基于組態(tài)方式的風(fēng)洞運(yùn)行安全關(guān)車控制方法

馬列波，高 鵬，陳海峰，閻 成，唐子奇

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

在風(fēng)洞運(yùn)行過程中，為了保證風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行安全，需要設(shè)計(jì)風(fēng)洞運(yùn)行安全關(guān)車控制方法，當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常狀況時(shí)，能夠自動執(zhí)行相關(guān)安全關(guān)車操作，保證風(fēng)洞設(shè)備安全[1]。

某風(fēng)洞為新建風(fēng)洞，是1米量級的半回流暫沖式亞跨超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍M=0.3～4.5。風(fēng)洞設(shè)備主要包括：主進(jìn)氣路管路系統(tǒng)、引射進(jìn)氣管路系統(tǒng)、穩(wěn)定段、收縮段、噴管段、試驗(yàn)段(2個(gè))、支架段、超擴(kuò)段、吸入引射器、亞擴(kuò)段和增量引射器等，其中主進(jìn)氣路管路系統(tǒng)包括主閘閥、主快速閥及其均壓閥和主調(diào)壓閥，引射進(jìn)氣管路系統(tǒng)包括引射閘閥、引射快速閥及其均壓閥和引射調(diào)壓閥。

該風(fēng)洞運(yùn)行方式復(fù)雜，針對不同運(yùn)行工況，共有5種運(yùn)行方式：增量引射式、下吹式、下吹吸入引射式、增量+吸入引射式，增量+下吹吸入引射式，通過主進(jìn)氣路管路系統(tǒng)、引射進(jìn)氣管路系統(tǒng)以及增量引射器的組合使用，實(shí)現(xiàn)了0.3～4.5的寬馬赫數(shù)試驗(yàn)運(yùn)行范圍。運(yùn)行方式組合如表1所示。

表1 風(fēng)洞運(yùn)行方式組合表

風(fēng)洞處于不同的運(yùn)行方式和運(yùn)行工況時(shí)，對應(yīng)關(guān)車涉及到的風(fēng)洞設(shè)備及其關(guān)閉時(shí)間邏輯不同，導(dǎo)致安全關(guān)車控制方法設(shè)計(jì)復(fù)雜。以往風(fēng)洞安全關(guān)車控制方法僅針對已知工況進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[2-6]，當(dāng)新增運(yùn)行方式時(shí)，需要對原有的控制方法進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對控制程序的結(jié)構(gòu)和邏輯進(jìn)行更改，無法在現(xiàn)有控制方法基礎(chǔ)上僅針對新工況單獨(dú)添加相應(yīng)安全關(guān)車功能，可擴(kuò)展性差，同時(shí)可能降低程序運(yùn)行的可靠性，帶來新的不安全因素。

為了提高新風(fēng)洞調(diào)試效率，便于后期添加新運(yùn)行方式時(shí)快速調(diào)整添加安全關(guān)車控制策略，同時(shí)保證程序的可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于組態(tài)方式、易于擴(kuò)展的風(fēng)洞運(yùn)行安全關(guān)車控制方法。

1 安全關(guān)車流程

在風(fēng)洞運(yùn)行過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)洞各系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，將根據(jù)當(dāng)前風(fēng)洞運(yùn)行方式自動選擇對應(yīng)安全關(guān)車流程進(jìn)行安全關(guān)車。在風(fēng)洞安全關(guān)車過程中，為了保證洞體和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌踩枰ＷC穩(wěn)定段總壓和集氣室壓力在相應(yīng)范圍之內(nèi)，同時(shí)待模型迎角回到零位即模型回零后再切斷氣源[7]。

針對風(fēng)洞目前的5種運(yùn)行方式，風(fēng)洞安全關(guān)車流程包括：1)當(dāng)使用“增量引射式”與“下吹式”運(yùn)行方式時(shí)，安全關(guān)車流程為主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓，同時(shí)模型支撐機(jī)構(gòu)控制模型回到零位，然后關(guān)閉主調(diào)壓閥；2)當(dāng)使用“下吹吸入引射式”運(yùn)行方式時(shí)，安全關(guān)車流程為主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓、引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)集氣室壓力，同時(shí)模型支撐機(jī)構(gòu)控制模型回到零位，關(guān)閉主調(diào)壓閥，待穩(wěn)定段總壓下降至給定值時(shí)關(guān)閉引射調(diào)壓閥；3)當(dāng)使用“增量+下吹吸入引射式”運(yùn)行方式時(shí)，安全關(guān)車流程為主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓、引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)集氣室壓力，同時(shí)模型支撐機(jī)構(gòu)控制模型回到零位，然后同時(shí)關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥；4)當(dāng)使用“增量+吸入引射式”運(yùn)行方式時(shí)，安全關(guān)車流程為引射調(diào)壓閥調(diào)節(jié)集氣室壓力，同時(shí)模型回零，然后判斷穩(wěn)定段總壓是否小于設(shè)定值，若小于，則啟動主調(diào)壓閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓，當(dāng)穩(wěn)定段總壓不小于設(shè)定值時(shí)，同時(shí)關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥。

2 功能模塊

根據(jù)風(fēng)洞安全關(guān)車流程，風(fēng)洞運(yùn)行安全關(guān)車控制方法涉及到的裝置包括主調(diào)壓閥、引射調(diào)壓閥、彎刀機(jī)構(gòu)、半模機(jī)構(gòu)、控制器、電液伺服閥、換向閥及壓力傳感器等。通過對風(fēng)洞安全關(guān)車時(shí)涉及到的所有裝置功能進(jìn)行分析，分解形成各裝置關(guān)車功能模塊，包括調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能：主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能、引射調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能；模型回零功能：彎刀機(jī)構(gòu)模型回零功能、半模機(jī)構(gòu)模型回零功能；調(diào)壓閥關(guān)閉功能：主調(diào)壓閥關(guān)閉功能、引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能。然后針對不同的試驗(yàn)運(yùn)行工況，將各裝置關(guān)車功能模塊按照一定時(shí)序和判斷條件進(jìn)行組態(tài)，形成各工況下的安全關(guān)車控制策略。

根據(jù)調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能、模型回零功能以及調(diào)壓閥關(guān)閉功能，將安全關(guān)車功能模塊細(xì)分為主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A，引射調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊B，模型回零功能模塊C，主調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊D，引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊E。

2.1 調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊

調(diào)壓閥為環(huán)狀縫隙閥，通過改變氣流流通截面積改變氣流流量，從而改變相應(yīng)部段壓力，即通過控制調(diào)壓閥油缸位置調(diào)節(jié)相應(yīng)部段壓力[8-13]。調(diào)壓閥采用液壓油缸驅(qū)動，通過控制器輸出控制電流至電液伺服閥控制油缸伸縮，安裝于油缸內(nèi)部的直線位移傳感器實(shí)時(shí)反饋油缸位移至控制器，形成調(diào)壓閥位置閉環(huán)控制，同時(shí)根據(jù)安裝于相應(yīng)部段的壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋壓力信號實(shí)現(xiàn)調(diào)壓閥壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)。

當(dāng)進(jìn)行安全關(guān)車調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力時(shí)，首先判斷電液伺服閥閥芯位置是否大于S(S值可根據(jù)具體設(shè)備工況確定)，若大于S，則不調(diào)節(jié)壓力，保持閥位不變；若閥芯位置小于S，則繼續(xù)判斷實(shí)際壓力Pr是否小于啟動壓力Pq，若小于，則不調(diào)節(jié)壓力，保持閥位不變，若大于，則進(jìn)行調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)。為了防止壓力調(diào)節(jié)出現(xiàn)超調(diào)過大的情況，采用兩種輸出電流計(jì)算方法，一是采用計(jì)算函數(shù)根據(jù)循環(huán)周期計(jì)算輸出電流，逐漸增加電流值，當(dāng)計(jì)算電流值絕對值超出8 mA時(shí)，輸出電流絕對值為8 mA，電流計(jì)算函數(shù)為：

Ic=±(CV×2+2)

(1)

其中:Ic為計(jì)算輸出電流值，CV為控制器啟動計(jì)算循環(huán)次數(shù)，當(dāng)前壓力小于目標(biāo)壓力時(shí)電流輸出值為正值，當(dāng)前壓力大于目標(biāo)壓力時(shí)電流輸出值為負(fù)值。二是根據(jù)壓力傳感器反饋的實(shí)際壓力Pr與目標(biāo)壓力Pm采用模糊PID算法[14-20]，實(shí)時(shí)計(jì)算電流值Id。實(shí)時(shí)比較兩種計(jì)算方法的電流差值，當(dāng)差值在誤差范圍之外時(shí)，采用Ic輸出至電液伺服閥，當(dāng)差值在誤差范圍之內(nèi)時(shí)，采用Id輸出至電液伺服閥，控制調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力至目標(biāo)值。調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊原理如圖1所示，根據(jù)調(diào)節(jié)對象的不同，分為主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A和射調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊B，為了防止壓力波動大導(dǎo)致模型抖動，要求壓力控制精度要求為1%。

圖1 調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊原理圖

2.2 模型回零功能模塊

模型回零功能模塊C原理如圖2所示，進(jìn)行安全關(guān)車模型回零時(shí)，有三種工況，其中全模機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動，通過控制油缸伸縮來調(diào)節(jié)模型迎角；半模機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)模型迎角；特種機(jī)構(gòu)僅進(jìn)行回零信號監(jiān)測不進(jìn)行模型回零控制。如果使用全模機(jī)構(gòu)，首先判斷模型迎角階梯數(shù)是否為0，若為0，則判斷模型已回到零位；若不為0，則判斷當(dāng)前彎刀機(jī)構(gòu)控制方式為自動還是手動；若為自動，則根據(jù)當(dāng)前角度打開換向閥1控制模型回到零位；若為手動，則手動操作相應(yīng)按鈕打開換向閥1控制模型回到零位。如果使用半模機(jī)構(gòu)，首先判斷模型階梯數(shù)是否為0，若為0，則判斷模型已回到零位；若不為0，則根據(jù)當(dāng)前角度控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使模型回到零位。如果使用特種機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行安全關(guān)車時(shí)，僅向特種機(jī)構(gòu)控制器發(fā)送回零信號，接收到特種機(jī)構(gòu)的回零到位信號后，判斷機(jī)構(gòu)回到零位。

圖2 模型回零功能模塊原理圖

2.3 調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊

進(jìn)行安全關(guān)車調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)，首先判斷電液伺服閥閥芯位置是否小于S，若小于S，則控制器向電液伺服閥發(fā)送控制電流Ig并保持T1秒，T1秒后，打開換向閥2關(guān)閉調(diào)壓閥并保持T2秒，T2秒后再關(guān)閉換向閥2；若大于S，則直接打開換向閥2關(guān)閉調(diào)壓閥T2秒，T2秒后再關(guān)閉換向閥2。調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊原理如圖3所示，根據(jù)控制對象的不同，分為主調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊D和引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊E。

圖3 調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊原理圖

3 安全關(guān)車控制策略

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行方式，將安全關(guān)車功能模塊A、B、C、D、E按照設(shè)計(jì)時(shí)序進(jìn)行組合，組態(tài)形成對應(yīng)工況的安全關(guān)車控制策略。風(fēng)洞運(yùn)行方式對應(yīng)調(diào)用的安全關(guān)車功能模塊如表2所示，當(dāng)進(jìn)行新工況擴(kuò)展時(shí)，可通過增加新的關(guān)車功能模塊以及將各關(guān)車功能模塊按照新的設(shè)計(jì)時(shí)序進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)。針對風(fēng)洞目前的5種運(yùn)行方式，現(xiàn)有4種安全關(guān)車控制策略。

表2 風(fēng)洞運(yùn)行方式對應(yīng)關(guān)車功能模塊表

安全關(guān)車控制策略1：針對“增量引射式”和“下吹式”風(fēng)洞運(yùn)行方式的安全關(guān)車控制策略如圖4所示，試驗(yàn)過程中僅使用主調(diào)壓閥，當(dāng)進(jìn)行安全關(guān)車時(shí)，若穩(wěn)定段總壓P0大于等于設(shè)定總壓Ps，使用主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A將穩(wěn)定段總壓調(diào)節(jié)至關(guān)車總壓Pg，若穩(wěn)定段總壓P0小于設(shè)定總壓Ps，使用主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A保持穩(wěn)定段當(dāng)前總壓；同時(shí)使用模型回零功能模塊C控制模型回到零位；待模型回到零位后，使用主調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊D關(guān)閉主調(diào)壓閥。

圖4 安全關(guān)車控制策略1

安全關(guān)車控制策略2：針對“下吹吸入引射式”風(fēng)洞運(yùn)行方式的安全關(guān)車控制策略如圖5所示，試驗(yàn)過程中同時(shí)使用主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥，當(dāng)進(jìn)行安全關(guān)車時(shí)，若穩(wěn)定段總壓P0大于等于設(shè)定總壓Ps，使用主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓P0至關(guān)車總壓Pg，若穩(wěn)定段總壓P0小于設(shè)定總壓Ps，使用主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A保持穩(wěn)定段當(dāng)前總壓；同時(shí)使用引射調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊B調(diào)節(jié)集氣室壓力P1至關(guān)車壓力Pg1，使用模型回零功能模塊C控制模型回到零位；待模型回到零位后，使用主調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊D關(guān)閉主調(diào)壓閥，待穩(wěn)定段總壓降至設(shè)定值Pj時(shí)，使用引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊E關(guān)閉引射調(diào)壓閥。

圖5 安全關(guān)車控制策略2

安全關(guān)車控制策略3：針對“增量+下吹吸入引射式”風(fēng)洞運(yùn)行方式的安全關(guān)車控制策略如圖6所示，試驗(yàn)過程中同時(shí)使用主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥，當(dāng)進(jìn)行安全關(guān)車時(shí)，使用主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓P0至關(guān)車總壓Pg，同時(shí)使用引射調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊B調(diào)節(jié)集氣室壓力P1至關(guān)車壓力Pg1，使用模型回零功能模塊C控制模型回到零位；待模型回到零位后，同時(shí)使用主調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊D和引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊E關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥。

圖6 安全關(guān)車控制策略3

安全關(guān)車控制策略4：針對“增量+吸入引射式”風(fēng)洞運(yùn)行方式的安全關(guān)車控制策略如圖7所示，當(dāng)進(jìn)行安全關(guān)車時(shí)，使用引射調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊B調(diào)節(jié)集氣室壓力P1至關(guān)車壓力Pg1，使用模型回零功能模塊C控制模型回到零位；待模型回到零位后，若穩(wěn)定段總壓P0小于判斷設(shè)定值Pz，則使用主調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能模塊A調(diào)節(jié)穩(wěn)定段總壓P0至判斷設(shè)定值Pz，當(dāng)穩(wěn)定段總壓達(dá)到判斷設(shè)定值Pz后，同時(shí)使用主調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊D和引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊E關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥；若穩(wěn)定段總壓P0大于等于判斷設(shè)定值Pz，使用引射調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊E關(guān)閉主調(diào)壓閥和引射調(diào)壓閥。

圖7 安全關(guān)車控制策略4

4 試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果與分析

對控制功能模塊進(jìn)行調(diào)試，由于調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)功能需要在試驗(yàn)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)試，因此未單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試，在控制策略聯(lián)調(diào)中進(jìn)行相關(guān)調(diào)試。對模型回零功能進(jìn)行調(diào)試，在使用全摸機(jī)構(gòu)自動工況下，在模型迎角為20°時(shí)，手動模擬發(fā)送回零信號，模型能夠自動回到0°并發(fā)送回零到位信號。對調(diào)壓閥關(guān)閉功能進(jìn)行調(diào)試，在主調(diào)壓閥開度為200 mm時(shí)，手動發(fā)送主調(diào)壓閥關(guān)閉信號，調(diào)壓閥能夠自動關(guān)閉。

在空風(fēng)洞時(shí)對5種安全關(guān)車控制策略進(jìn)行調(diào)試，在試驗(yàn)運(yùn)行過程中當(dāng)彎刀機(jī)構(gòu)運(yùn)行到20°時(shí)，手動觸發(fā)異常報(bào)警進(jìn)行安全關(guān)車，經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，各安全關(guān)車控制策略能夠按照設(shè)計(jì)時(shí)序和邏輯進(jìn)行安全關(guān)車。5種安全關(guān)車控制策略調(diào)試得到的穩(wěn)定段總壓曲線趨勢基本一致，因此以安全關(guān)車控制策略1工況調(diào)試時(shí)的穩(wěn)定段總壓曲線圖進(jìn)行分析。

圖8為進(jìn)行安全關(guān)車控制策略1工況調(diào)試時(shí)的穩(wěn)定段總壓曲線圖，從圖中可以看到，穩(wěn)定段總壓穩(wěn)定在目標(biāo)總壓115 kPa時(shí)，觸發(fā)了異常報(bào)警，此時(shí)能夠自動進(jìn)入安全關(guān)車控制流程，進(jìn)行穩(wěn)定段總壓調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行模型回零，然后自動關(guān)閉主調(diào)壓閥，完成安全關(guān)車流程。圖中PLC關(guān)車階段穩(wěn)定段總壓波動最大值為114.76 kPa，穩(wěn)定段總壓控制精度為0.2%，滿足壓力控制精度要求。

圖8 穩(wěn)定段總壓曲線圖

5 結(jié)束語

針對某亞跨超聲速風(fēng)洞復(fù)雜的試驗(yàn)運(yùn)行工況，為了保證試驗(yàn)運(yùn)行安全，在異常情況下能夠自動進(jìn)行安全關(guān)車，設(shè)計(jì)了基于組態(tài)方式的風(fēng)洞安全關(guān)車控制方法，采用壓力調(diào)節(jié)、模型回零及調(diào)壓閥關(guān)閉功能模塊靈活組態(tài)形成五種安全關(guān)車控制策略，可擴(kuò)展性強(qiáng)。經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，各功能模塊可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，安全關(guān)車控制策略可以在異常報(bào)警情況下實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，模型回零以及關(guān)閉調(diào)壓閥，完成安全關(guān)車，保證風(fēng)洞安全。