲等部分，其中噴射器是風(fēng)洞的主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備。該裝置是通過(guò)高壓流體流經(jīng)噴嘴所形成的高速氣流，噴出另一種低氣壓流體，并在裝置內(nèi)進(jìn)行能量交換和物料混合，實(shí)現(xiàn)輸送。引射器組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 引射器組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 風(fēng)洞流場(chǎng)控制結(jié)構(gòu)

引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)的核心是對(duì)風(fēng)洞運(yùn)行的參數(shù)控制，即對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中氣流流速、氣壓分布、氣流方向、溫度分布等多個(gè)測(cè)試方面的參數(shù)進(jìn)行控制。例如，氣壓控制需要風(fēng)洞控制系統(tǒng)操控風(fēng)洞設(shè)備中的調(diào)壓閥和排氣閥；氣流流速和分布需要對(duì)指控室、抽氣段進(jìn)行組合控制等[8-9]。如圖2為風(fēng)洞控制組成結(jié)構(gòu)：

圖2 風(fēng)洞控制結(jié)構(gòu)組成

引射式跨聲速風(fēng)洞系統(tǒng)的控制軟件程序占據(jù)了總控核心的重要位置[10]。研究更新控制軟件的程序設(shè)計(jì)能夠提高控制軟件的配置水平，增強(qiáng)感應(yīng)能力和操控的靈活度，使風(fēng)洞流場(chǎng)控制更流場(chǎng)高效，節(jié)省人力物力資源和實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間[11]。

2 引射式跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 氣流動(dòng)態(tài)布局控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國(guó)當(dāng)前的跨聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置在氣流運(yùn)行方式上一般采用半回流引射式或者下吹直流式的氣流布局方式。本文的引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了增壓回引射式氣流布局方式，通過(guò)安裝多個(gè)噴壓管和引射器，設(shè)計(jì)多噴管增壓的操作程序，通過(guò)控制系統(tǒng)下達(dá)指令，啟動(dòng)引射器，使氣流能夠在風(fēng)洞的回環(huán)裝置中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)洞氣流布局控制系統(tǒng)，本文的控制系統(tǒng)軟件可同時(shí)對(duì)抽氣段、駐室、柵指、排氣閥等4個(gè)甚至多個(gè)工作單位進(jìn)行同時(shí)控制或組合操控，形成獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。這種多裝置組合形成的系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)操控穩(wěn)定段的氣壓值，也能夠在其他部分運(yùn)行過(guò)程中對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)控制，提高了控制系統(tǒng)整體效率的同時(shí)，也提高了各個(gè)部分的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度[11-12]。

2.2 風(fēng)洞控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

本文在傳統(tǒng)的風(fēng)洞控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)解耦控制程序，該程序能夠控制各環(huán)節(jié)參數(shù)之間的耦合作用，對(duì)一些缺失部分進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到削弱耦合作對(duì)系統(tǒng)控制整體運(yùn)行過(guò)程造成的影響。因此需要在風(fēng)洞控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)耦合作用的削減控制，解耦程序接入控制器主要有以下幾種方式：

1)解耦環(huán)節(jié)設(shè)置在控制中心之前。這種方式是考慮到部分受影響信息進(jìn)入控制系統(tǒng)會(huì)造成控制系統(tǒng)程序混亂的情況，在控制系統(tǒng)前端裝置解耦系統(tǒng)，使得各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)入控制中心之前就能夠受到解耦環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)調(diào)整，削弱參數(shù)受耦合作用影響的程度，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地傳入控制中心，控制中心也能更準(zhǔn)確地下達(dá)相應(yīng)命令。

2)在控制系統(tǒng)內(nèi)裝入解耦程序。這種方式在目前的風(fēng)洞控制系統(tǒng)中比較常見(jiàn)，在控制系統(tǒng)內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)程序，所占據(jù)空間較小，系統(tǒng)控制效果也更好，而且不會(huì)對(duì)控制中心造成額外負(fù)擔(dān)，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)解耦操控一體化。但是這種方式會(huì)導(dǎo)致解耦程序沒(méi)有相對(duì)獨(dú)立時(shí)更完整，解耦能力也會(huì)受到限制；同時(shí)解耦環(huán)節(jié)與控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系更為復(fù)雜，不利于實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)控制中心和解耦環(huán)節(jié)單獨(dú)進(jìn)行檢測(cè)。

3)解耦環(huán)節(jié)安裝在反饋線路。這種安裝方式能夠在信息數(shù)據(jù)到達(dá)總控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋之前，對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和解耦操作，能夠有效地提高控制系統(tǒng)承受耦合作用影響的參數(shù)干擾的防御能力，對(duì)于其他方面的數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題，也有一定的解決能力。但是這種設(shè)置方法會(huì)增強(qiáng)解耦環(huán)節(jié)的內(nèi)部處理復(fù)雜程度，使得控制中心在解耦方面的負(fù)擔(dān)較大，容易導(dǎo)致控制系統(tǒng)操作紊亂，信息延遲等不良影響。

4)解耦環(huán)節(jié)設(shè)置在控制器與控制對(duì)象之間。這種安裝方式能夠使解耦環(huán)節(jié)了解到控制對(duì)象的參數(shù)特征，能夠根據(jù)控制對(duì)象和接收到的各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的解耦操作。這種方式減輕了控制系統(tǒng)對(duì)接耦合環(huán)節(jié)的控制壓力，增強(qiáng)了解耦過(guò)后的數(shù)據(jù)和控制對(duì)象之間的適配性，使控制中心作出的指令更加合適準(zhǔn)確，而且這種安裝方式對(duì)解耦環(huán)節(jié)的程序結(jié)構(gòu)要求不高，相比于其他方式也更為簡(jiǎn)單。因此，這種安裝方式在當(dāng)前的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中得到的應(yīng)用較為廣泛。但也存在一定的不足，即控制對(duì)象發(fā)生調(diào)整變化時(shí)，解耦環(huán)節(jié)的各方面參數(shù)配置也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整變化。

本文選擇了將解耦環(huán)節(jié)置入控制系統(tǒng)和控制對(duì)象之間的接入方法，這種設(shè)計(jì)方法能夠減小控制系統(tǒng)的操作壓力，還能有效地提高各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，有利于系統(tǒng)整體操作運(yùn)行，并且不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行解耦控制造成影響。這種解耦程序裝置方式如圖3所示。

圖3 解耦程序安裝結(jié)構(gòu)示意圖

本文解耦環(huán)節(jié)程序設(shè)計(jì)中選擇的是對(duì)角矩陣解耦方法，該方法是在傳遞函數(shù)矩陣解耦方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)角矩陣運(yùn)算方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行解耦運(yùn)算。運(yùn)算的原理是對(duì)系統(tǒng)中的主要參數(shù)進(jìn)行傳遞函數(shù)矩陣運(yùn)算后，非對(duì)角數(shù)據(jù)的結(jié)果不為零，則表示該函數(shù)矩陣不是對(duì)角矩陣。這種適用于引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)解耦程序的解耦方法運(yùn)算原理如圖4所示。

圖4 解耦程序?qū)蔷仃囘\(yùn)算原理圖

這種方法基于解耦方法中的傳統(tǒng)的運(yùn)算方法，進(jìn)行改進(jìn)后使這種解耦方法非常適用于安裝在控制系統(tǒng)和控制對(duì)象之間的解耦裝置，通過(guò)引入了對(duì)角矩陣解耦計(jì)算原理，使傳遞函數(shù)矩陣解耦方法形成一個(gè)新型的對(duì)角矩陣解耦方法，不僅解耦范圍較廣，而且增加了對(duì)控制對(duì)象解耦的運(yùn)算過(guò)程，從而能夠使解耦程序較完整地消除控制系統(tǒng)中耦合參數(shù)，使控制系統(tǒng)運(yùn)行操控更流暢，指令更準(zhǔn)確[13-14]。解耦圖如圖5所示。

圖5 解耦圖

綜上所述，軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 引射式跨聲速風(fēng)洞流場(chǎng)控制軟件程序流程圖

采用增壓回引射式氣流布局方式設(shè)計(jì)氣流動(dòng)態(tài)布局控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽氣段、駐室、柵指、排氣閥等多個(gè)工作單位的組合操控；引入解耦控制程序，控制各環(huán)節(jié)參數(shù)耦合，通過(guò)傳遞函數(shù)矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)耦合作用的削減，得到準(zhǔn)確的風(fēng)洞流場(chǎng)控制指令。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞解耦控制軟件的有效性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇同一控制對(duì)象和相同的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將本文設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞控制軟件與傳統(tǒng)的跨聲速風(fēng)洞雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)和跨聲速風(fēng)洞FSS控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

檢驗(yàn)風(fēng)洞控制系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中控制系統(tǒng)對(duì)空氣流場(chǎng)內(nèi)各方面的控制效果。本文運(yùn)用了馬赫數(shù)和雷諾數(shù)等測(cè)試指標(biāo)，對(duì)3種控制系統(tǒng)的控制水平進(jìn)行了檢測(cè)分析，各方面測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 抽氣段M數(shù)變化情況對(duì)比圖

圖7是對(duì)抽氣段M數(shù)的變化監(jiān)測(cè)，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件控制下的抽氣段M數(shù)變化更穩(wěn)定，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)該部分氣流狀況控制效果更好。

M數(shù)代表的是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流的馬赫數(shù)值，圖中可見(jiàn)在相同的時(shí)間對(duì)同一控制目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)洞氣流操控，受氣流運(yùn)行影響最大的抽氣段部分3種控制系統(tǒng)下M數(shù)的變化情況，F(xiàn)SS控制系統(tǒng)和雙轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)控制下氣流氣壓馬赫數(shù)值波動(dòng)起伏較大，且都呈現(xiàn)波動(dòng)上升的狀態(tài)。雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)前期氣壓上升很快，后期控制能力不足，導(dǎo)致其呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)起伏；FSS控制系統(tǒng)相較于雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)稍微穩(wěn)定一些，起伏變化不太明顯，但壓力值依舊呈逐漸上升狀態(tài)，且時(shí)間越長(zhǎng)上升越明顯。

上述情況表明了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)隨著控制時(shí)間推移，控制能力也會(huì)逐漸減弱，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流控制難以滿足實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性要求。而本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在內(nèi)部控制軟件程序的加持下，控制精度和控制范圍都有很大提升，因此對(duì)于測(cè)試對(duì)象復(fù)雜并且測(cè)試水平要求高的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)軟件能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖8～10是對(duì)風(fēng)洞穩(wěn)定段氣壓控制效果的測(cè)量數(shù)據(jù)，由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對(duì)氣壓數(shù)值的控制更精準(zhǔn)，更貼近對(duì)控制對(duì)象的氣壓目標(biāo)要求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)下穩(wěn)定段的氣壓控制數(shù)值與目標(biāo)理想數(shù)值偏離較大，如圖8所示雙轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)無(wú)法控制氣壓穩(wěn)定上升并保持一個(gè)平均值；通過(guò)圖9可以看出，F(xiàn)SS系統(tǒng)的控制在前期驅(qū)動(dòng)力不足，導(dǎo)致前期氣壓不足，而后期氣壓上升迅速，控制系統(tǒng)難以及時(shí)控制穩(wěn)定，總體來(lái)說(shuō)效果并不理想。本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)對(duì)氣壓的控制與目標(biāo)要求相差無(wú)幾，波動(dòng)變化很小，實(shí)驗(yàn)效果非常良好，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的軟件對(duì)氣壓控制的精準(zhǔn)穩(wěn)定。

圖8 本文控制系統(tǒng)穩(wěn)定段氣壓控制效果

圖9 雙轉(zhuǎn)軸控制系統(tǒng)穩(wěn)定段氣壓控制效果

圖10 FSS控制系統(tǒng)穩(wěn)定段氣壓控制效果

圖11為對(duì)排氣閥氣流速度的檢測(cè)情況，相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，明顯在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)控制下排氣氣流速度更均勻。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況調(diào)整風(fēng)洞內(nèi)部氣流密度、分布情況等，因此需要對(duì)排氣閥進(jìn)行精準(zhǔn)的排氣操控。

圖11 排氣閥氣流排氣速度對(duì)比

圖中可見(jiàn)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制下的排氣閥對(duì)氣流排放的控制并不理想，排氣速度變化較大，而且速度變化不穩(wěn)定，時(shí)間越長(zhǎng)速度起伏變化越大，閥門(mén)的控制越不穩(wěn)定。在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)操控下的排氣閥排氣速度雖然也有上升，但速度增加較為緩慢，后期趨于平穩(wěn)，排氣速度接近于勻速排放，而且沒(méi)有明顯的速度起伏變化，說(shuō)明控制系統(tǒng)對(duì)排氣閥的控制能力足夠強(qiáng)，能夠使排氣閥排氣速度控制在一個(gè)大致的數(shù)值范圍。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析能夠明顯看出，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)洞控制軟件系統(tǒng)在控制范圍、控制精度、控制穩(wěn)定性等方面都具有突出優(yōu)勢(shì)，且適用范圍廣，能夠根據(jù)控制設(shè)備和控制對(duì)象的具體條件進(jìn)行調(diào)整。在航空航天和飛行器研究技術(shù)日新月異的今天，本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)可以考慮投入大范圍推廣應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)引射式跨聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理的介紹，以及對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，表現(xiàn)出本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的明顯優(yōu)勢(shì)。本文的研究結(jié)果不僅對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考，而且推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，為之后的風(fēng)洞控制系統(tǒng)軟件程序研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。