某結冰風洞噴霧水壓控制系統設計

,,, ,

(中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

某結冰風洞噴霧水壓控制系統設計

陳旦,李樹成,張永雙,蓋文,黃威凱

(中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽621000)

噴霧系統作為某結冰風洞關鍵子系統之一，用以模擬高空云霧環境，其噴嘴前端水壓控制精度和快速穩定性對提高云霧均勻性和風洞試驗效率具有重要意義；針對該風洞噴霧水壓系統設備數量多、布局分散的特點，設計了主從控制網絡拓撲結構；針對系統指標要求高、環境條件嚴苛的特性對調節閥執行機構的定位精度、控制系統的可靠性等進行了設計，最后分析了系統多支路并聯調壓的特性，提出了控制策略，并基于分段PID算法實現了噴霧水壓的精確和快速控制；該設計方法對復雜工況下風洞系統設計以及多支路并聯調壓系統的設計具有借鑒作用。

結冰風洞；噴霧系統；水壓控制系統；多支路并聯調壓

0 引言

噴霧系統作為某結冰風洞的核心配套設備之一，用以模擬飛行器穿越含有過冷水滴云層飛行時的云霧環境。噴霧系統由供水系統、供氣系統、水處理系統、水氣加熱系統、洞內噴霧架等幾部分組成。噴霧架內安裝有入口調節閥、噴霧電磁閥、出口調節閥、壓力溫度傳感器和水氣管路等設備。噴霧供水系統結構原理見圖1[1]。噴霧粒徑的大小和均勻性受供水壓力波動的影響較大，因此噴霧供水系統水壓(噴嘴入口壓力)控制的精度和快速穩定性具有非常重要的意義，水壓控制的精度需求見表1所示。

表1 水壓控制要求

由圖1和表1可知該風洞噴霧水壓控制系統具有以下特點：

1)控制系統及控制設備應具有良好的環境適應性，且該環境下各項指標仍滿足要求；

2)控制設備多，包括1000多個電磁閥、40多臺調節閥、多臺水泵和球閥；

3)控制變量多，包括20個噴霧耙內的水壓，且水壓調節時各支路之間存在耦合關系；

4)控制系統要求指標高，首先是不同的壓力區間下水壓控制精度較高，其次是系統要求噴霧電磁閥開啟后水壓快速穩定，從而對控制器及執行器的精度、響應速度均有較高要求，并且控制算法應具有先進性和一定解耦能力。

結冰風洞噴霧水壓控制系統具有控制對象多、控制指標高、控制設備環境復雜等問題，在風洞控制系統中屬于復雜工況大系統。目前國內外風洞領域對該內容研究較少[2-5]，更多是云霧氣動特性分析[6]。文獻2描述了某風洞噴霧供水系統壓力控制方法仿真研究，但對控制系統具體實現方法描述較少。

本文的主要工作是分析噴霧水壓控制系統的特點及控制需求，并結合噴霧耙內各調節閥調試時的耦合關系，設計一套具有良好環境適應性的控制系統，并摸索出適合該系統的控制策略，以確保水壓控制的精確性和快速穩定性。

1 水壓控制系統設計

1.1 控制系統結構

考慮到系統控制對象繁多的問題，擬采用主從站控制方式來實現，配置1臺主站實施統一協調控制，同時，按照噴霧控制系統功能及設備布局特點配置6臺從站。其中，噴霧主站配置1套412 PLC，主要用于和各從站、噴霧系統上位計算機(負責噴霧系統控制目標輸入、狀態監視等)及風洞主控計算機等的數據通信，并負責控制算法的計算；1-5號從站各配置1套317-2DP PLC，分別控制四路噴霧耙及其上對應的閥門和傳感器；6號從站配置1套317-2DP PLC，主要控制供水主路的截止閥/調節閥和水泵。主站與各從站之間采用Profibus總線進行通信，噴霧主站與風洞主控制系統之間采用Profinet以太網進行通信。噴霧水壓控制框圖及網路拓撲圖如圖2所示。

圖2 噴霧水壓系統控制框圖及網絡拓撲圖

1.2 線路電壓降損失補償

由于噴霧耙內空間有限，每套噴霧耙上安裝50只電磁閥及多只傳感器，若每只電磁閥均配置一套供電電纜，則空間不足，因此考慮噴霧耙內每8只電磁閥共用一根電源負線，其等效模型見圖3，噴霧耙上所有電磁閥有同時啟動的需求。

圖3 噴霧耙電磁閥供電回路等效模型

其中:R1～R8為每只電磁閥的等效電阻，L1～L8為電磁閥等效電感，每只電磁閥的電阻和電感均相等，K1～K8為每只電磁閥的控制信號，I1～I8為流經每只電磁閥的電流。電磁閥距離供電電源平均距離約50米。

1.3 調節閥精度及快速性

本系統調節閥數量多，且作為水壓的主要調節設備，為保證10 s的調壓穩定速度和表1的控制精度，首先要求執行機構具有足夠精度和響應速度。噴霧水壓控制系統為典型的多輸入多輸出系統，水泵、主路調節閥、入口調節閥、出口調節閥之間相互影響，為減少控制難度，且減少經費，主要以出口調節閥作為精確調節設備，其它調節設備通過控制轉速/預置開度等方式進行粗調，因此本文重點分析噴霧出口調節閥的控制精度和響應速度問題。

理想情況下，對調節閥而言，不可壓縮流體的流量Q和壓力之間關系為[7]：

(1)

其中:β為縮流處截面等效直徑與管道截面等效直徑之比，縮流處的等效直徑及截面積體現在閥芯的形狀；E為與流速有關的系數；A為縮流處截面積，與調節閥的開度有關；ρ為流體密度；Q為體積流量；P1為入口水壓，即為噴霧耙內水壓；P2為噴霧耙出口閥后壓力。

同時，本系統涉及到的調節閥均為等百分比特性，在理想情況下其流量和閥門開度之間滿足下式[8]：

(2)

其中：Qmax為流經閥門的最大流量，R為可調比，l/L為閥門相對開度。

從而可得出口調節閥開度和噴霧耙水壓之間的關系：

(3)

由上式可見，當閥體形式確定時，噴霧耙內水壓和出口調節閥開度、閥后壓力、縮流處截面積(也與閥門開度有關)有關系，而在某一個特定壓力調節工況下，噴霧耙出口壓力是確定的，因此為保證噴霧水壓控制精度，需提高調壓閥定位精度，同時為保證壓力快速穩定，要求調節閥響應速度快，但過快又容易導致超調，經過綜合權衡[8-9]，確定噴霧耙水路出口調節閥的全行程時間為2～3 s(管路直徑DN25)，出口調節閥采用英國進口Rotork CVL系列執行器配置Fisher閥體，其執行器精度可達0.1%。而入口調節閥作為預置調節，選用普通的調節閥，以節約經費。

1.4 控制系統可靠性設計

針對噴霧系統低溫、負壓、大濕度的環境工況，國內尚沒有相關的成熟產品能滿足上述環境條件，只有通過理論分析，訂制相關控制產品，但國內目前缺乏相關的測試手段和測試環境，因此只能在風洞試驗過程中不斷對相關設備的定制工藝進行修正。考慮到風洞內工作環境惡劣，容易出現電氣短路、設備損壞等故障，而控制對象多，空間狹窄，不便于檢修，因此設計時從軟硬件方面對可靠性進行了重點考慮：

a)為防止風洞內潮濕環境導致出現短路等故障，在電源至繼電器、以及繼電器輸出至電磁閥端均加裝熔斷器端子，端子上有二極管指示，以表征故障。

b)對于調節閥，水泵等控制對象，為防止漏電帶來的安全隱患，全部采用帶漏電保護功能的斷路器進行配電控制。同時，在每個控制柜上設置了故障按鈕，以處理現場出現的緊急故障，另外重要設備冗余配置。

c)當被控壓力超過設定值時，一方面關閉相關的設備，另一方面，通知風洞主控系統。

2 多支路并聯調壓特性及控制策略

噴霧水壓控制系統的控制目標為每個噴霧耙內的水壓，而該壓力受主路水泵流量、主路調節閥開度、入口調節閥開度和出口調節閥開度影響，且當噴霧電磁閥開啟時，水壓將有大幅波動，其壓力控制模型見圖4，G1(S)～G6(S)分別為對應設備的傳遞函數。可見系統為多輸入多輸出問題，為減少控制難度，需簡化控制模型，盡量變成單輸入單輸出系統。

圖4 噴霧水壓控制系統模型

同一個試驗工況下，當水泵恒轉速運行時，其出口壓力恒定，而當壓力流量恒定時，供水主路的壓力損失是恒定的，從而可得到噴霧架入口壓力是恒定的，即：

Pr=Pb-ΔPm

(4)

式中,Pr為噴霧架入口壓力；Pb為水泵出口壓力；ΔPm為主路局部和沿程壓力損失。

20個噴霧耙豎直安裝，相鄰噴霧耙高度差恒定，則第i個噴霧耙入口調節閥前端壓力為：

Pri=Pr-ΔPmri-Phri

(5)

式中,Pri為第i個噴霧耙入口調節閥入口壓力；ΔPmri為噴霧架入口到第i個耙入口調節閥前端壓力損失；Phri為從噴霧架入口到第i個耙入口調節閥高度差壓降；i=1，2，…，20。由于噴霧耙高度差、內部管道長度、附件數量相同，則ΔPmri和Phri均是線性變化的，從而可知，每個噴霧耙入口調節閥前端壓力是確定的。

對于每個噴霧耙出口調節閥，出口匯合后回水箱，從噴霧架出口處至水箱之間的壓力損失可以認為是確定的，則噴霧耙出口調節閥出口壓力為：

Poi=Po+ΔPmoi-Phoi

(6)

式中,Poi為第i個噴霧耙出口調節閥出口處壓力；Po為噴霧架出口壓力；ΔPmoi為從噴霧架出口到第i個耙出口調節閥的壓力損失；Phoi為從噴霧架出口到第i個耙出口調節閥的高度差壓降，可認為Phoi=Phri。噴霧架出口處的壓力等于回水主路的壓力損失與水箱回水口處壓力之和，可認為是恒定的，從而可認為每個噴霧耙出口調節閥出口處的壓力是確定的。

由上述分析，某一個特定工況下，每個噴霧耙內需要控制的壓力是確定的，并可估算出對應的入口和出口處壓力，實施噴霧系統調試時，可按照下述控制策略進行：噴霧試驗準備時，根據所需試驗壓力，預置水泵調節轉速，并通過調節主路調節閥開度控制主路回水流量，同時預置噴霧耙入口電動調節閥和閉環出口電動調節閥，完成試驗準備時的壓力控制。電磁閥打開瞬間，噴霧耙入口電動調節閥開度不變，以出口調節閥來調節耙內水壓，試驗中噴霧電磁閥的開啟當作系統的擾動，待水壓趨穩后通過閉環調節出口電動調節閥開度(小幅調節)，完成噴霧試驗時的壓力控制。

供水系統調節閥較多，調壓時會相互干擾，存在耦合問題。目前關于多支路并聯調壓控制的文章較少，多數停留在仿真階段，且著重于氣動特性分析[10-11]，考慮到多調壓閥并聯帶來壓力耦合，且噴霧電磁閥打開瞬間系統壓力將有較大的變化，設計階段在供水主管路配置蓄能器組進行流量補償，同時系統管道設計時也留有一定裕量，這樣盡量減少電磁閥開啟帶來的壓力波動，以減少各支路之間的耦合；并在調試初期，先搭建3～4路噴霧耙水壓控制系統，實際測試相互的耦合特性，并調整控制算法。

出口調節閥進行精調時，采用分段變參數PID控制算法，即根據噴霧耙內不同的目標壓力區間，分段設置PID控制參數，而每一個壓力工況又根據壓力誤差對控制參數進行調整。

3 控制系統軟件流程設計

控制系統軟件采用Step7軟件進行編制，按照模塊化方式進行設計，包括狀態監控模塊、數據采集模塊、PID閉環控制模塊、安全聯鎖模塊等。軟件實現方法為：

1)獲取噴霧水壓控制目標PT，本次開啟噴霧電磁閥數量N1、噴霧流量Q1。

2)根據PT，結合預置算法f1(n1,lz,lri,lci),初步估算水泵轉速f1(n1)、主路調節閥開度f1(lz)、噴霧耙入口調節閥開度f1(lri)，噴霧耙出口調節閥開度f1(lci)，并預置到位。

3)結合2)的調試結果，待閥門預置到位后，閉環噴霧耙出口調節閥，至壓力接近PT。

4)開啟噴霧電磁閥，根據N1、Q1，結合預置算法f2(n1,lz,lri,lci),初步估算噴霧耙出口調節閥開度f2(lci)，并預置到位。

5)待步驟(4)中水壓趨于穩定后，根據分段變參數PID算法閉環噴霧出口調節閥，首先獲取控制目標PT、耙內水壓P1、當前誤差En=PT-P1、誤差變化率e=(En-El)/T,El為前一時刻誤差,T為PID調節周期時間；根據調節過程中上述參數的變化，不斷調整PID控制的P、I參數。

控制系統軟件流程如圖5所示。

圖5 控制系統軟件流程

噴霧水壓控制系統調節前要求水處理系統完成水凈化處理，水氣加熱系統完成加熱，當準備就緒后，開啟主路兩位三通閥，按照控制目標壓力，開始水泵和主路調節閥以及噴霧耙入口調節閥預置轉速/開度開環調節，出口調節閥閉環調節控制等工作。試驗結束后需要進行回溫，直至風洞內空氣溫度恢復到常溫狀態，以保證噴霧耙內管路不會結冰。

4 系統調試結果

目前該風洞已經開展了近三年多的吹風調試，噴霧系統各項性能正常，設備運行可靠。以0.471 MPa水壓控制目標為例，耙1～20水路壓力典型調試結果如圖6所示，電磁閥開啟4 s內，水路壓力控制精度穩定到3%以內[12]。

圖6 耙1～20水路壓力(0.471 MPa)

噴霧試驗前，經過對水泵轉速、主路調節閥以及噴霧耙內的入口調節閥進行預置調節，以及出口調節閥的閉環調節，系統壓力趨于穩定。噴霧電磁閥開啟后，耙內水壓迅速下降，前端蓄能器組對水壓進行補償，同時噴霧耙出口調節閥迅速預置補償，待水壓上升且相對穩定后，通過變參數PID算法精調出口調節閥，由于壓力變化幅度小，PID輸出變化范圍小，而調節閥精度高、響應速度快，很快調節到位；當壓力誤差逐漸減小時，PID控制參數隨誤差和誤差變化率的變化不斷調整，以減少超調。

5 結論

結冰風洞噴霧系統為國內風洞中首次應用，該系統具有設備控制數量多、工藝設計難度大、指標要求較高、可靠性要求高等諸多難點問題。通過搭建主從控制網絡、合理的供配電設計、執行機構精度和速度的選型設計、控制系統可靠性設計等完成了硬件設計。爾后通過分析多支路并聯調壓特性，采用粗調設備預置調節和精調設備閉環調節的控制策略，完成了噴霧水壓控制系統調試，試驗結果滿足指標要求。其主要結論有：

1)設計的噴霧硬件控制系統滿足該風洞復雜環境要求，目前系統運行正常可靠；

2)采用的控制策略和算法能夠滿足噴霧控制指標要求，且對多支路并聯回路系統的控制具有借鑒意義。

下一步，還將進一步研究最優組合控制方式，以提高試驗效率。

[1] 李樹成,陳 旦.3 m×2 m結冰風洞噴霧系統竣工總結[R].科技報告,2014.

[2] 李樹成,徐銀麗,沈 紅.基于AMESim的某風洞噴霧供水系統壓力控制方法研究[J].2013,32(11):100-103.

[3] 易 賢,郭 龍,符 澄,等.結冰風洞試驗段水滴分布特性分析[J].試驗流體力學,2016.30(3):2-7.

[4] 胡戰偉,結冰風洞云霧參數變化規律初探[D].四川:中國空氣動力研究與發展中心.

[5] Leone G, Vecchione L, De Matteis P,et al.The new CIRA Icing Wind Tunnel Spray Bar System development[R]. AIAA 2000-629.

[6] Vecchione L, De Matteis P, Leone G. An Overview of The CIRA Icing Wind Tunnel[R].AIAA 2003-900.

[7] 安延濤.大型壓力調節閥的動態分析及故障檢測研究[D].濟南:山東大學，2012.

[8] 明賜東.調節閥計算選型使用[M].成都：成都科技大學出版社,1999.

[9] 陳 旦,張永雙,黎壯聲,等.某型連續式跨聲速風洞閥門控制系統設計[J].計算機測量與控制, 2012.20(6):1524-1526．

[10] 鄭程遙,黃定波,王國俊.導葉—調壓閥并聯控制系統[J].廣東水利水電,2016(4):37-42．

[11] 陳學孔,易 凡,王瑞波,等.風洞調壓閥數值模擬和結構設計[J].閥門,2014(4):32-35．

[12] 李樹成,陳 旦.3 m×2 m結冰風洞噴霧系統測試總結[R].科技報告,2014.

DesignofSprayWaterPressureControlSystemforOneIcingWindTunnel

Chen Dan, Li Shucheng, Zhang Yongshuang, Gai Wen, Huang Weikai

(China Aerodynamics Research Development Center, Mianyang 621000，China)

The spray system is one of the key subsystems of one ice wind tunnel, which is used for simulating the high-altitude cloud environment. The control precision and fast stability of the nozzle anterior water pressure is very important to improve the efficiency of wind tunnel test and the uniformity of cloud. The master-slave control network topology is adopted according to the feature of a large number of equipment and scattered layout.The location accuracy of adjusting valve actuator, and the reliability of the control system was also devised, according to the high index requirement and the harsh environment. In addition, the characteristic of the multi-branch parallel pressure regulating system was analyzed, and then the control strategy was proposed. Finally, the precise and fast control of the spray water pressure was realized based on the segmented PID algorithm. The design method can be used as a reference for the design of wind tunnel system under complex condition and for the design of multi-branch parallel pressure regulating system.

icing wind tunnel; spray system; water pressure control system; multi-branch parallel pressure regulation

2017-03-03；

2017-04-13。

陳 旦(1986-)，男，四川鄰水人，碩士，工程師，主要從事風洞控制方向的研究。

1671-4598(2017)09-0068-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.018

V211.74

B