雙軸雙涵壓氣機(jī)試驗(yàn)器五級(jí)葉片角控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

李成鑫 王海龍 王袖婷

摘 ?要：主要介紹了雙軸雙涵壓氣機(jī)試驗(yàn)器五級(jí)葉片角調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，將基于硬件的控制方法、PLC控制技術(shù)及WinCC編程技術(shù)運(yùn)用在實(shí)際葉片角控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中;利用一元多項(xiàng)式回歸解決了葉片角標(biāo)定過(guò)程的非線性化問(wèn)題，保證了葉片角調(diào)節(jié)的精度。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該套系統(tǒng)具有較高的控制精度，可滿足葉片角試驗(yàn)要求，具有較高的示范和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：一元多項(xiàng)式回歸;PLC技術(shù);WinCC

1 前言

雙軸雙涵試驗(yàn)器的建設(shè)將使我國(guó)首次具備研究風(fēng)扇與壓氣機(jī)匹配和氣動(dòng)穩(wěn)定技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)芰?，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高、低壓壓氣機(jī)部件氣動(dòng)匹配試驗(yàn)研究手段的空白，促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，縮小相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。作為該試驗(yàn)器重要的組成部分，葉片角控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)試驗(yàn)器有著至關(guān)重要的影響。

以往單軸試驗(yàn)葉片角調(diào)節(jié)控制過(guò)程是程序控制調(diào)節(jié)為輔，主要是依靠操作人員觀察試驗(yàn)件外部葉片角刻度盤位置對(duì)葉片角進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)。雙軸試驗(yàn)受試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)影響，其高壓壓氣機(jī)葉片角沒(méi)有外置聯(lián)動(dòng)刻度盤，完全依靠程序閉環(huán)控制相應(yīng)的角度，所以與單軸試驗(yàn)器葉片角控制系統(tǒng)相比，雙軸葉片角控制系統(tǒng)對(duì)葉片角的控制精度要求更高。本文從液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等方面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)及解決進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)的五級(jí)葉片角控制系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

通過(guò)搭建控制硬件平臺(tái)，構(gòu)建伺服閥—葉片角控制模型，利用PLC硬件控制伺服閥達(dá)到葉片角的精確控制。為達(dá)到安全可靠控制葉片角的目的，先對(duì)控制模型進(jìn)行分析。葉片角控制系統(tǒng)方框圖如下：其中伺服閥是執(zhí)行器，而葉片角角度則是被控對(duì)象，PLC硬件系統(tǒng)是調(diào)節(jié)器。

在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用PLC硬件系統(tǒng)完成雙軸雙涵試驗(yàn)器葉片角的控制程序。該系統(tǒng)具有可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)，并不受電腦死機(jī)、掉電等影響，自成系統(tǒng)。

2.2 技術(shù)方案

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型的多級(jí)葉片角度控制系統(tǒng)，具備五級(jí)角度同時(shí)調(diào)節(jié)。為壓氣機(jī)部件試驗(yàn)中五級(jí)靜子葉片分別按設(shè)計(jì)好的各自 [換算轉(zhuǎn)速—角度]曲線隨換算轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制跟蹤角度，同時(shí)可分別調(diào)節(jié)各級(jí)角度，摸索性能匹配關(guān)系。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)靈活，控制精度高，同時(shí)考慮葉片機(jī)試驗(yàn)特性，具備高的穩(wěn)定性，高負(fù)荷性，角度調(diào)節(jié)無(wú)超調(diào)、手動(dòng)自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換等特點(diǎn);控制設(shè)計(jì)靈活，安裝方便，根據(jù)具體使用特性，具備多種角度同步調(diào)節(jié)，高負(fù)荷下角度穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)等特性;可根據(jù)不同試驗(yàn)件特點(diǎn)選擇各個(gè)葉片角跟隨高壓或低壓壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速。

該系統(tǒng)分2個(gè)部分：液壓系統(tǒng)（液壓站、伺服方向閥、作動(dòng)筒）、控制系統(tǒng)。

2.2.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由液壓油站、油泵、油站加熱系統(tǒng)、油站冷卻系統(tǒng)、葉片角角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分。試驗(yàn)原理是，啟動(dòng)油站建立壓力后，通過(guò)控制伺服閥的開(kāi)度大小及開(kāi)關(guān)方向，控制作動(dòng)筒到達(dá)指定位置，從而帶動(dòng)葉片角開(kāi)關(guān)到某一角度。

2.2.2 控制系統(tǒng)

電控系統(tǒng)硬件平臺(tái)由兩部分構(gòu)成，上位機(jī)計(jì)算機(jī)和下位機(jī)PLC及相應(yīng)模塊。上位機(jī)為操作人員控制葉片角提供操作界面，并對(duì)相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示，記錄存儲(chǔ)操作指令、報(bào)警信息等;下位機(jī)對(duì)葉片角伺服閥進(jìn)行控制給定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片角角度進(jìn)行閉環(huán)控制，并對(duì)參數(shù)、狀態(tài)進(jìn)行采集處理。通過(guò)葉片角控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油站、葉片角伺服閥、換向閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)五級(jí)葉片角按照控制規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，滿足試驗(yàn)要求。

上位機(jī)采用WinCC組態(tài)環(huán)境。WinCC軟件是西門子公司基于Windows操作系統(tǒng)推出的組態(tài)軟件，是HMI/SCADA系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，作為全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，WinCC確保與西門子的自動(dòng)化系統(tǒng)—SIMATIC S5 S7系列PLC進(jìn)行方便的連接和高效的通訊[1]。同時(shí)WinCC軟件可對(duì)重要參數(shù)、人員操作信息、故障信息等進(jìn)行歸檔記錄，確保每次事件都有追溯。

3 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.1 葉片角控制算法的設(shè)計(jì)

對(duì)五級(jí)葉片角進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，要求每級(jí)葉片角既可以手動(dòng)單獨(dú)控制，又可以自動(dòng)跟隨換算轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，兩種控制模式均能進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)的切換。另外由于在不同的試驗(yàn)件上葉片角所承受的載荷并不一致，使得作動(dòng)筒的受力情況不同，所以對(duì)設(shè)計(jì)的葉片角控制系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的魯棒性。采用西門子FM355模塊對(duì)液壓閥門的開(kāi)度進(jìn)行控制，降低CPU負(fù)荷[2]。

啟用對(duì)控制參數(shù)自整定功能，并設(shè)置合理的PID參數(shù)，以及相應(yīng)的邊界條件。通過(guò)帶試驗(yàn)件葉片角進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試，找到合理的邊界條件。從而使得該葉片角控制系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)參數(shù)的自整定，使得葉片角控制系統(tǒng)在不同的擾動(dòng)下均具有良好的魯棒性，從而自動(dòng)適應(yīng)不同的試驗(yàn)件調(diào)試需求。

3.2 葉片角非線性標(biāo)定

以往單軸試驗(yàn)器的葉片角控制，在試驗(yàn)前對(duì)葉片角標(biāo)定是通過(guò)記錄最大與最小葉片角角度以及當(dāng)時(shí)作動(dòng)筒位移值，采用線性插值方法計(jì)算出某一角度對(duì)應(yīng)的作動(dòng)筒位移值。但是當(dāng)兩者關(guān)系非線性時(shí)，會(huì)對(duì)角度的控制造成較大誤差，但是現(xiàn)階段單軸試驗(yàn)過(guò)程中主要是依靠操作人員參照葉片角的機(jī)械角度盤對(duì)葉片角控制進(jìn)行手動(dòng)修正。但是在雙軸試驗(yàn)中，高壓壓氣機(jī)葉片角在機(jī)匣內(nèi)部，無(wú)法直觀觀察角度變化。所以本項(xiàng)目中需要一種新的算法，要求建立作動(dòng)筒位移值和角度的精確的匹配關(guān)系。

為滿足不同試驗(yàn)件要求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用一元多項(xiàng)式回歸的方法，記錄10組角度與作動(dòng)筒位移反饋關(guān)系，并作多項(xiàng)式回歸，擬合成一條角度與作動(dòng)筒伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線。

在葉片角標(biāo)定時(shí)，先按作動(dòng)筒伸長(zhǎng)方向進(jìn)行標(biāo)定，記錄10組葉片角角度和作動(dòng)筒伸長(zhǎng)的關(guān)系，再按照作動(dòng)筒縮短的方向進(jìn)行標(biāo)定修正，再次進(jìn)行10組關(guān)系標(biāo)定。標(biāo)定步驟結(jié)束后，程序會(huì)自動(dòng)對(duì)正反兩次標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行修正，從而消除作動(dòng)筒由于機(jī)械原因造成的誤差。再利用一元多項(xiàng)式回歸的方法，計(jì)算合理的角度與作動(dòng)筒位移的關(guān)系。在進(jìn)行葉片角控制調(diào)節(jié)的時(shí)候，在給定某一角度后，依照該曲線計(jì)算得出對(duì)應(yīng)作動(dòng)筒位移值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片角的精確控制。

3.3 葉片角角度根據(jù)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)

試驗(yàn)要求葉片角角度可以根據(jù)換算轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)跟隨調(diào)節(jié)。但兩者關(guān)系往往為非線性，而且葉片角起調(diào)角度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小，所以利用多項(xiàng)式回歸的方法并不能擬合出兩者相對(duì)理想的關(guān)系曲線。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一特點(diǎn)，采用分段線性處理，每級(jí)葉片角都能設(shè)置最多15對(duì)[換算轉(zhuǎn)速—角度]關(guān)系點(diǎn)，每組點(diǎn)之間做線性處理。若換算轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)置的關(guān)系點(diǎn)，角度則維持之前的上限或下限不變。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以使得各級(jí)葉片角角度穩(wěn)定準(zhǔn)確跟隨換算轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在帶試驗(yàn)件運(yùn)行的調(diào)試過(guò)程中，試驗(yàn)件角度液壓系統(tǒng)參與控制，分別在外軸轉(zhuǎn)速9650rpm、10530rpm、10860rpm、11400rpm時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)角度至設(shè)定值，葉片角液壓伺服閥及液壓缸運(yùn)行正常，反饋正確。

由單個(gè)操作崗位能完成所有角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需求，完成了對(duì)于新型多級(jí)葉片角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的驗(yàn)證，角度控制誤差不超過(guò)0.1°，功能及穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)特性可滿足試驗(yàn)要求。

葉片角執(zhí)行記錄見(jiàn)表4。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目中利用多項(xiàng)式回歸方法，提高了葉片角控制精度，并滿足不同試驗(yàn)件的需求。在試驗(yàn)過(guò)程中，該系統(tǒng)高壓壓氣機(jī)葉片角在隨轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟隨過(guò)程中不需要人為手動(dòng)調(diào)整，極大的減少了調(diào)節(jié)時(shí)間，在自動(dòng)模式下與轉(zhuǎn)速關(guān)系匹配更好，增強(qiáng)了試驗(yàn)器的可靠性，并且降低了試驗(yàn)?zāi)芎摹?/p>

另外基于可編程控制器經(jīng)典過(guò)程控制算法的應(yīng)用，有效提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)滿足葉片角調(diào)節(jié)精度要求，調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)無(wú)超調(diào)，增加了系統(tǒng)的可靠性與靈活性，滿足試驗(yàn)件對(duì)葉片角的控制要求。

參考文獻(xiàn)

[1]梁飛 基于WinCC和OPC的配料監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[2]朱景紅，王汝才 FM355C在水泵測(cè)試系統(tǒng)電動(dòng)閥門控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2018（3）：185-187.