大流量高精度熱氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小安，褚昌軍，張艷清

（北京特種機(jī)械研究所，北京 100143）

0 引言

當(dāng)飛機(jī)穿越含有過冷水滴的云層時(shí)，飛機(jī)部件的迎風(fēng)表面會結(jié)冰，改變了飛機(jī)迎風(fēng)面的氣動外形，從而改變了飛機(jī)的氣動特性和飛行性能，尤其是穩(wěn)定性和操縱性的突然惡化會直接導(dǎo)致飛行事故，因此飛行器的防（除）冰對飛行安全顯得尤為重要。世界各國特別是發(fā)達(dá)國家的飛行器適航條例中對結(jié)冰適航都有嚴(yán)格規(guī)定，為驗(yàn)證防（除）冰系統(tǒng)的有效性，必須進(jìn)行模擬結(jié)冰試驗(yàn)和自然結(jié)冰條件下的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)。而結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)需要一種大流量、高精度熱氣源發(fā)生裝置，用于向進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的飛行器模型提供壓力、流量、溫度連續(xù)可調(diào)的熱氣源，以滿足不同型號飛行器模型在不同情況下的試驗(yàn)需求。針對此，本文提出了大流量、高精度熱氣源系統(tǒng)，解決了大流量下高精度控制問題和氣體流量、壓力、溫度聯(lián)合控制問題，可以為結(jié)冰試驗(yàn)飛行器模型提供所需要的氣體，以確保在結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，飛行器模型上的防（除）冰系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 熱氣源系統(tǒng)組成

熱氣源系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作原理如下：氣源經(jīng)入口進(jìn)入低溫控制回路，實(shí)現(xiàn)氣體壓力和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過止回閥進(jìn)入空氣加熱器進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，最后，從高溫控制回路輸出壓力、流量、溫度連續(xù)可調(diào)的大流量、高精度熱氣源。

1.1 低溫控制回路

低溫控制回路安裝于系統(tǒng)最前端，連接氣源入口，用于實(shí)現(xiàn)氣體壓力和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，其控制原理如圖2所示。低溫控制回路包括5條2英寸大流量支路、1條3/8英寸小流量支路、入口分流排和出口匯流排。5條2英寸大流量支路用于實(shí)現(xiàn)大流量控制，1條3/8英寸小流量支路用于實(shí)現(xiàn)對大流量時(shí)的流量精度細(xì)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)熱氣源的大流量、高精度控制。每條2英寸大流量支路的結(jié)構(gòu)相同，按照氣體流向依次安裝有過濾器、流量傳感器、遙控減壓閥、比例流量控制閥以及兩通電磁閥。過濾器用于實(shí)現(xiàn)對入口氣源的雜質(zhì)過濾，以保護(hù)后續(xù)元器件；流量傳感器用于實(shí)現(xiàn)氣體流量的實(shí)時(shí)測量，其安裝于減壓閥前端，可有效防止紊流對測量精度造成的影響；遙控減壓閥用于實(shí)現(xiàn)氣體壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)，由于支路流量較大，因此采用氣控式遙控減壓閥，其動作受電子比例減壓閥的控制；比例流量控制閥用于實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，由于比例流量閥不能實(shí)現(xiàn)對氣路的完全關(guān)斷，因此設(shè)置了兩通電磁閥，用于控制所在支路的開通和關(guān)斷。3/8英寸小流量支路與2英寸大流量支路的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于3/8英寸小流量支路直接使用電子比例減壓閥實(shí)現(xiàn)對壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)。

1.2 空氣加熱器及其溫度控制柜

空氣加熱器用于實(shí)現(xiàn)氣體溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，其使用集束式加熱棒進(jìn)行加熱，并采用上、下兩個(gè)加熱腔體的結(jié)構(gòu)，在保證足夠加熱功率的同時(shí)，增加了氣體加熱室的行程，從而實(shí)現(xiàn)了氣體溫度的大范圍、高精度連續(xù)可調(diào)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 熱氣源系統(tǒng)組成框圖

圖2 低溫控制回路原理框圖

圖3 空氣加熱器結(jié)構(gòu)

溫度控制柜用于實(shí)現(xiàn)對空氣加熱器的加熱控制，其內(nèi)部采用可控硅作為功率控制單元，可實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)可調(diào)。由于加熱器總功率達(dá)700kW，因此溫度控制柜內(nèi)部采用分組模式，每50kW為一組，共分14組。加熱時(shí)，根據(jù)目標(biāo)流量值選擇需要啟用的組數(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫度控制性能的最優(yōu)化。

1.3 高溫控制回路

高溫控制回路安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、手動截止閥、2個(gè)電控截止閥和安全閥，并設(shè)置了放氣旁路，其控制原理見圖4。其中，放氣旁路用于熱氣源的預(yù)調(diào)節(jié)，待達(dá)到設(shè)定的壓力、流量和溫度后，再切換到輸出通道，供模型使用。輸出通道用于向飛行器模型供氣，放氣旁路用于預(yù)調(diào)節(jié)過程，使用放氣旁路進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)時(shí)，電控截止閥1關(guān)閉、閥2打開，待出口壓力、流量和溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開電控截止閥1、關(guān)閉閥2，從而實(shí)現(xiàn)放氣旁路到輸出通道的切換。飛行器模型防（除）冰試驗(yàn)完成后，打開電控截止閥2、關(guān)閉電控截止閥1，從而實(shí)現(xiàn)了輸出通道到放氣旁路的切換。安全閥用于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的安全保護(hù)，當(dāng)出口壓力達(dá)到安全壓力時(shí)，安全閥將動作，從而通過放氣旁路進(jìn)行泄壓，防止發(fā)生危險(xiǎn)。

2 熱氣源系統(tǒng)控制原理

2.1 流量控制和壓力控制

流量控制原理框圖見圖5。控制器通過模擬量輸入模塊實(shí)時(shí)采集流量傳感器的流量值，并與設(shè)定的流量值比較，比較結(jié)果經(jīng)運(yùn)算后通過模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對比例流量閥的開啟度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對氣體流量的連續(xù)控制。壓力控制原理與流量控制基本相同，區(qū)別在于采集的是壓力傳感器的壓力值，經(jīng)比較后控制比例減壓閥的開啟度。由于氣體壓力經(jīng)加熱后會發(fā)生變化，故本系統(tǒng)壓力傳感器安裝于空氣加熱器出口處，以實(shí)現(xiàn)對出口壓力的精確控制。

圖4 高溫控制回路原理圖

圖5 流量控制原理框圖

2.2 溫度控制

安裝于氣源控制箱內(nèi)的PLC通過MODBUS總線實(shí)現(xiàn)對溫度控制柜的遠(yuǎn)程控制。溫度控制柜實(shí)時(shí)采集空氣加熱器出口溫度傳感器的溫度值，并與控制器設(shè)定的溫度值相比較，比較結(jié)果經(jīng)運(yùn)算后輸出PWM波控制可控硅導(dǎo)通角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對空氣加熱器的加熱控制，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)連續(xù)控制。本系統(tǒng)中，溫度控制柜作為MODBUS從站，PLC為主站。具體溫度控制由安裝于溫度控制柜內(nèi)的溫控儀表實(shí)現(xiàn)，PLC通過MODBUS總線實(shí)現(xiàn)對溫控儀的遠(yuǎn)程控制，包括啟動加熱、停止加熱、參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)溫度讀取等操作。

2.3 多變量聯(lián)合控制

本系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量耦合系統(tǒng)。首先，氣體流量和壓力存在耦合關(guān)系，一方的變化將對另一方產(chǎn)生影響；其次，在加熱過程中，隨著溫度升高，出口壓力也會慢慢增大，從而造成3個(gè)變量相互耦合的情況，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。本文根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套通過控制流程解耦的方法，可以有效實(shí)現(xiàn)從3變量到2變量的轉(zhuǎn)換，降低控制系統(tǒng)維數(shù)，并達(dá)到理想的控制效果。

根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可知，溫度的變化只對出口壓力造成影響，而溫度只與系統(tǒng)流量有關(guān)，因此可將整個(gè)調(diào)節(jié)過程分為3步：①先將流量和壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值；②將流量和壓力切換為手動控制，啟動溫度自動控制；③待溫度達(dá)到目標(biāo)值后，再進(jìn)行流量和壓力的細(xì)調(diào)節(jié)。

由于氣體流量和壓力耦合度很高，相互影響很明顯，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大流量范圍的精確調(diào)節(jié)，需在調(diào)節(jié)過程中改變系統(tǒng)負(fù)載，即調(diào)節(jié)出口壓力，常見做法是在出口處安裝比例減壓閥。流量和壓力2變量調(diào)節(jié)可按如下步驟進(jìn)行：①將減壓閥初始開啟度手動調(diào)節(jié)到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值（本系統(tǒng)為40%），出口比例流量閥全開；②將流量自動調(diào)節(jié)到目標(biāo)流量；③流量穩(wěn)定后，將其切換到手動模式，慢慢調(diào)節(jié)出口比例減壓閥，并同步觀察出口壓力變化情況，直至其穩(wěn)定在目標(biāo)值的90%左右；④將流量切換到自動調(diào)節(jié)模式；⑤再將壓力切換到自動模式。從以上步驟可以看出，2變量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)思路是先依次進(jìn)行1變量調(diào)節(jié)，使流量值和壓力值接近目標(biāo)值，再啟動2變量進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)。變量耦合度越高，細(xì)調(diào)節(jié)范圍越窄，細(xì)調(diào)節(jié)過程中需關(guān)注各變量狀態(tài)，防止因配氣系統(tǒng)、負(fù)載等外部干擾的影響而造成系統(tǒng)震蕩。

3 熱氣源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控單元為西門子S7-300系列PLC，軟件采用結(jié)構(gòu)化編程語言SCL編碼實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)過程充分采用模塊化設(shè)計(jì)理念。其系統(tǒng)總體流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體流程圖

4 熱氣源系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

4.1 最大流量下精度調(diào)試

進(jìn)行流量單變量調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定目標(biāo)流量為75Nm3/min（1.5kg/s），其系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖7、圖8所示。從圖7、圖8可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為3min，穩(wěn)態(tài)誤差為0.019Nm3/min（0.38g/s），達(dá)到了預(yù)期效果。配氣系統(tǒng)（為本系統(tǒng)供氣）響應(yīng)時(shí)間為30s，本系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滿足其抗沖擊的要求。

圖7 流量0Nm3/min～75Nm3/min（0kg/s～1.5kg/s）階躍響應(yīng)

圖8 流量75Nm3/min～0Nm3/min（1.5kg/s～0kg/s）階躍響應(yīng)

4.2 多變量調(diào)試

進(jìn)行流量、壓力、溫度3變量調(diào)試，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 多變量調(diào)試結(jié)果

從圖9可以看出，進(jìn)行多變量調(diào)試時(shí)，穩(wěn)態(tài)壓力控制精度為0.004MPa，穩(wěn)態(tài)流量控制精度為0.00g/s，穩(wěn)態(tài)溫度控制精度為－4℃，達(dá)到了預(yù)期效果。

4.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)可達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

氣體流量（kg/s）： 0～1.6；

流量控制精度（g/s）：1.6；

氣體壓力（MPa）：0～0.3（相對）；

壓力控制精度（MPa）： ±0.005；

氣體溫度（℃）： 常溫～400；

溫度控制精度（℃）： ±5。

5 結(jié)論

本文提出的大流量、高精度熱氣源系統(tǒng)，通過多支路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制參數(shù)優(yōu)化，解決了大流量下高精度控制問題；通過控制算法參數(shù)優(yōu)化，解決了大流量下流量突變對配氣系統(tǒng)的沖擊問題；通過對系統(tǒng)控制流程的分解，實(shí)現(xiàn)了3變量到2變量的轉(zhuǎn)換，解決了氣體流量、壓力、溫度聯(lián)合控制問題。調(diào)試結(jié)果表明：系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果，可以滿足不同型號飛行器模型在不同情況下的試驗(yàn)需求。

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