具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明针对一类暂冲式风洞开展研究。为了更加快速精确地控制马赫数，栅指第二喉道控制需要考虑如下问题：首先，由于栅指与试验段存在距离，栅指做动对于试验段马赫数的影响存在滞后性，需通过控制律设计减小滞后影响；其次，鉴于栅指控制具有非线性，需要风洞流场满足一定条件时才开始利用栅指进行流场马赫数控制，从而使得栅指位于调节线性区；同时，为了提高风洞及栅指机构本身的运行效率、安全性和软硬件可维护性，需要对第二喉道控制系统的软硬件架构进行优化设计。

本发明一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统，包含硬件装置和软件程序两大部分，其中硬件装置作为执行模块，控制模块中包含软件程序；

所述执行模块包括栅指，伺服电机及其配套驱动器，拉绳位移传感器和行程开关，及其它配套装置；栅指，伺服电机及其配套驱动器，拉绳位移传感器均为2个；行程开关共4个；

所述伺服电机及其配套驱动器用于接收下位机程序输出的控制指令，驱动栅指进行伸缩运动；

所述拉绳位移传感器是栅指机构的位置反馈装置，用于获取栅指的位置信息，并输出至下位机程序；

所述行程开关对栅指机构的位移进行限位，每个栅指机构有伸出和收缩两个限位；

所述控制模块采用分布式架构，包含上位机和下位机；上位机程序负责指令下发、状态监测和试验数据存储；下位机程序负责马赫数控制、数据采集，还可以包括安全连锁。

所述下位机包括马赫数控制线程、数据采集线程和上位机控制线程；通过数据采集线程接收由拉绳位移传感器和风洞传感机构输入的栅指的位置信息和风洞状态信息，并输出至上位机；通过马赫数控制线程接收由上位机输入的试验参数，根据试验参数和风洞状态信息对栅指位移进行控制；通过上位机控制线程接收上位机输入的外部指令，并输出至执行机构或主调压阀；所述风洞状态信息包括流场状态信息和试验马赫数；

所述上位机用于接收外部指令和试验参数并下发控制指令至下位机；所述上位机接收由下位机输入的栅指位置信息和风洞状态信息，并进行储存和显示。

进一步的，下位机还包括安全连锁线程；所述试验参数包括限位阈值；

所述下位机通过安全连锁线程，根据限位阈值对栅指的位置信息进行判断，当栅指位置超过限位阈值时，向伺服电机及其配套驱动器输出急停控制指令，进而控制栅指急停。具体地说，栅指机构限位包含软件限位和硬件限位，二者同时起限位作用。软件限位依据所述的拉绳传感器反馈的位置电压进行限位，当拉绳传感器反馈电压超出限位阈值时，限位生效；硬件限位依据所述的行程开关通断进行限位，当栅指机构到达限位位置接触到行程开关使行程开关接通时，限位生效。

进一步的，上位机程序具体包含如下功能：a、控制指令下发，包含启动、关闭、栅指回零、栅指零点采集、控制模式选择、手动走栅指、试验参数下发、栅指零点电压修改、栅指急停命令；b、状态监测，包含传感器参数管理、总压监测、静压监测、马赫数监测、栅指位置监测、栅指限位状态监测、风洞主调压阀使能监测和下位机状态流监测；c、试验数据存储，包含试验中的气参数据、栅指位置数据、下位机状态流以及试验相关设置参数数据。

进一步的，下位机的马赫数控制线程采用状态机架构，所述状态机架构包含以下状态：等待开车，参数初始化，手动调节，预置位置，闭环调节准备，闭环调节和关闭；状态的切换由不同条件决定。

所述等待开车状态为初始状态；

所述下位机根据上位机下发的控制指令，由等待开车状态进入参数初始化状态，手动调节状态或预置位置状态；在参数初始化状态进行每次试验的参数初始化设置；在手动调节状态中控制栅指到达手动预设位置，进行开环控制或调试；在预置位置状态中控制栅指到达预置位置，所述预置位置根据由历史试验数据拟合后的多项式确定；

所述预置位置状态完成后进入闭环调节准备状态，闭环调节准备状态中满足闭环调节条件后进入闭环调节状态，所述闭环调节状态通过控制栅指位移对流场马赫数进行控制；

所述关闭状态中，控制栅指返回初始位置。

一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制方法，采用上述一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统实现，包括以下步骤：

S1上位机接收试验参数并发送至下位机；

S2伺服电机及其配套驱动器接收由下位机输入的控制指令，驱动栅指到达预置位置；所述预置位置根据由历史试验数据拟合后的多项式确定；

S3主调压阀接收下位机输入的控制指令，进行开启；

S4下位机实时接收由风洞传感机构输入的流场状态信息，并进行判断，直至判断结果满足闭环调节条件；

S5下位机实时接收由风洞传感机构输入的马赫数，采用前馈+变参数PID控制方法得到栅指控制量，根据栅指控制量控制栅指位移，直至试验完成；

S6关闭主调压阀，并驱动栅指返回初始位置。

进一步的，步骤S2中，由历史试验数据拟合后的多项式为式中，L是栅指预置位置，Ma是试验马赫数，n是多项式阶数，a_n是拟合的多项式系数，Σ是求和符号。

进一步的，步骤S4中，满足闭环调节条件的标志为流场总压在连续n个控制周期内满足

且

式中，max、min分别代表最大值函数和最小值函数，p_0g是试验给定总压，p_0i是实测总压，|e_i|＝|p_0g-p_0i|，是实时总压误差的绝对值，th₁是绝对误差限，th₂是波动误差限；

所述n≥10。

进一步的，步骤S5中，栅指控制量u(k)＝u₁(k)+u₂(k)；其中，u₁(k)为前馈控制量，u₂(k)为变参数PID控制量；

所述u₁(k)＝f₁(A)·f₂(α)·f₃(Ma)；

式中，f₁(A)为阻塞比系数；f₂(α)为根据试验模型攻角变化确定的函数；f₃(Ma)为以马赫数为自变量的多项式函数，根据历史试验数据拟合；

式中，e(k)＝Ma-Ma(k)是当前控制周期内的马赫数误差，Ma是试验设定马赫数，Ma(k)是当前控制周期内的实际马赫数；e(k-1)是上一周期的马赫数误差；T(k)是控制周期；k_p(k)、k_i(k)、k_d(k)是时变比例系数、积分系数和微分系数。

进一步的，f₁(A)利用模糊规则确定，A是试验模型阻塞比的属性集合，A＝{小，中，大，超大}；

其中para₁～para₄由历史经验获取，为阻塞比参数，与阻塞比有关；

所述f₂(α)＝k_α(α(k)-α(k-1))；

式中，α(k)是当前控制周期内的试验模型攻角值，α(k-1)是上一控制周期内的试验模型攻角值，k_α是攻角补偿系数，k_α0由试验前预设。

进一步的，

其中k_p0(k)、k_i0(k)、k_d0(k)是预置比例系数、预置积分系数和预置微分系数。

实施例1

本发明一种用于暂冲式风洞的第二喉道控制系统，包含硬件装置执行模块和软件程序控制模块两大部分。图2展示了栅指第二喉道控制结构示意图。具体描述如下：

硬件装置：包含两个伺服电机及其配套驱动器、两个拉绳传感器、四个行程开关。其中，两个伺服电机是左右栅指机构的驱动装置；每个驱动器可根据需要配置制动电阻、输入滤波器和输出滤波器；两个拉绳传感器是左右栅指机构的位置反馈装置；四个行程开关是左右栅指机构的限位装置，其中每个栅指机构有伸出和收缩两个限位。以上所有硬件装置集成在现场控制柜中。

软件程序：软件程序采用分布式架构，包含上位机程序和下位机程序两大部分：上位机程序负责指令下发、状态监测和试验数据存储；下位机程序负责马赫数控制、数据采集和安全连锁，分别介绍如下：

(1)上位机程序。上位机程序运行于远程控制电脑上，远程控制栅指第二喉道运行。具体包含如下功能：a、控制指令下发，包含启动、关闭、栅指回零、栅指零点采集、控制模式选择、手动走栅指、试验参数下发、栅指零点电压修改、栅指急停命令；b、状态监测，包含传感器参数管理、总压监测、静压监测、马赫数监测、栅指位置监测、栅指限位状态监测、风洞主调压阀使能监测和下位机状态流监测；c、试验数据存储，包含试验中的气参数据、栅指位置数据、下位机状态流以及试验相关设置参数数据。

(2)下位机程序。下位机程序运行于现场控制电脑上。下位机程序包含5个线程，分别是马赫数控制线程、上下位机通信线程，上位机控制线程，数据采集线程、和安全连锁线程。其中，上下位机通信线程负责上下位机数据通信，采用TCP/IP协议；数据采集线程实时采集流场总压、静压和左右栅指位置电压量；安全连锁线程对栅指机构进行软件限位保护，与行程开关形成的硬件限位保护一起，二者同时起限位作用，具体地说，软件限位依据所述的拉绳传感器反馈的位置电压进行限位，当拉绳传感器反馈电压超出限位阈值时，限位生效；硬件限位依据所述的限位开关通断进行限位，当栅指机构到达限位位置接触到限位开关使限位开关接通时，限位生效；上位机控制线程接收上位机输入的外部指令，并输出至执行机构或主调压阀；马赫数控制线程是栅指第二喉道控制的核心，采用状态机架构，状态机结构图如图3所示，共包含下述7个状态，状态的切换由不同条件决定，下面分别说明：

a、等待开车。该状态是状态机的初始状态，在状态中进行相关参数的初始化设置以及相关状态实时监测。该状态跳出后，可进入参数初始化、手动调节和预置位置三个状态。其中，进入参数初始化状态的条件是所述的上位机程序发送“发送参数”指令；进入手动调节的条件是所述的上位机程序在“手动模式”下发送“启动”指令；进入预置位置的条件是所述的上位机程序在“自动模式”下发送“启动”指令。

b、参数初始化。设置该状态的目的是避免试验参数初始化设置冲突。在该状态中进行每次试验的参数初始化设置。该状态跳出后，进入等待开车状态，跳出条件是参数初始化完成。

c、手动调节。在该状态中，对栅指机构位置进行手动控制，接收所述的上位机程序中发送的给定栅指机构位置，并控制栅指机构走到该位置。该状态跳出后，进入关闭状态，跳出条件是所述的上位机程序发送“关闭”指令。

d、预置位置。在该状态中，将栅指机构走到栅指预置位置。其中，栅指预置位置由所述的上位机根据试验马赫数计算得到。该状态跳出后，可进入闭环调节准备和关闭两个状态。其中，进入闭环调节准备的条件是栅指到达预置位置；进入关闭的条件是所述的上位机程序发送“关闭”指令。其中，试验马赫数与栅指预置位置的关系可由前期试验数据经多项式拟合得到：

式中，L是栅指预置位置，Ma是试验马赫数，n是多项式阶数，a_n是拟合的多项式系数，Σ是求和符号。

e、闭环调节准备。在该状态中，栅指等待流场达到一定条件后，跳出该状态并开始进行栅指马赫数调节。该状态跳出后，可进入闭环调节和关闭两个状态。其中，进入闭环调节的条件是流场满足设定条件；进入关闭的条件是所述的上位机程序发送“关闭”指令。其中，进入闭环调节状态流场需要满足的设定条件是：流场总压在连续20个控制周期内满足

且

式中，max、min分别代表最大值函数和最小值函数，p_0g是试验给定总压，p_0i是实测总压，|e_i|＝|p_0g-p_0i|，是实时总压误差的绝对值，th₁是绝对误差限，th₂是波动误差限；th₁和th₂可由具体情况选取。

f、闭环调节。在该状态中，通过调节栅指机构位移进而对流场进行马赫数控制。其中，马赫数控制律采用前馈控制+变参数PID控制方式。该状态跳出后，进入关闭状态，跳出条件有二：所述的上位机程序发送“关闭”指令；所述的风洞主调压阀正常或异常关闭。

控制律设计是提高马赫数控制精度的核心。其中，前馈控制可以对试验模型攻角变化带来的流场干扰提前进行补偿；变参数PID控制则可以减小马赫数控制超调，提高控制精度。图4展示了基于栅指第二喉道的马赫数控制律框图。马赫数控制律描述如下：

u(k)＝u₁(k)+u₂(k)

其中，u₁(k)为前馈控制量，u₂(k)为变参数PID控制量；分别设计如下：

前馈控制律：

u₁(k)＝f₁(A)·f₂(α)·f₃(Ma)

式中，f₁(A)是利用模糊规则确定的阻塞比系数，反映试验模型阻塞比对流场的干扰大小。A是试验模型阻塞比的属性集合，描述如下：A＝{小，中，大，超大}由试验模型确定。f₁(A)表示如下：

其中para₁～para₄由历史经验获取；

f₂(α)为根据试验模型攻角变化确定的函数；表示如下：

f₂(α)＝k_α(α(k)-α(k-1))；

式中，α(k)是当前控制周期内的试验模型攻角值，α(k-1)是上一控制周期内的试验模型攻角值，k_α是攻角补偿系数，k_α0由试验前预设。

f₃(Ma)为以马赫数为自变量的多项式函数，根据历史试验数据拟合；

变参数PID控制律：

式中，e(k)＝Ma-Ma(k)是当前控制周期内的马赫数误差，Ma是试验设定马赫数，Ma(k)是当前控制周期内的实际马赫数；e(k-1)是上一周期的马赫数误差；T(k)是控制周期；k_p(k)、k_i(k)、k_d(k)是时变比例系数、积分系数和微分系数。描述如下：

其中k_p0(k)、k_i0(k)、k_d0(k)是预置比例系数、预置积分系数和预置微分系数。

g、关闭。在该状态中，栅指机构返回原点。该状态跳出后，进入等待开车状态，跳出的条件是栅指机构已到达原点。

基于上述硬件装置和软件程序，栅指第二喉道马赫数控制流程分为5个步骤，图5展示了上述基于栅指第二喉道的马赫数控制流程图：

步骤1：通过所述的栅指上位机向所述的栅指下位机发送相关试验参数；

步骤2：走栅指机构预置位置；

步骤3：栅指机构预置位置到位后，开启主调压阀；下位机实时接收由风洞传感机构输入的流场状态信息，并进行判断，直至判断结果满足闭环调节条件；

步骤4：待流场符合所述的进入栅指闭环调节的条件后，开始利用栅指基于前馈控制+变参数PID控制闭环调节马赫数；

步骤5：待试验完成，关闭主调压阀,并驱动栅指返回初始位置。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。