[发明专利]一种用于风洞连续变马赫数试验的激波板控制系统及方法

说明书

本发明一种用于风洞连续变马赫数试验的激波板控制系统及方法，该系统能实现激波板匀速运动，角度控制精度≤0.05°，进而在一类暂冲式风洞中，实现试验段流场马赫数2.5～3.0连续变化。激波板由电机驱动运动，针对风洞试验冲击大、扰动大的特点，可消除风洞来流对激波板运动的不利影响。本发明提出的激波板运动控制流程如下：风洞试验时，给定激波板角度，通过拟合公式计算出电机运动需要的脉冲数，通过串口通信向电机驱动器发送此脉冲数，采用高精度编码器反馈实际激波板位置，通过基于扩张状态观测器(ESO)的PID控制方法，使激波板运动到给定位置，位置精度≤0.05°。试验表明，与目前常规电机运动控制方法相比，该控制方法可有效消除各种干扰，具有更强的鲁棒性。

技术领域

本发明属于风洞特种试验领域，涉及到一种用于风洞连续变马赫数试验的激波板运动控制，具体是一种电机运动控制方法。

背景技术

目前大多超声速风洞在吹风过程中马赫数是固定的，只能模拟定常的来流条件，不能准确模拟飞行器真实工作环境，无法提供与飞行工况相似的马赫数连续变化的流场。而国外超声速风洞的建设发展过程中，出现了诸多变马赫数方法，典型的有柔壁/半柔壁喷管变型面、变介质比热比、喷管喉部加移动塞锥、喷管型面旋转等方式，这些方案都可以实现风洞喷管出口流场速度的变化，有些用于常规固定马赫数风洞实现多个马赫数喷管共用，但应用于动态连续变马赫数还存在各自的困难和不足。因此急需发展相应的风洞试验技术，实现在一次风洞试验过程中连续调节马赫数，建立基于马赫数连续改变的进气道启动特性和机体/推进一体化气动试验条件，为超/高超声速吸气式飞行器的启动性能预测研究提供试验支撑。

目前电机运动控制方法的研究取得了丰硕的成果。针对具有未知死区的伺服系统，陈强等提出了一种基于有限时间收敛的终端滑模控制方法，保证了跟踪误差在有限时间内的收敛性，同时克服了传统终端滑模控制中的奇异性问题。李世华等提出了一种非奇异的终端滑模控制方法，有效克服了同步电机控制上的奇异问题，并在同步电机伺服系统上得到了应用。近年来，为进一步提高伺服系统性能，线性控制、非线性控制和智能控制等控制方法研究的越来越深入。然而以上研究成果均未考虑在实际应用中，如风洞试验这类对控制对象有较强干扰的控制环境中，如何保证电机控制效果。目前电机等各类伺服设备在风洞试验中的应用越来越广泛，急需研究能够克服各类干扰的高精度电机控制算法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对风洞试验环境中激波板控制效果难以达标的问题，提出了基于扩张状态观测器(ESO)的PID控制方法，该方法可有效减小风洞流场对激波板运动的不利影响，实现电机位置的高精度控制。本发明的创新点在于：1.通过改变激波板角度的方式实现风洞试验段马赫数连续变化； 2.创造性地提出了基于ESO的PID控制方法，可使激波板在风洞试验中平稳运动，位置精度≤0.05°。

本发明的技术解决方案为：

一种用于风洞连续变马赫数试验的激波板控制系统，包括：角度传感器、总压传感器、静压传感器、激波板、电机、丝杠、转轴、控制模块和数据采集模块；

激波板前端设置转轴，电机驱动丝杠从而带动激波板绕转轴转动；

激波板上固定安装有试验段；总压传感器固定安装在风洞前室内部，静压传感器固定安装在风洞的试验段驻室内；

角度传感器用于采集激波板的转动角度；

数据采集模块用于采集总压传感器输出的总压值和静压传感器输出的静压值，采集角度传感器输出的角度值；将总压值、静压值和角度值传输给控制模块；

控制模块接收数据采集模块传输的总压值、静压值和角度值，根据角度值确定激波板当前转动的角度值；根据总压值与静压值，确定试验段内部均匀区处的平均马赫数。

激波板初始状态平行于水平面。

激波板转动的角度取值范围为0～10°。