风洞流场马赫数建模与控制的研究

论文摘要

随着航空、航天技术的发展，各种飞行器的研制、设计，对风洞吹风试验的依赖性越来越高。吹风试验数据的性能指标，尤其是跨声速阶段的性能指标，直接影响各种飞行器的设计性能好坏。如何提高风洞的控制性能指标、改善流场品质，获得高精度吹风数据，是风洞控制的主要任务，也是飞行器研制、设计的基础。本论文的重点是对风洞流场参数——马赫数的控制问题进行深入的分析、研究，为亚跨超三声速风洞流场马赫数控制系统设计提供决策支持。亚跨超三声速风洞是暂冲式跨超声速风洞，这就要求风洞稳定流场建立的时间短，控制精度高，气流均匀性要好。由于风洞的气容量限制和风洞本身动态特性不可预测的变化导致风洞的前室总压和试验段马赫数的控制难度加大。本文针对以上问题提出了通过建模进行仿真研究的方法。实践表明：本文的方法能够很好的解决以上问题。本文主要作了如下工作：（1）结合XX亚跨超三声速风洞的特点，设计了风洞前室总压和试验段马赫数的辨识试验，并将辨识实验应用于该风洞，取得了大量的试验数据；（2）在辨识试验的基础上，用递推最小二乘法建立了风洞前室总压和试验段马赫数的输入输出模型，为系统控制器设计提供了数学模型；（3）设计了风洞调节阶段的PID控制器。将基于给定幅值裕度和相角裕度（SPAM）的PID参数自整定方法应用于亚跨超三声速风洞中，保证系统有满意的稳态精度和调节性能。设计了亚跨超三声速风洞的解耦控制系统。该系统采用前馈解耦算法，解决了风洞试验段马赫数和前室总压的耦合问题；（4）提出了一种开闭结合的串级控制策略。该方法结合了开环的时间最优控制和闭环的串级PID控制，很好的解决了风洞启动过程的控制难点。在实际中取得了理想的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 本课题的研究背景和意义
• 1.1.2 风洞控制的发展及国内外的现状
• 1.2 课题来源
• 1.3 论文的研究内容
• 第二章 XX 亚跨超三声速风洞前室总压与实验段马赫数的建模研究
• 2.1 建模方法
• 2.1.1 建模对象
• 2.1.2 参数辨识
• 2.2 建模实验及数据分析
• 2.2.1 实验段马赫数<0.85
• 0.85'>2.2.2 实验段马赫数>0.85
• 2.3 小结
• 第三章 风洞马赫数的控制方法
• 3.1 开闭结合的串级控制
• 3.1.1 最优控制的基本原理
• 3.1.2 最优控制在风洞上的应用
• 3.1.3 串级控制系统
• 3.2 调节过程解耦控制系统设计
• 3.2.1 解耦器的设计
• 3.2.2 解耦器的实现
• 3.2.3 仿真实验
• 3.3 自整定 PID 控制器设计
• 3.3.1 SPAM 法整定原理
• 3.3.2 SPAM 法整定公式
• 3.3.2.1 滞环继电特性与被控对象 Nyquist 曲线的交点在单位圆外
• 3.3.2.2 滞环继电特性与被控对象 Nyquist 曲线的交点在单位圆内
• 3.3.3 仿真实验
• 3.4 小结
• 第四章 风洞马赫数控制技术实现
• 4.1 概述
• 4.2 调压阀充气
• 4.2.1 充气过程
• 4.2.2 开车方式确认
• 4.2.3 操作界面
• 4.2.4 调压阀充气操作步骤
• 4.2.5 充气操作注意事项
• 4.3 调压阀操作
• 4.3.1 操作
• 4.3.2 注意事项
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历