一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法

1.本发明属于超燃冲压发动机
技术领域：
：，具体涉及一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法。
背景技术：
：：2.高超声速飞行器以其远超常规飞行器的飞行速度，是实现高速机动突防、对敌方移动目标打击的“杀手锏”武器，成为当前航空航天领域技术制高点之一。进气道作为高超声速飞行器和超燃冲压发动机的气动交界面，是发动机主要的“压缩机”，承担着降低来流速度、提高来流压力和温度、满足发动机流量需求、合理组织前体流动等重要任务。其设计形式和性能对发动机的运行能力、工作性能均存在显著影响。3.在x-51a飞行试验事故中，进气道时常会发生不起动，这一现象引起了学术界在高超音速进气道、隔离段和燃烧室之间耦合关系的研究。近年来，通过分析不起动问题的数值模拟和地面试验，在发动机结构和控制系统方面开展了大量研究。进气道发生不起动的主要特征是捕获流量急剧下降、流场质量恶化，导致发动机无法产生正常推力，甚至发生喘振导致机械结构破坏或燃烧室熄火，进气道不起动是一个非线性的强突变过程。对于飞行速度域宽广的进气道可能会经历低马赫数不起动、起动状态和高马赫数不起动三种工作情况，仅通过进气道优化设计很难解决不起动问题，所以必须要对其进行状态监测和利用反馈控制系统保护。技术实现要素：4.本发明提供一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，能够在进气道出现不起动时及时地对工作状态进行识别，更重要的是能够避免进气道不起动的发生，对进气道实施安全裕度控制。5.本发明通过以下技术方案实现：6.一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述保护控制方法具体包括以下步骤：7.步骤1：确定进气道的安全裕度表征；8.步骤2：基于步骤1进气道的安全裕度表征，选取激波串的目标位置；9.步骤3：基于步骤2选取的激波串的目标位置，监测进气道的安全裕度；10.步骤4：基于步骤3监测进气道的安全裕度，对进气道裕度进行闭环控制。11.一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤1具体为，将安全裕度定量地表征为激波串前缘与喉道的距离，安全裕度的定义式为：12.安全裕度＝1–lshock/lisoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)13.其中lshock为激波串的长度，liso为进气道-隔离段的长度。14.一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤2具体为，在对该进气道进行等裕度控制时，选取远离背景激波反射点的位置作为激波串的目标位置。15.一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤3具体为，采用压比法获得隔离段中激波串的前缘位置。16.一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，首先记录通流状态下若干壁面位置的压力值记作基准压力ptare,i(i＝1,2,…)，将每个位置处各个时刻的压力记作ps,i(kδt)；由此，得到压比向量如下式所示：[0017][0018]在压比向量pr(kδt)的基础上进行插值，并根据实际流场情况设计阈值；在压比向量达到该阈值时，就能够得到隔离段中激波串前缘位置的估计值。[0019]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，估计激波串前缘位置的方法总结为式(3)的形式；其中，i为插值方法，xtr为测量压力值的位置，prdes＝1.5：[0020]xsh,pr(kδt)＝i(pr(kδt),xtr,prdes)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0021]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤4具体包括以下步骤：[0022]步骤4.1：在进气道-隔离段中的唇罩侧和前体侧分别选取10个等间距的压力测点；[0023]步骤4.2：对步骤4.1的压力测点获得的压力值进行处理。[0024]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤4.2对获得的压力值进行处理具体为，[0025]步骤4.2.1：使用压比法估计当前时刻的激波串前缘位置；[0026]步骤4.2.2：设计pi控制器；[0027]步骤4.2.3：使用pidtuner工具箱调节pi控制器中的参数，pi控制器的形式为p+i(1/s)，进行进气道的等裕度闭环控制。[0028]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤4.2.2中设计pi控制器具体为，对高超声速进气道出口给定一个背压边界条件，观察进气道-隔离段中的激波串前缘位置的变化情况；使用系统辨识工具箱将背压边界条件作为输入，将对应的激波串前缘位置变化情况作为输出，辨识得到一个一阶传递函数。[0029]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法步骤。[0030]本发明的有益效果是：[0031]本发明基于高超声速进气道唇罩和前体侧的若干压力测点，监测激波串前缘位置，并以激波串前缘位置与喉道的距离表征进气道的安全裕度。[0032]本发明当进气道的安全裕度较低，及时调整背压条件，保证进气道既处于一个高性能的工作状态，又不会由于安全裕度过低而进入不起动状态。附图说明[0033]图1是本发明的进气道的安全裕度示意图。[0034]图2是本发明的高超声速进气道-隔离段的背景波系和壁面压力分布情况图。[0035]图3是本发明的通过压比法得到激波串前缘位置示意图[0036]图4是本发明的进气道安全裕度控制回路示意图[0037]图5是本发明的给定阶跃的背压条件时激波串前缘位置的变化情况示意图，其中，图6(a)阶跃的背压边界条件示意图，图5(b)激波串前缘位置变化情况示意图。[0038]图6是本发明的背景波系对激波串前缘位置变化规律的影响示意图，其中，图6(a)为unstable变化规律的影响示意图，图6(b)为stable变化规律的影响示意图。[0039]图7是本发明的传递函数辨识结果图。[0040]图8是本发明的全数字平台中的闭环控制结果图。具体实施方式[0041]下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0042]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述保护控制方法具体包括以下步骤：[0043]步骤1：确定进气道的安全裕度表征；[0044]步骤2：基于步骤1进气道的安全裕度表征，选取激波串的目标位置；[0045]步骤3：基于步骤2选取的激波串的目标位置，监测进气道的安全裕度；[0046]步骤4：基于步骤3监测进气道的安全裕度，对进气道裕度进行闭环控制。[0047]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤1确定进气道的安全裕度表征具体为，[0048]所述安全裕度表征具体为，在高超声速进气道-隔离段出口处背压不断增加的过程中，进气道是否会出现不起动现象与激波串的移动有关。在进气道-隔离段出口背压相对较低时，激波串位于进气道-隔离段下游，安全裕度较高，工作状态安全，但是发动机的潜能利用较低。在进气道-隔离段出口背压相对较高时，激波串位于进气道-隔离段中上游靠近喉道的位置，发动机处于一个高性能的工作状态，但是安全裕度较低，一旦激波串越过喉道，进气道不起动现象发生。根据上述对进气道-隔离段安全裕度的表述，将安全裕度定量地表征为激波串前缘与喉道的距离，如图1所示；安全裕度的定义式为：[0049]安全裕度＝1–lshock/lisoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)[0050]其中lshock为激波串的长度，liso为进气道-隔离段的长度。[0051]分析安全裕度的定义式：低背压时激波串位于进气道-隔离段的下游，激波串的长度较小，安全裕度接近于1，进气道的工作状态较为安全；高背压时激波串位于进气道-隔离段的中上游，激波串较长，安全裕度接近于0，进气道的工作状态接近不起动的边界。当激波串向上游移动的过程中越过喉道，甚至被推出进气道-隔离段，此时安全裕度为一个负值，这也意味着进气道出现了不起动现象。[0052]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤2基于步骤1进气道的安全裕度表征，选取激波串的目标位置具体为，激波串的运动虽然由进气道-隔离段出口处的背压所驱动，但是两者之间并非呈现一个线性的关系，无法简单地拟合激波串位置和进气道出口处背压之间的关系并以此来进行开环控制；激波串在隔离段的运动过程中经过背景激波反射点处会出现不稳定且不可控的突跳现象，因此在对激波串位置进行控制时需要使用闭环控制，并选取激波串能够稳定的位置，即远离背景激波反射点的位置。如图2所示为高超声速进气道-隔离段在通流情况下计算得到的背景波系以及两侧壁面的压力分布情况；[0053]在背景激波反射点处会存在明显的局部压力升高；因此，根据背景波系情况和壁面压力分布情况均比较直观地得到激波串无法稳定的区域；在对该进气道进行等裕度控制时，选取远离背景激波反射点的位置作为激波串的目标位置。[0054]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤3基于步骤2选取的激波串的目标位置，监测进气道的安全裕度具体为，为了对激波串的前缘位置实现控制，就必须对激波串前缘位置进行实时地监测。采用压比法获得隔离段中激波串的前缘位置。[0055]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，首先记录通流状态下若干壁面位置的压力值记作基准压力ptare,i(i＝1,2,…)，将每个位置处各个时刻的压力记作ps,i(kδt)；由此，得到压比向量如下式所示：[0056][0057]在压比向量pr(kδt)的基础上进行插值，并根据实际流场情况设计阈值；如图3所示，在压比向量达到该阈值时，就能够得到隔离段中激波串前缘位置的估计值。[0058]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，估计激波串前缘位置的方法总结为式(3)的形式；其中，i为插值方法，xtr为测量压力值的位置，prdes＝1.5：[0059]xsh,pr(kδt)＝i(pr(kδt),xtr,prdes)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0060]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤4基于步骤3监测进气道的安全裕度，对进气道裕度进行闭环控制具体包括以下步骤，对高超声速进气道-隔离段进行安全裕度控制，如图4所示为安全裕度控制回路；[0061]步骤4.1：在进气道-隔离段中的唇罩侧和前体侧分别选取10个等间距的压力测点；[0062]步骤4.2：对步骤4.1的压力测点获得的压力值进行处理。[0063]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤4.2对获得的压力值进行处理具体为，[0064]步骤4.2.1：使用压比法估计当前时刻的激波串前缘位置；[0065]步骤4.2.2：设计pi(proportionalintegral)控制器；[0066]步骤4.2.3：使用pidtuner工具箱调节pi控制器中的参数，pi控制器的形式为p+i(1/s)，进行进气道的等裕度闭环控制。[0067]一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，所述步骤4.2.2中设计pi(proportionalintegral)控制器具体为，对高超声速进气道出口给定一个背压边界条件，观察进气道-隔离段中的激波串前缘位置的变化情况；使用系统辨识工具箱(systemidentificationtoolbox)将背压边界条件作为输入，将对应的激波串前缘位置变化情况作为输出，辨识得到一个一阶传递函数。[0068]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法步骤。[0069]基于仿真平台，对高超声速进气道-隔离段开展等裕度闭环控制。[0070]首先，对高超声速进气道出口给定一个阶跃的背压边界条件，并观察进气道隔离段中激波串前缘位置的变化情况，如图5所示。为方便后续的模型辨识过程，对背压值和对应的激波串前缘位置进行归一化处理。[0071]然后，基于流场结构理解对应背压边界条件的激波串前缘位置的变化情况。如图5(b)所示，10ms至20ms激波串处于一个临界稳定的状态，激波串前缘位置出现了振荡。如图6(a)所示，在t＝11.3ms，唇罩侧激波串前缘位置恰好运动至一处背景激波在唇罩壁面的反射点下游，激波串前缘在经过激波/边界层相互作用位置时，发生突跳现象，因此在t＝11.7ms时唇罩侧激波串前缘已经突跳至该反射点上游。然而，进气道出口背压并没有随之上升，无法支持激波串继续保持在该位置，又向下游折返。在t＝11.9ms时，唇罩侧激波串前缘又回到背景激波反射点下游，如此循环，进而导致了观察到的激波串前缘位置的振荡。在20ms至30ms的过程中，激波串很快地收敛至一个稳定的位置。此时，激波串前缘位置距离背景激波反射点处仍有一定的距离，激波串位置能够保持稳定，如图6(b)所示。在30ms至40ms中，激波串前缘位置处于一个渐进稳定的状态，位置振荡幅度在激波串运动的过程中不断减小，最终收敛至一个稳定的点，这是一种介于临界稳定和稳定之间的状态。[0072]接着，使用系统辨识工具箱(systemidentificationtoolbox)将阶跃的背压作为输入，将对应的激波串前缘位置变化情况作为输出，辨识得到一个一阶传递函数g(s)＝-5249/(s+5311)，如图7所示。传递函数的拟合精度为83.41％。[0073]最后，在获得了传递函数后，使用pidtuner工具箱调节pi控制器中的参数。pi控制器的形式为p+i(1/s)。其中，p＝-0.293，i＝-3173.354。使用该pi控制器在全数字平台中进行闭环控制的结果如图8所示。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，所述保护控制方法具体包括以下步骤：步骤1：确定进气道的安全裕度表征；步骤2：基于步骤1进气道的安全裕度表征，选取激波串的目标位置；步骤3：基于步骤2选取的激波串的目标位置，监测进气道的安全裕度；步骤4：基于步骤3监测进气道的安全裕度，对进气道裕度进行闭环控制。2.根据权利要求1所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为，将安全裕度定量地表征为激波串前缘与喉道的距离，安全裕度的定义式为：安全裕度＝1
–
l
shock
/l
iso
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中l
shock
为激波串的长度，l
iso
为进气道-隔离段的长度。3.根据权利要求2所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为，在对该进气道进行等裕度控制时，选取远离背景激波反射点的位置作为激波串的目标位置。4.根据权利要求2所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为，采用压比法获得隔离段中激波串的前缘位置。5.根据权利要求4所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，首先记录通流状态下若干壁面位置的压力值记作基准压力p
tare,i
(i＝1,2,
…
)，将每个位置处各个时刻的压力记作p
s,i
(kδt)；由此，得到压比向量如下式所示：在压比向量pr(kδt)的基础上进行插值，并根据实际流场情况设计阈值；在压比向量达到该阈值时，就能够得到隔离段中激波串前缘位置的估计值。6.根据权利要求5所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，估计激波串前缘位置的方法总结为式(3)的形式；其中，i为插值方法，x
tr
为测量压力值的位置，pr
des
＝1.5：x
sh,pr
(kδt)＝i(pr(kδt),x
tr
,pr
des
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)7.根据权利要求2所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：步骤4.1：在进气道-隔离段中的唇罩侧和前体侧分别选取10个等间距的压力测点；步骤4.2：对步骤4.1的压力测点获得的压力值进行处理。8.根据权利要求7所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法，其特征在于，所述步骤4.2对获得的压力值进行处理具体为，步骤4.2.1：使用压比法估计当前时刻的激波串前缘位置；步骤4.2.2：设计pi控制器；步骤4.2.3：使用pid tuner工具箱调节pi控制器中的参数，pi控制器的形式为p+i(1/s)，进行进气道的等裕度闭环控制。9.根据权利要求8所述一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控
制方法，其特征在于，所述步骤4.2.2中设计pi控制器具体为，对高超声速进气道出口给定一个背压边界条件，观察进气道-隔离段中的激波串前缘位置的变化情况；使用系统辨识工具箱将背压边界条件作为输入，将对应的激波串前缘位置变化情况作为输出，辨识得到一个一阶传递函数。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一所述的方法步骤。

技术总结
本发明属于超燃冲压发动机技术领域，公开了一种高超声速进气道激波串前缘位置的安全裕度表征的保护控制方法。步骤1：确定进气道的安全裕度表征；步骤2：基于步骤1进气道的安全裕度表征，选取激波串的目标位置；步骤3：基于步骤2选取的激波串的目标位置，监测进气道的安全裕度；步骤4：基于步骤3监测进气道的安全裕度，对进气道裕度进行闭环控制。本发明能够在进气道出现不起动时及时地对工作状态进行识别，更重要的是能够避免进气道不起动的发生，对进气道实施安全裕度控制。对进气道实施安全裕度控制。对进气道实施安全裕度控制。


技术研发人员：王子傲 常军涛 孔辰 吕铖坤
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.09.08
技术公布日：2023/6/12