动态激波闭环控制的方法与流程

1.本发明属于等离子体闭环主动流动控制技术，尤其涉及一种动态激波闭环控制的方法。

背景技术：

2.在(高)超声速飞行中，激波/边界层相互作用普遍存在于飞行器外流场以及发动机内流场中。飞行中因为来流扰动、攻角变化或边界层分离而产生的脉动激波，将会造成局部的压力脉动及热负荷，对飞行器整机及部件的疲劳寿命、结构完整性和材料的选择都有着重要的影响。要进一步改善超声速飞行器及其动力装置的设计就需要对激波及激波/边界层相互作用、边界层分离等基本流动现象有更为清晰的认识，对流场的局部恶化实现快速有效控制。
3.早期研究尝试使用激波形状控制器，公开号cn 101033763a，实现进气道激波调控，其具体通过在隔离段接引高压气体后再从进气道壁面喷出，实现非设计工况下的激波系调控。进一步的研究利用该引气控制方案实现了进气道在低马赫数下的流量系数的提升和前体阻力系数的下降。但该基于引气的机械式控制方案，在高速流场控制中存在着响应迟缓问题；同时，射流的扰动可能造成激波脉动；此外，在流场无需控制时，开孔引气的将导致气体死腔的存在，引起额外的气流损失及热防护等问题。
4.基于等离子体激励器的无惯性、响应快、频带宽、安装控制灵活等特点，等离子体主动流动控制技术在超声速流场调控方面得到了广泛研究。增混降噪的局部电弧丝等离子体激励器(us 2006/0005545 a1)布置于喷管出口周向位置，利用高频电极放电形成等离子体扰动，对射流进行控制，测试结果有效证实了其对射流掺混增强的有效性。组合式等离子体流动控制装置(cn 110131072b)综合利用高频脉冲电弧等离子体激励器和介质阻挡放电等离子体激励器，同时对激波和边界层进行控制，实现激波和分离区强度的减弱。
5.上述等离子体激励器控制方案应用于超声速流动控制时，利用其高频激励扰动实现控制目的，但也不可避免的引入了高频脉动，造成激波非定常的脉动运动，对于发动机进气道等稳定工作造成影响。

技术实现要素：

6.鉴于此，本发明提供一种动态激波闭环控制方法及其验证装置，至少部分解决现有发动机进气道激波脉动等不稳定工作的技术问题。
7.提供一种动态激波闭环控制的方法，基于电弧等离子体激励器对动态激波发生器所诱导的动态激波进行控制，沿气流方向，在等离子体激励器上游位置安装有第一压力传感器，在激波发生器转轴下游预设位置安装有第二压力传感器；
8.通过获取第一传感器和第二传感器的测量值以确定当前的激波强度，同时闭环控制器实时监测等离子体激励器的开关状态量及激波强度理论值；
9.根据当前所测得的激波强度，形成闭环控制并实时调整等离子体激励器工作参
数，实现动态激波压比的平稳控制，达到预设的控制目标值本发明的技术有益效果：
10.(1)相比于现有的高频脉冲放电激励器，本发明所提供的电弧放电系统不包含高频激励元件，在流场中引入的电磁干扰更少；该激励器放电所形成的流向电弧更为稳定，脉动小，进一步减少了电磁干扰；
11.(2)相比于现有的高频脉冲放电激励器流动控制，大都属于稳定工况下的开环控制，本发明所提供的闭环控制，实现控制对象的实时监测，所建立的反馈模型，实现了脉动激波的平稳控制，这是现有开环等离子体激励器所不具备的显著特性；
12.(3)相比于现有发明中的固定角度的激波发生器，实现了不同强度激波工况的快速模拟，同时可实现不同动态变化模式，适用范围更广。
附图说明
13.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
14.图1为基于等离子体激励器的动态激波闭环控制方案示意图；
15.图2为闭环控制器控制逻辑示意图；
16.图3为动态激波发生器角度固定时激波压比闭环控制效果验证图；
17.图4为动态激波发生器角度变化时激波压比稳定闭环控制验证图；
18.其中：
19.1、动态激波发生器；2、等离子体激励器；3-1、第一压力传感器；，3-2、第一压力传感器；4、支杆；5、闭环控制器。
具体实施方式
20.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
21.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
22.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
23.图1所示动态激波闭环控制装置包括动态激波发生器1，位置可调等离子体激励器
2，第一压力传感器3-1和第一压力传感器3-2，支杆4，闭环控制器5，现有的动态激波发生器1为一可转动的扇形金属块，其通过下方的支杆4与步进电机相连接，在步进电机的驱动下绕安装轴旋转。当其转动时，在超声速流场中形成动态激波，其变化角度为0
°
～10
°
，转动速度可通过调节步进电机速度加以控制。
24.位置可调的等离子体激励器2位于动态激波发生器1的上游，由放电金属钨电极和绝缘耐高温陶瓷构成，电极安装与陶瓷块表面平齐，确保激励器不工作时对流场影响最小，下端与高压直流电路相连；电极展向个数可根据实际控制激波需求确定；流向排数可根据激波调控所需功率范围确定，基于前期激波控制的有效性及电弧稳定性研究，电极距离下游陶瓷块边缘的流向距离为15mm～40mm；
25.第一和第二压力传感器3-1，3-2分别采集超声速来流上游及斜激波后壁面压力信息，作为输入信号(p1,p2)传递给闭环控制器5；位于上游的压力传感器3-1固定安装于模型壁面，斜激波后的压力通过引气软管引出，与传感器3-2连接，避免与动态激波发生器1的转动发生干涉。
26.图2所示的闭环控制器的控制方法逻辑具体为：
27.获取第一传感器和第二传感器的测量值以确定当前的激波强度，根据当前所得激波强度进行“case”逻辑判断以确定等离子体激励器工作状态及参数，判断准侧包括：
28.确定激波强度控制目标的设定值πd，判断当前的激波强度是否大于控制目标的设定值πd，如是，等离子体激励器调整为开状态并根据当前激波强度调整等离子体激励器工作参数，如否，等离子体激励器调整为关状态；
29.在激波发生器为开的状态下，判断当前的激波强度是否小于所述控制目标的设定值πd，如是，结合当前激波强度调整等离子体激励器工作参数直至与所设定的目标值相等；
30.根据当前动态激波发生器状态获取当前激波的无黏理论值，判断当前的激波强度是否小于该无黏理论值，或在等离子体激励器为关的状态，如是，关闭等离子体激励器，所述无黏理论值的引入可有效保证控制过程中超调现象出现时，case判断逻辑的自洽，保证等离子体激励器的稳定工作。
31.在本发明的一个具体实施案例中，
32.动态激波发生器1角度保持在α＝8.54
°
不变；等离子体激励器2电极流向位置距离氧化铝陶瓷块边缘35mm，钨电极直径为1mm，展向间距2mm，展向布置2对电极，接线方式依次为-++-，此时超声速流场中电极放电形成沿流向稳定的电弧等离体，长度为35mm，在等离子体激励器为开的状态时，闭环控制器5实时调整激励器功率大小，
33.parc＝2
×
103k
p
(π
th-πd)+1
×
102∑(p2/p
1-πd)+1
×
103δ(p2/p1)，
34.其中，π
th
为当前时间下斜面激波压比的无黏理论值；πd为目标压比，取值1.52。如图3所示，在动态激波发生器的角度固定时，选取k
p
分别为0.05和1.0，实现将斜激波压比控制到指定目标值的闭环控制。
35.在本发明的另一个具体实施案例中，
36.动态激波发生器1角度α在7
°
～9
°
变化，具体变化规律为α＝-32t2+16t+7，t表示时间；
37.等离子体激励器2电极流向位置距离氧化铝陶瓷块边缘35mm，钨电极直径为1mm，展向间距2mm，展向布置2对电极，接线方式依次为-++-，此时超声速流场中电极放电形成沿
流向稳定的电弧等离体，长度为35mm；
38.闭环控制器5中建立电弧功率(parc)与压比差值(δp＝p2/p
1-πd)间的关系，具体为：
39.parc＝2
×
103k
p
(π
th-πd)+1
×
102∑(p2/p
1-πd)+1
×
103δ(p2/p1)
40.其中，π
th
为当前时间下斜面激波压比的无黏理论值，可根据当前斜面角度计算获得；πd为目标压比，取值1.52；k
p
为比例系数，取值为1.0。经模拟验证，当动态激波发生器1角度变化诱导形成动态激波时，本发明实施方案可有效控制斜激波压比稳定到指定的目标值，控制效果如图4所示。
41.本发明所提供一种动态激波闭环控制装置实施案例，包括动态激波发生器，其内沿气流方向依次设置等离子发生器和激波发生器包括动态激波发生器，所述等离子体激励器的位置可调，还包括闭环控制器、第一压力传感器和压力传感器，其中：在等离子发生器前方且近邻位置安装有第一压力传感器，在激波发生器沿气流方向预设位置安装有第二压力传感器，所述闭环控制器运行上述部分或全部方法。
42.实施例如图1所示，动态激波发生器1为一可转动的扇形金属块(可选铝材，不锈钢等)，其通过下方的支杆4与步进电机(该电机成熟产品，可参考选型卓立汉光ksav2030-zf)相连接，在步进电机的驱动下绕安装轴旋转。整个模型安装于超声速风洞流场试验段壁面，当动态激波发生器1转动时，在超声速流场中形成动态激波，其变化角度为0
°‑
10
°
，本实施案例中具体选为7
°
～9
°
，其转动速度可通过调节步进电机运动速度加以控制。
43.位置可调等离子体激励器2安装于动态激波发生器1的上游，由放电金属电极(优选钨电极)和绝缘耐高温陶瓷(优选氧化铝陶瓷)基体构成。直径1mm的电极，外包热缩管绝缘，通过固体绝缘胶安装于陶瓷块中的2mm通孔，表面保持平齐，确保激励器不工作时对流场影响最小；下端与高压放电直流电路相连，高压电源选用直流电源(可参考选型glassman high voltage,inc.10kv,1a.)，可通过弱电信号调节输出电流，便于与闭环控制系统关联；电极展向个数可根据实际控制激波需求确定，本案例中选为4个电极，接线方式为-++-；流向排数可根据激波调控所需功率范围确定，基于前期激波控制的有效性及电弧稳定性研究，电极距离下游陶瓷块边缘的流向距离为15mm～40mm，本案例中优选为35mm。
44.压力传感器3-1，3-2(绝压传感器，参考选型cyg41000t，响应频率》10khz)分别采集超声速来流上游及斜激波后壁面压力信息，作为输入信号传递给闭环控制器5；压力传感器3-1，位于等离子体激励器2上游(具体位置可根据实际控制对象尺寸确定，本案例中其流向位置距离等离子体激励器2前缘35mm)，直接安装于案例模型壁面，通过直径1mm的引气孔测量来流静压；斜激波后的压力通过引气软管将动态激波发生器1上的压力测量孔与模型壁面的测量孔连接来测量激波后压力，与传感器3-2连接，避免与动态激波发生器1的转动发生干涉，测压孔位于激波发生器1转轴下游15mm处。
45.以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种动态激波闭环控制的方法，基于电弧等离子体激励器对动态激波发生器所诱导的动态激波进行控制，其特征在于：沿气流方向，在等离子体激励器上游位置安装有第一压力传感器，在激波发生器转轴下游预设位置安装有第二压力传感器；通过获取第一传感器和第二传感器的测量值以确定当前的激波强度，同时闭环控制器实时监测等离子体激励器的开关状态量及激波强度理论值；根据当前所测得的激波强度，形成闭环控制并实时调整等离子体激励器工作参数，实现动态激波压比的平稳控制，达到预设的控制目标值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据当前所得激波强度进行“case”逻辑判断以确定等离子体激励器工作状态及参数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，“case”逻辑判断的方法包括：确定激波强度控制目标的设定值π
d
，判断当前的激波强度是否大于控制目标的设定值π
d
，如是，等离子体激励器调整为开状态并根据当前激波强度调整等离子体激励器工作参数，如否，等离子体激励器调整为关状态；在激波发生器为开的状态下，判断当前的激波强度是否小于所述控制目标的设定值π
d
，如是，结合当前激波强度调整等离子体激励器工作参数直至与所设定的目标值相等；根据当前动态激波发生器状态获取当前激波的无黏理论值，判断当前的激波强度是否小于该无黏理论值，或在等离子体激励器为关的状态，如是，关闭等离子体激励器，所述无黏理论值的引入可有效保证控制过程中超调现象出现时，case判断逻辑的自洽，保证等离子体激励器的稳定工作。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在等离子体激励器为开的状态时，实时调整等离子体激励器功率大小的方法为：基于第一压力传感器和第二压力传感器的测量值p1和p2，建立等离子体激励器功率(parc)与激波强度差值(δp＝p2/p
1-π
d
)间的关系，且满足：parc＝2
×
103k
p
(π
th-π
d
)+1
×
102∑(p2/p
1-π
d
)+1
×
103δ(p2/p1)其中，π
th
为当前状态下斜激波压比的无黏理论值，根据当前动态激波发生器角度计算获得；π
d
为激波强度控制目标压比，验证时取值1.52；k
p
为比例系数，取值范围(0，1]；∑(p2/p
1-π
d
)为各个控制周期当前压比p2/p1与目标值差异的离散求和；δ(p2/p1)代表激波压比在单位时间步长内的变化量；在动态激波发生器的角度固定时，选取k
p
分别为0.05和1.0，以实现将斜激波压比控制到指定目标的闭环控制。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第二压力传感器所述预设位置在动态激波发生器转轴下游15mm～20mm。6.一种动态激波闭环控制验证装置，其特征在于，沿气流方向，依次设置等离子体激励器和动态激波发生器，在等离子体激励器上游安装有第一压力传感器，在动态激波发生器预设位置安装有第二压力传感器；所述等离子体激励器的位置可调；通过闭环控制器实现压力信号采集处理与等离子体激励器工作状态及参数调节，其调控方法如权利要求2至4所述，该装置可用于验证所述方法的可行性及动态激波闭环控制研究。

技术总结

本发明公开的动态激波闭环控制的方法及验证装置，至少部分解决现有发动机进气道激波脉动等不稳定工作的技术问题。基于电弧等离子体激励器对动态激波发生器所诱导的动态激波进行实时控制，该验证装置沿气流方向依次设置等离子激励器和动态激波发生器，在等离子体激励器上游位置安装有第一压力传感器，在激波发生器沿气流方向转轴下游预设位置安装有第二压力传感器；通过获取第一传感器和第二传感器的测量值以确定当前的激波强度，同时闭环控制器实时监测等离子体激励器的开关状态量及激波强度理论值；根据当前所测得的激波强度，形成闭环控制并实时调整等离子体激励器工作参数，实现动态激波压比的平稳控制，达到预设的控制目标值。控制目标值。控制目标值。