引射式跨聲速風洞流場控制軟件設計

韓逸非，馮娜娜

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

風洞是一種依靠動力裝置驅動對流動氣體進行操控的管道系統，在空氣流動、氣流控制等研究領域得到廣泛應用，尤其是在航空航天技術、飛行器研究技術等領域應用最為廣泛。各種飛行產品的研發過程必須要經過風洞實驗檢測，對飛行器不同情況下的飛行能力進行測試，因此，風洞技術研究在空氣動力學領域和航空航天工程領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的不斷更新發展，對風洞技術研究也提出了更高的要求。提高風洞的質量和性能是推動飛行器研究和航空技術不斷發展的基礎前提[3-4]，根據目前風洞技術操作控制方面存在的排氣閥氣流排氣速度劇烈問題，本文設計了一種引射式跨聲速風洞流場控制軟件，實驗結果表明，該軟件能夠有效提高控制能力。

1 引射式跨聲速風洞流場控制程序

1.1 引射式跨聲速風洞概念

風洞實驗室是用人工方式產生和控制氣流，模擬飛機周圍氣流，測量氣流對實驗對象的影響，觀察物理現象的綜合管路。在空氣動力學實驗中，它是最常用、最有效的一種工具[5-6]。

風洞試驗是飛機研制的一個重要環節。試驗期間，模型或物體被固定在風洞中，進行不同程度的吹風，通過測試和控制設備獲得試驗數據[7]。為使試驗結果準確，試驗流量必須與實際流量相類似，即必須滿足相似律的要求。但是，由于受風洞大小和功率的限制，很難同時模擬一個風洞內所有類似的參數。試驗結果表明，在滿足試驗標準的前提下，風洞中氣流的速度、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、湍流強度和氣流噪聲級等條件均可得到改善。

測試段尺寸為2.4 m×2.4 m，風洞硬件設備主要包括閥口系統、噴射器、混合器、消聲器、收縮器、噴管、測試、補償、擴散、排氣、消聲等部分，其中噴射器是風洞的主要驅動設備。該裝置是通過高壓流體流經噴嘴所形成的高速氣流，噴出另一種低氣壓流體，并在裝置內進行能量交換和物料混合，實現輸送。引射器組成結構如圖1所示。

圖1 引射器組成結構圖

1.2 風洞流場控制結構

引射式跨聲速風洞控制系統的核心是對風洞運行的參數控制，即對風洞實驗中氣流流速、氣壓分布、氣流方向、溫度分布等多個測試方面的參數進行控制。例如，氣壓控制需要風洞控制系統操控風洞設備中的調壓閥和排氣閥；氣流流速和分布需要對指控室、抽氣段進行組合控制等[8-9]。如圖2為風洞控制組成結構：

圖2 風洞控制結構組成

引射式跨聲速風洞系統的控制軟件程序占據了總控核心的重要位置[10]。研究更新控制軟件的程序設計能夠提高控制軟件的配置水平，增強感應能力和操控的靈活度，使風洞流場控制更流場高效，節省人力物力資源和實驗耗費的時間[11]。

2 引射式跨聲速風洞流場控制軟件設計

2.1 氣流動態布局控制系統設計

我國當前的跨聲速風洞實驗裝置在氣流運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洞控制系統設計了增壓回引射式氣流布局方式，通過安裝多個噴壓管和引射器，設計多噴管增壓的操作程序，通過控制系統下達指令，啟動引射器，使氣流能夠在風洞的回環裝置中循環運動。相比于傳統的風洞氣流布局控制系統，本文的控制系統軟件可同時對抽氣段、駐室、柵指、排氣閥等4個甚至多個工作單位進行同時控制或組合操控，形成獨特的驅動系統和排氣系統。這種多裝置組合形成的系統可以實時操控穩定段的氣壓值，也能夠在其他部分運行過程中對某個環節進行單獨控制，提高了控制系統整體效率的同時，也提高了各個部分的數據精準度[11-12]。

2.2 風洞控制系統軟件程序設計

本文在傳統的風洞控制系統的軟件設計基礎上，引入了一個解耦控制程序，該程序能夠控制各環節參數之間的耦合作用，對一些缺失部分進行補償，以達到削弱耦合作對系統控制整體運行過程造成的影響。因此需要在風洞控制系統中設計解耦環節，以實現控制中心對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)解耦環節設置在控制中心之前。這種方式是考慮到部分受影響信息進入控制系統會造成控制系統程序混亂的情況，在控制系統前端裝置解耦系統，使得各部分數據進入控制中心之前就能夠受到解耦環節的監測調整，削弱參數受耦合作用影響的程度，使數據更加準確地傳入控制中心，控制中心也能更準確地下達相應命令。

2)在控制系統內裝入解耦程序。這種方式在目前的風洞控制系統中比較常見，在控制系統內部安裝結構程序，所占據空間較小，系統控制效果也更好，而且不會對控制中心造成額外負擔，可實現控制系統內部數據解耦操控一體化。但是這種方式會導致解耦程序沒有相對獨立時更完整，解耦能力也會受到限制；同時解耦環節與控制系統之間的聯系更為復雜，不利于實驗裝置對控制中心和解耦環節單獨進行檢測。

3)解耦環節安裝在反饋線路。這種安裝方式能夠在信息數據到達總控制系統進行反饋之前，對數據參數進行檢測和解耦操作，能夠有效地提高控制系統承受耦合作用影響的參數干擾的防御能力，對于其他方面的數據干擾問題，也有一定的解決能力。但是這種設置方法會增強解耦環節的內部處理復雜程度，使得控制中心在解耦方面的負擔較大，容易導致控制系統操作紊亂，信息延遲等不良影響。

4)解耦環節設置在控制器與控制對象之間。這種安裝方式能夠使解耦環節了解到控制對象的參數特征，能夠根據控制對象和接收到的各項參數之間的關系，進行相應的解耦操作。這種方式減輕了控制系統對接耦合環節的控制壓力，增強了解耦過后的數據和控制對象之間的適配性，使控制中心作出的指令更加合適準確，而且這種安裝方式對解耦環節的程序結構要求不高，相比于其他方式也更為簡單。因此，這種安裝方式在當前的實際實驗中得到的應用較為廣泛。但也存在一定的不足，即控制對象發生調整變化時，解耦環節的各方面參數配置也要進行相應的調整變化。

本文選擇了將解耦環節置入控制系統和控制對象之間的接入方法，這種設計方法能夠減小控制系統的操作壓力，還能有效地提高各項數據參數的質量和準確性，而且結構簡單，容易操作，有利于系統整體操作運行，并且不會對控制系統對控制對象進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 解耦程序安裝結構示意圖

本文解耦環節程序設計中選擇的是對角矩陣解耦方法，該方法是在傳遞函數矩陣解耦方法的基礎上，結合對角矩陣運算方法對參數進行解耦運算。運算的原理是對系統中的主要參數進行傳遞函數矩陣運算后，非對角數據的結果不為零，則表示該函數矩陣不是對角矩陣。這種適用于引射式跨聲速風洞控制系統解耦程序的解耦方法運算原理如圖4所示。

圖4 解耦程序對角矩陣運算原理圖

這種方法基于解耦方法中的傳統的運算方法，進行改進后使這種解耦方法非常適用于安裝在控制系統和控制對象之間的解耦裝置，通過引入了對角矩陣解耦計算原理，使傳遞函數矩陣解耦方法形成一個新型的對角矩陣解耦方法，不僅解耦范圍較廣，而且增加了對控制對象解耦的運算過程，從而能夠使解耦程序較完整地消除控制系統中耦合參數，使控制系統運行操控更流暢，指令更準確[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 引射式跨聲速風洞流場控制軟件程序流程圖

采用增壓回引射式氣流布局方式設計氣流動態布局控制系統，實現對抽氣段、駐室、柵指、排氣閥等多個工作單位的組合操控；引入解耦控制程序，控制各環節參數耦合，通過傳遞函數矩陣運算實現控制中心對耦合作用的削減，得到準確的風洞流場控制指令。

3 實驗結果與分析

為驗證設計的引射式跨聲速風洞解耦控制軟件的有效性，設計對比實驗，選擇同一控制對象和相同的風洞實驗標準，將本文設計的引射式跨聲速風洞控制軟件與傳統的跨聲速風洞雙轉軸控制系統和跨聲速風洞FSS控制系統進行對比。

檢驗風洞控制系統性能的主要指標是風洞實驗中控制系統對空氣流場內各方面的控制效果。本文運用了馬赫數和雷諾數等測試指標，對3種控制系統的控制水平進行了檢測分析，各方面測試結果如圖7所示。

圖7 抽氣段M數變化情況對比圖

圖7是對抽氣段M數的變化監測，可見本文設計的控制系統軟件控制下的抽氣段M數變化更穩定，體現了控制系統對該部分氣流狀況控制效果更好。

M數代表的是風洞實驗氣流的馬赫數值，圖中可見在相同的時間對同一控制目標進行風洞氣流操控，受氣流運行影響最大的抽氣段部分3種控制系統下M數的變化情況，FSS控制系統和雙轉軸系統控制下氣流氣壓馬赫數值波動起伏較大，且都呈現波動上升的狀態。雙轉軸控制系統前期氣壓上升很快，后期控制能力不足，導致其呈現明顯的波動起伏；FSS控制系統相較于雙轉軸控制系統稍微穩定一些，起伏變化不太明顯，但壓力值依舊呈逐漸上升狀態，且時間越長上升越明顯。

上述情況表明了傳統的控制系統隨著控制時間推移，控制能力也會逐漸減弱，對長時間的風洞實驗氣流控制難以滿足實驗的精準度和穩定性要求。而本文設計的控制系統在內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，因此對于測試對象復雜并且測試水平要求高的風洞實驗，本文設計的引射式跨聲速風洞控制系統軟件能夠滿足實驗要求。

圖8～10是對風洞穩定段氣壓控制效果的測量數據，由此可見，本文設計的控制系統對氣壓數值的控制更精準，更貼近對控制對象的氣壓目標要求。傳統的控制系統下穩定段的氣壓控制數值與目標理想數值偏離較大，如圖8所示雙轉軸系統無法控制氣壓穩定上升并保持一個平均值；通過圖9可以看出，FSS系統的控制在前期驅動力不足，導致前期氣壓不足，而后期氣壓上升迅速，控制系統難以及時控制穩定，總體來說效果并不理想。本文設計的軟件系統對氣壓的控制與目標要求相差無幾，波動變化很小，實驗效果非常良好，可見本文設計的軟件對氣壓控制的精準穩定。

圖8 本文控制系統穩定段氣壓控制效果

圖9 雙轉軸控制系統穩定段氣壓控制效果

圖10 FSS控制系統穩定段氣壓控制效果

圖11為對排氣閥氣流速度的檢測情況，相較于傳統控制系統，明顯在本文設計的控制系統控制下排氣氣流速度更均勻。在風洞實驗過程中，需要根據實驗現場的具體情況調整風洞內部氣流密度、分布情況等，因此需要對排氣閥進行精準的排氣操控。

圖11 排氣閥氣流排氣速度對比

圖中可見，傳統的控制系統控制下的排氣閥對氣流排放的控制并不理想，排氣速度變化較大，而且速度變化不穩定，時間越長速度起伏變化越大，閥門的控制越不穩定。在本文設計的控制系統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，排氣速度接近于勻速排放，而且沒有明顯的速度起伏變化，說明控制系統對排氣閥的控制能力足夠強，能夠使排氣閥排氣速度控制在一個大致的數值范圍。

結合以上數據分析能夠明顯看出，本文設計的風洞控制軟件系統在控制范圍、控制精度、控制穩定性等方面都具有突出優勢，且適用范圍廣，能夠根據控制設備和控制對象的具體條件進行調整。在航空航天和飛行器研究技術日新月異的今天，本文設計的軟件系統可以考慮投入大范圍推廣應用。

4 結束語

本文通過對引射式跨聲速風洞控制系統軟件設計原理的介紹，以及對比實驗的結果分析，表現出本系統軟件設計在風洞實驗領域的明顯優勢。本文的研究結果不僅對風洞實驗系統設計提供了參考，而且推動了相關領域的技術發展，為之后的風洞控制系統軟件程序研究提供了寶貴經驗。