[发明专利]低温风洞流场自抗扰控制方法

说明书

本发明公开了一种低温风洞流场自抗扰控制方法，包括低温风洞流场数学模型的建立和自抗扰控制器的设计，先建立低温风洞的流场调节机构与流场参数之间的传递函数，不考虑流场调节机构和流场参数之间的耦合关系，自抗扰控制器通过流场调节机构来控制流场参数，自抗扰控制器包括扩张状态观测器和状态误差反馈控制器，扩张状态观测器将包括调节机构和流场参数之间的耦合在内的干扰因素视为总扰动估算出来，并补偿到状态误差反馈控制器中，实现流场的解耦控制。本发明不需要流场精确的数学模型，在总温、总压和马赫三个控制通道耦合关系未知的情况下，可以实现三者的解耦控制，有效提高了低温风洞流场的调节精度，并且缩短了流场调节时间。

技术领域

本发明涉及风洞流场控制领域，尤其涉及连续式低温风洞流场控制领域。

背景技术

雷诺数在流体力学中表征粘性影响的相似准则数，雷诺数的变化主要影响边界层分离、旋涡流动、激波/边界层干扰、激波/旋涡干扰等粘性起支配作用的流动。风洞试验的雷诺数模拟不足，将会使上述流动现象发生变化，与真实飞行存在差异。目前风洞试验中实现高雷诺数的方法主要有降低总温、增加总压、采用重气体或者增大模型尺寸等方法，其中降低总温(即低温风洞)是最有前途的一种方法。

低温风洞流场三个主要参数为：总温、总压和马赫数，风洞三个主要的流场调节机构为：液氮注入调节阀、氮气排气调节阀、风机。因此低温风洞可以近似看成是一个三输入三输出系统。低温风洞的控制过程十分复杂，其调节机构和输出参数之间的关系见图1。从图1中可以看出低温风洞流场存在强烈的耦合，这种耦合体现在两个方面：1、单个调节机构可能同时会影响多个流场参数，如增大液氮的注入量既会降低总温，也会提高总压；2、流场参数之间相互影响。例如，在保持风机转速恒定的情况下，总温降低时马赫数会升高。现有的解耦方法大多需要被控对象的精确模型，而由于低温风洞流场的复杂性加之低温风洞运行包络线较宽，导致流场的精确模型难以获得，进一步增大了低温风洞的控制难度。

因为低温风洞控制过程的复杂性，从低温风洞建设早期至今，国内外学者对其控制系统设计进行了大量的研究。目前低温风洞流场控制方法可分为三类：经典PID控制、现代控制和智能控制。经典PID控制的优点是不需要流场的数学模型、易于实现，但是难以满足现代飞行器风洞试验对低温风洞控制系统日益增高的性能要求(如马赫数控制精度要求达到0.001)。现代控制理论一个显著的特点是比较依赖被控对象精确的数学模型。美国NASA的TCT和NTF这两座低温风洞，早期的文献表明其采用的是非线性增益调度PI控制并且结合前馈补偿消除控制通道之间的耦合。该控制方法需要建立低温风洞流场的数学模型：一方面非线性增益调度机制需要预先获取风洞流场在不同工况下的稳态增益，另一方面前馈补偿环节需要总温、总压和马赫数三个控制通道之间的动态耦合模型。因此这类控制方法的控制效果严重依赖于风洞流场数学模型的精确程度。欧洲的ETW风洞采用的是一种具有自学习能力的控制算法，这类智能控制方法的缺点是需要大量的样本数据对算法进行训练，而样本数据的获取增加了风洞调试成本和周期。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种低温风洞流场自抗扰控制方法，具体的，包括以下步骤：

S1.建立低温风洞流场数学模型：建立低温风洞的流场调节机构与流场参数之间的传递函数，不考虑流场调节机构和流场参数之间的耦合关系；

S2.设计自抗扰控制器：自抗扰控制器通过流场调节机构来控制流场参数，所述自抗扰控制器包括扩张状态观测器和状态误差反馈控制器，所述扩张状态观测器将包括调节机构和流场参数之间的耦合在内的干扰因素视为总扰动估算出来，并补偿到状态误差反馈控制器中，实现流场的解耦控制。

进一步的，所述流场调节机构包括液氮流量调节阀、氮气排气阀和风机，所述流场参数包括低温风洞的总温、总压和马赫数。

进一步的，步骤S1中，将低温风洞流场多变量耦合系统视为三个单输入单输出系统，建立液氮流量调节阀开度与总温、氮气排气阀开度与总压、风机转速与马赫数之间的传递函数。