模擬平流層環境的加載試驗風洞測試與控制系統設計

殷文華，柳建華，張 良，戚大威，劉 旗，張美鑫

（上海理工大學 制冷技術研究所，上海 200093）

0 引言

進入21世紀后，在世界上掀起了研究和開發平流層飛艇的熱潮[1-2]。平流層飛艇駐空時間長、成本低，在通信、監測、區域導航和應急救災等領域具有極高的應用價值[3-4]。平流層位于20 km 左右高空，環境的平均溫度約為-57 ℃，最低可達-75 ℃，超出一般電子設備-20～+40 ℃的工作溫度范圍。另外，平流層的氣壓比較低，大氣密度約為0.088 kg/m3，對流換熱效果較差，容易導致部分設 備（或設備局部位置）溫度過高或過低，影響設備的正常工作。因此，有必要模擬平流層的低溫低壓環境，對在平流層工作的電氣設備和裝置進行性能測試。

本研究設計研制了一套氣壓、溫度及風速可調的模擬平流層環境加載試驗風洞及其測試與控制系統。測試結果表明，該系統控制參數設定方便、控制精度高、運行穩定、安全可靠，可以對電子儀器或其他試驗設備進行低壓低溫環境試驗。

1 風洞

1.1 設計要求

1）氣壓控制要求：氣壓范圍為4～101.3 kPa，氣壓≥40 kPa 時，偏差±2 kPa；氣壓維持在4 kPa時，偏差±5%；氣壓從1atm 降到4 kPa 的時間須≤45 min。

2）溫度控制要求：風洞的模擬環境溫度范圍為-70～+85 ℃；空載/常壓下的溫度波動±1 ℃，溫度均勻性±2 ℃。當風洞內氣壓為4 kPa，試驗段風速為30 m/s，被測試對象不工作時，風洞系統的模擬環境溫度維持在-70 ℃；當風洞內氣壓不變，而試驗段風速為20 m/s，被測試對象最大發熱量為 8 kW 時，風洞系統的環境溫度維持在-30 ℃。

3）風速控制要求：風洞內設有可調速的風道，當氣壓為10～1kPa 時（對應10～30 km 高空），可以實現0～30 m/s 的風速。

1.2 系統組成

根據相關設計的功能要求，模擬平流層環境加載試驗風洞主要由試驗裝置主體、低溫系統、低壓系統以及風洞測試與控制系統組成，其中風洞測試與控制系統又包含3 個子系統。風洞的系統組成如圖1所示，風洞的主要設備及結構原理如圖2所示。

圖1 風洞及其測試與控制系統組成Fig.1 Schematic diagram of the wind tunnel and its test and control system

圖2 模擬平流層環境加載試驗風洞的主要設備及結構Fig.2 Schematic diagram of the stratosphere environmental simulation wind tunnel

2 風洞測試與控制系統

2.1 系統組成

風洞測試與控制系統由風洞控制子系統、數據采集子系統、安全與報警子系統組成（見圖1），其主要功能包括：風洞試驗設備開關的控制；風洞試驗各項指標的控制實現；系統運行各項參數的記錄；故障報警與處理。

風洞測試與控制系統的硬件組成包括計算機、可編程邏輯控制器（PLC）、PID 調節器、Agilent公司的34970A 數據采集儀、Kinco 觸摸屏、變頻器、調功器、溫度傳感器、壓力傳感器等，如圖3所示。

圖3 風洞測試與控制系統的硬件構成Fig.3 Schematic diagram of the measurement and monitoring system

2.2 風洞控制子系統

風洞控制子系統的自動控制對象是風洞內的空氣溫度、壓力以及風速。該子系統以PLC 作為核心，接收現場測量輸出的各種信號，經過比較計算給出控制量；以觸摸屏作為人機交互的操作界面，風洞各設備的開啟與關閉操作全部在觸摸屏上進行；PLC 與觸摸屏之間的通信采用RS232 標準通信接口。風洞內的空氣溫度、壓力以及風速通過PID 控制器進行自動調節。

2.2.1 溫度控制

風洞試驗段的溫度穩定性對試驗結果的影響很大，因此要求具有較高的溫度控制精度。試驗段的溫度主要由制冷機組和電加熱組合控制，控制原理如圖4所示。

圖4 風洞溫度控制原理Fig.4 The wind tunnel temperature control principle

在試驗段進風口對稱布置了4 個鉑電阻測溫點，采集空氣溫度并輸送至PID 控制器；PID 控制器向PLC 和調功器同時發出4～20 mA 的控制信號。PLC 接收到信號后，控制制冷機組中壓縮機的卸載和制冷劑的旁通；調功器接收到信號后，調節電加熱的功率。電加熱器采用模糊PID 控制，其加熱量由PID 控制器根據風洞內溫度的變化進行控制。風洞內的風機與制冷機、電加熱器在控制邏輯上互鎖，只有當風機啟動后，制冷機和電加熱器才能啟動，以防冷量或熱量聚集在蒸發器處無法散發出去而破壞設備。

2.2.2 壓力控制

風洞試驗段的壓力主要由真空泵和電動調節閥共同控制調節，控制硬件包括壓力傳感器、PID控制器和PLC 等。真空泵一直開機，當風洞試驗段壓力達到4 kPa 時，電動調節閥啟動進行調節。壓力傳感器采集試驗段壓力信號并輸送至PID 控制器，再由PID控制器向電動調節閥發出4～20 mA的控制信號。電動調節閥接收到信號后，調節閥門開度，控制抽氣速率，維持試驗段壓力在4 kPa。

2.2.3 速度控制

根據設計要求，不同的工況對風速的要求不同，因此需具備可調速風道，其內部設置試驗測試風道，氣壓為1～10 kPa 時可以實現0～30 m/s 的風速。風洞試驗段的風速主要由風機調節，控制硬件包括壓差傳感器、PID 控制器、PLC 和變頻器等。壓差傳感器采集試驗段風速信號并送至PID 控制器，而PID 控制器再向變頻器發出4～20 mA 的控制信號。變頻器接收到信號后，調節風機頻率，維持試驗段風速在試驗工況所要求的范圍內。

2.2.4 測控電路設計

電路設計分為強電（設備）電路設計和弱電（控制系統）電路設計。強弱電路分別放置于獨立的電控箱，并采取有效隔離措施，分別可靠接地，所有信號線均使用屏蔽線，以防止相互干擾，尤其是防止強電感應磁場對控制信號的干擾造成誤操作和采集傳感器的信號偏差。

強電電路由配電箱供應380 V 三相交流電，配電箱輸出的交流電再經過斷路器、交流接觸器、熱保護器送入制冷機組、真空泵和電動調節閥；經過斷路器、交流接觸器、調功器送入電加熱器；經過漏電斷路器、交流接觸器、變頻器送入風機。弱電電路向包括數據采集儀、PLC、PID 控制器、繼電器等供電，采用24 V 直流電源給PLC 和觸摸屏進行供電。其中數據采集儀、PLC、PID 控制器的供電線路之前需要加一個交流變壓器，起到隔離作用以防止強電電路對控制信號的干擾。

強、弱電電控箱均安裝動力及照明電源接點，以方便現場用電。控制系統設置完備的保護措施和報警功能，保證系統穩定可靠運行。

2.3 數據采集子系統

數據采集子系統不僅可以實時監視模擬平流層環境加載試驗風洞的運行狀態，而且可為其他測控子系統提供必要的數據支持。

2.3.1 系統組成

數據采集子系統由鉑電阻、壓力傳感器、壓差傳感器、數據采集儀和數據采集軟件組成。風洞運行時，各種傳感器將采集的信號變換為電信號后傳送至數據采集儀，經由數據采集儀輸出的信號分別通過USB、RS232 或RS485 串口傳送到計算機[5]。在現場的計算機上可以進行數據的顯示、存儲、打印和處理。

2.3.2 數據采集軟件的操作界面設計

數據采集軟件采用Visual Basic 面對對象編程語言為開發平臺[6]，設計有13 個窗體、1 個宏定義的模塊。13 個窗體為登錄界面、主界面、機組信息、設計工況、測試參數、顯示曲線、生成報告、添加用戶、修改用戶、刪除用戶、查找報告、歷史曲線和歷史數據界面。

1）登錄界面。用戶登錄需要輸入用戶名和密碼，用戶也可以根據測試要求修改用戶名和密碼。

2）主界面。主界面是人機交互的主要平臺，如圖5所示。在菜單欄中，用戶可以完成對機組信息、設計工況和測試參數的設置，還可以啟動測試、結束測試、顯示曲線和生成報告等。為了方便用戶操作，在主界面上還設有工具欄，并提供一些常用的功能快捷鍵。

3）參數輸入界面。在機組信息界面中，用戶可以輸入被測機組的基本信息；在設計工況界面中，可以輸入被測機組的設計信息；在測試參數界面中，可以選擇需要測量的參數。

4）顯示界面。界面的上半部分顯示的是設計工況、測試參數以及記錄測試時間；下半部分顯示的是實時采集數據，包括試驗段的風速、壓力、溫度等。當測試工況達到穩定后，由測試人員點擊“存儲數據”功能進行數據保存，同時系統內部自動對數據進行處理。在顯示曲線界面中，用戶可以選擇需要顯示的曲線類型，并打印輸出；在查找報告界面中，用戶可以根據報告名、報告類型查找相應的報告；用戶還可以在歷史數據、歷史曲線界面查找原始數據、原始數據曲線。

5）其他。界面還提供了添加用戶、修改用戶和刪除用戶的功能，方便用戶安全使用軟件。同時右邊設有備用通道，方便日后對軟件的升級換代。

圖5 測試軟件操作界面Fig.5 Main interface of the test software

2.4 安全與報警子系統

為了使系統運行時發生的故障能得到及時報警和處理，本測控系統設計了安全與報警子系統。

報警信號通過輸入端口送至PLC，經由PLC程序作出觸發報警的判斷，通過通信線將相應的報警信號傳輸至觸摸屏，操作人員可根據操作步驟對報警信息進行相關處理，保證風洞運行的安全。此外，當PLC 做出報警觸發同時，PLC 還向蜂鳴器輸出信號，發出聲音報警。

3 結束語

本文所設計的模擬平流層環境加載試驗風洞的測試與控制系統，不僅能夠對試驗設備和試驗工況進行精確控制，還可以實現多路數據實時采集，集數據顯示、分析、保存和打印功能為一體。該系統設計了友好的人機交互界面，具有試驗操作向導、多功能操作界面、試驗動態曲線實時監控、試驗系統故障報警與處理等功能，可為風洞及其設備的穩定、安全可靠運行提供保障。

（References）

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