风洞马赫数的控制策略与控制方法研究

摘要

风洞是空气动力学试验中最重要的设备。马赫数控制系统是保证整个风洞性能指标的核心系统，风洞马赫数的控制精度、稳定性与快速性对风洞流场品质的改善与能源的节约至关重要。本文以引射式跨声速风洞为研究对象，对风洞马赫数控制的控制策略与控制方法进行了研究。
　　风洞系统流场建立时间短，控制精度要求高，系统结构复杂，很难建立精确的数学模型，使得控制难度较大。吹风试验过程可分为充压阶段和试验阶段，风洞系统在充压阶段的非线性程度和耦合程度远高于试验阶段，两个阶段采用相同的控制方式难以达到理想效果。因此，本文根据充压阶段和试验阶段的不同特点，设计了风洞马赫数的分阶段控制策略。
　　充压阶段要求快速、稳定地建立起风洞流场，风洞系统在充压阶段非线性严重、耦合作用强，通过传统控制方式达到满意的效果。为此，本文设计了基于知识的仿人智能控制器，结合开环和闭环两种控制方式，被控量偏差大时采用开环时间最优控制保证快速性，偏差小时采用闭环PID控制保证稳定性，根据先验知识和控制经验确定仿人智能控制规则，在线检测系统运行状态并按照规则改变控制方式，其中开环控制量基于案例推理选取。
　　PID控制可以基本满足试验阶段的控制需求。但是，试验阶段马赫数的控制要求速度快、精度高，涉及吹风试验工况多，为了达到控制要求需要反复调整PID参数，工作量大且难以保证控制效果。针对这一问题，本文根据同类工况具有重复性的特点，设计了基于迭代学习的PID控制器，以暂态性能指标为目标函数，通过迭代学习完成了试验阶段PID参数的优化。
　　为了验证控制器的性能，本文基于LabVIEW设计了风洞控制系统的仿真平台。模拟吹风试验结果表明，基于知识的仿人智能控制有效减少了充压阶段的超调量和调节时间，基于迭代学习的PID控制器可以通过迭代学习优化参数从而改善控制效果。本文设计的控制策略与控制方法可以满足风洞的控制要求，具有实际应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 风洞简介

1．2．1 风洞及风洞试验

1．2．2 风洞的发展历史及研究现状

1．2．3 风洞系统的主要相似准则

1．2．4 风洞的分类

1．3 风洞控制的发展及研究现状

1．4 本文的主要工作和内容安排

第2章 引射式跨声速风洞

2．1 高速风洞

2．1．1 高速风洞的类型

2．1．2 高速风洞控制系统

2．2 引射式跨声速风洞气动结构

2．3 引射式跨声速风洞吹风试验

2．3．1 运行控制参数

2．3．2 风洞系统结构

2．3．3 主排气阀对风洞流场的影响

2．3．4 栅指对风洞流场的影响

2．4 本章小结

第3章 风洞马赫数控制器设计

3．1 风洞马赫数控制系统结构

3．2 分阶段控制策略

3．2．1 吹风试验阶段划分

3．2．2 充压阶段

3．2．3 试验阶段

3．3 基于知识的充压阶段仿人智能控制

3．3．1 仿人智能控制规则

3．3．2 基于案例推理的预设位置选取

3．3．3 基于知识的仿人智能控制器

3．4 基于迭代学习的试验阶段PID控制

3．4．1 PID控制器

3．4．2 迭代学习控制

3．4．3 迭代学习的收敛条件

3．4．4 迭代因子的求取

3．4．5 基于迭代学习的PID控制器

3．4 本章小结

第4章 风洞仿真平台的设计与实现

4．1 仿真平台的总体方案

4．1．1 开发环境

4．1．2 仿真平台的总体设计

4．2 模拟风洞系统的设计与实现

4．2．1 系统功能

4．2．2 模拟风洞与仿真控制器的数据交换

4．2．3 模拟风洞的程序实现

4．3 仿真控制器系统的设计与实现

4．3．1 系统功能

4．3．2 仿真控制器与模拟风洞的数据交换

4．3．3 仿真控制器的程序实现

4．4 本章小结

第5章 基于仿真平台的控制效果验证

5．1 充压阶段控制的仿真

5．2 试验阶段控制的仿真

5．2．1 阶梯变马赫数工况的仿真

5．2．2 阶梯变迎角工况的仿真

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢