0.6米暫沖式跨超聲速風洞流場控制系統(tǒng)設計

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(中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽 621000)

0.6米暫沖式跨超聲速風洞流場控制系統(tǒng)設計

秦建華，凌忠偉，王博文

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所，四川綿陽621000)

0.6 m暫沖式跨超聲速風洞是一座引射下吹式暫沖型三音速增壓風洞，風洞具有結構組成復雜、系統(tǒng)控制精度要求高、運行方式多樣和運行安全要求嚴格的特點；對風洞流場控制系統(tǒng)硬件結構和功能需求進行了分析，開展了基于NI PXI RT嵌入式實時硬件結構和LabVIEW軟件開發(fā)平臺的風洞流場控制系統(tǒng)研制工作。重點在控制系統(tǒng)硬件組成、軟件結構和功能設計、信號采集與處理、控制策略和安全策略方面開展了設計、研究和調(diào)試工作。應用結果表明：該系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)快、精度高、穩(wěn)定性好、安全可靠的特點，成功實現(xiàn)了暫沖式跨超聲速風洞復雜流程控制系統(tǒng)的應用軟件開發(fā)。

風洞；流場；總壓；控制策略

0 引言

0.6m暫沖式跨超聲速風洞是一座引射下吹式暫沖型三音速增壓風洞，試驗段橫截面尺寸為0.6 m×0.6 m。風洞總體結構如圖1所示。具體構成包括氣源、主進氣管路、多級閥門、大開角段、穩(wěn)定段、收縮段、撓性壁噴管段、試驗段、超擴段、引射器管路、排氣消聲段等[1]。風洞控制系統(tǒng)存在以下特點：

圖1 FL-32風洞結構輪廓圖

試驗馬赫數(shù)范圍寬，馬赫數(shù)控制范圍為0.3～4.5，馬赫數(shù)覆蓋亞跨聲速和超聲速兩種試驗類型。

試驗壓力范圍寬，壓力范圍為50～1070 kPa，壓力范圍內(nèi)包括常壓試驗、增速壓試驗和降速壓試驗3種壓力工況。

試驗類型和壓力工況的多樣化使得試驗流程控制實現(xiàn)復雜。

系統(tǒng)控制精度要求高，馬赫數(shù)控制精度要求優(yōu)于0.002，總壓控制精度要求由于0.2%。

結合上述特點，為滿足設計要求，硬件系統(tǒng)選用美國NI公司生產(chǎn)的具有實時功能的PXI RT嵌入式實時控制器作為核心控制器，采用PXI總線板卡實現(xiàn)核心控制器與智能儀表的數(shù)據(jù)通信；軟件采用LabVIEW + Real Time Module進行開發(fā)。經(jīng)過風洞綜合性能調(diào)試和標模試驗檢驗，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、試驗精度高、能達到對風洞流場快速精確控制的要求。

1 風洞構成與工作原理

圖1中穩(wěn)定段、噴管段、試驗段、超擴段等組成風洞洞體。主調(diào)壓閥、旁路調(diào)壓閥及其快速閥共同組成主進氣管路閥門系統(tǒng)，負責試驗中主進氣管路氣流的開閉和總壓壓力閉環(huán)控制；引射器調(diào)壓閥及其快速閥組成引射進氣管路閥門系統(tǒng)，負責試驗中引射氣路氣流的開閉和引射壓力閉環(huán)控制；柵指機構位于支架段內(nèi)，用于亞跨聲速流場駐室靜壓閉環(huán)控制。

風洞包括跨聲速和超聲速兩種試驗類型。跨聲速試驗時，柔壁型面控制系統(tǒng)將噴管預置到聲速型面，由總壓系統(tǒng)和駐室靜壓系統(tǒng)共同控制試驗段M數(shù)；超聲速試驗前，柔壁型面控制系統(tǒng)將噴管預置到試驗所需的M數(shù)型面，試驗中，超過某一總壓壓力值的氣流在通過噴管后形成所需超聲速M數(shù)。

風洞包括常壓試驗、增速壓試驗和降速壓試驗3種壓力工況，為滿足各壓力工況下對風洞及試驗設備的保護要求，設計了下吹式、引射下吹式、引射啟動式3種運行模式，如圖2所示。下吹運行模式下，只有主路調(diào)壓閥(主調(diào)壓閥或旁路調(diào)壓閥)對總壓進行調(diào)節(jié)，引射器調(diào)壓閥不工作，該運行模式適用于增速壓試驗及M<2.5的常壓試驗；引射下吹運行模式，主路調(diào)壓閥和引射器調(diào)壓閥均投入各自壓力調(diào)節(jié)，該運行模式適用于降速壓試驗及M>3.5的常壓試驗；引射啟動運行模式下，風洞啟動時引射調(diào)壓閥工作，然后主路調(diào)壓閥投入運行，主路調(diào)壓閥轉入壓力閉環(huán)控制后關閉引射調(diào)壓閥，試驗結束時再次啟動引射調(diào)壓閥[2]，該運行模式適用于2.5≤M≤3.5的常壓試驗。

圖2 FL-32風洞運行模式流程圖

2 流場控制系統(tǒng)構成

風洞控制系統(tǒng)的任務是完成各閥門啟閉、噴管型面、柵指位置、模型姿態(tài)、超擴段開度、洞體充氣密封、部段間拉緊等控制[3]。

風洞流場控制系統(tǒng)的主要功能是對參與流場調(diào)節(jié)的閥門、柵指等執(zhí)行機構進行位置閉環(huán)控制，以實現(xiàn)壓力自動調(diào)節(jié)，從而建立所需的穩(wěn)定流場，同時還負責模型姿態(tài)角控制，以獲得模型在確定流場環(huán)境、不同姿態(tài)角的試驗數(shù)據(jù)。流場控制系統(tǒng)是風洞測控系統(tǒng)的核心，其研制水平和運行效果至關重要，不僅與最終試驗結果的精準度、數(shù)據(jù)質(zhì)量緊密相連，更關系到參試設備、風洞設備乃至人員的安全。

流場控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場工業(yè)總線的開放式集散結構進行設計，由測控間的上位運行管理計算機(簡稱：上位機系統(tǒng))和風洞試驗現(xiàn)場PXI RT實時系統(tǒng)(簡稱：下位機系統(tǒng))兩部分組成，上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。如圖3所示。

上位機系統(tǒng)由工業(yè)計算機和部署在該計算機上的上位運行管理軟件組成。該系統(tǒng)負責用戶與設備雙向交互,崗位人員通過該軟件獲取風洞現(xiàn)場設備信息，發(fā)布機構控制指令和試驗開車指令等。其主要功能包括現(xiàn)場設備參數(shù)、傳感器參數(shù)、試驗參數(shù)的管理，傳感器校準、機構單動控制與監(jiān)測、風洞試驗控制與監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析即歷史數(shù)據(jù)回放顯示功能等。

下位機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)由運行實時操作系統(tǒng)的PXI-8109嵌入式控制器，及如圖3所示插入PXI機箱插槽的模擬量采集輸入卡、開關量輸入輸出卡、485總線、CAN總線通訊接口卡等組成。系統(tǒng)通過總線接口卡、模擬、開關量輸入輸出接口卡與現(xiàn)場傳感設備進行交互，采集壓力、位置、總溫、開關狀態(tài)等信息，并依據(jù)上位機系統(tǒng)的指揮指令獨立完成試驗設備的有序調(diào)度控制。軟件系統(tǒng)則由部署在嵌入式控制器的實時應用軟件組成。軟件負責風洞流場控制領域業(yè)務功能實現(xiàn)，軟件在線實時收集處理現(xiàn)場傳感、設備狀態(tài)信息。依據(jù)上位機系統(tǒng)發(fā)布的指令控制現(xiàn)場設備動作，其主要功能包括通訊管理、試驗進程控制、安全聯(lián)鎖控制、壓力閉環(huán)控制與壓力仿真、位置閉環(huán)控制、PXI硬件接口信號讀寫等。

圖3 流場控制系統(tǒng)結構

3 流場控制系統(tǒng)程序設計

流場控制軟件包括部署在上位機系統(tǒng)的運行管理軟件和部署到下位機系統(tǒng)的實時應用軟件兩部分。軟件采用LabVIEW2012統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)，實時應用軟件開發(fā)需要安裝Real-Time實時軟件模塊。

3.1 軟件功能設計

運行管理軟件負責用戶與設備雙向交互，崗位人員通過該軟件獲取現(xiàn)場設備反饋信息，發(fā)布控制指令等，其主要功能包括參數(shù)管理(如：現(xiàn)場設備參數(shù)、傳感器參數(shù)、試驗參數(shù)等)，傳感器校準、機構單動控制與監(jiān)視、風洞試驗控制與監(jiān)視、試驗數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析等功能。

實時應用軟件負責風洞流場控制領域的業(yè)務功能實現(xiàn)，該軟件實時收集處理現(xiàn)場傳感、設備狀態(tài)信息，依據(jù)崗位人員發(fā)布的指令控制現(xiàn)場設備，其主要功能包括通訊管理、試驗進程控制、安全聯(lián)鎖控制、壓力閉環(huán)控制與壓力仿真、位置閉環(huán)控制、PXI硬件接口信號讀寫等。實時應用軟件結構如圖4所示。

圖4 實時應用軟件結構圖

3.2 信號采集與處理

流場控制系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集卡為PXI-6289，該卡具有32路18位模擬單端輸入，48路數(shù)字I/O，單通道采樣頻率為625 kS/s。系統(tǒng)設定通道采樣頻率為5 kS/s，采樣數(shù)為100，采樣周期為20 ms，連續(xù)采集16路信號，滿足試驗要求。

系統(tǒng)使用的傳感器型號與參數(shù)如表1所示。為確保試驗安全，總壓傳感器按照2組3檔共6支的方式設計，測點安裝于風洞穩(wěn)定段內(nèi)，2路相互獨立的測壓管路分別為2組傳感器供氣，2組傳感器互為備份并互相監(jiān)測。傳感器精度均為0.04%，量程分為低、中、高3檔，量程分別為50PSI、100PSI、300PSI，試驗時根據(jù)工作壓力范圍選擇合適量程的傳感器，以保證總壓控制精度和傳感器安全。

表1 傳感器型號及參數(shù)

3.3 控制流程設計

跨超聲速風洞試驗過程中，在跨聲速試驗時，流場的建立通過主路調(diào)壓閥和柵指機構分別控制總壓和靜壓得以實現(xiàn)；在超聲速試驗時，柔壁型面控制系統(tǒng)將噴管預置到試驗所需M數(shù)型面，流場的建立通過主路調(diào)壓閥控制總壓得以實現(xiàn)。為降低超聲速試驗流場建立和關車過程中的氣動沖擊，或為實現(xiàn)降壓試驗，需要投入引射器調(diào)壓閥進行引射壓力調(diào)節(jié)。以下將以跨聲速試驗流程為例簡要介紹風洞運行流程和控制策略。

跨聲速試驗流程如圖5所示。系統(tǒng)運行前，確認各參試分系統(tǒng)運行狀態(tài)和網(wǎng)絡通信狀態(tài)，將試驗開車參數(shù)發(fā)布到實時應用軟件。

圖5 跨聲速試驗流程圖

試驗開始后，自動對各傳感器信號進行采集分析與處理，實時參與壓力、位置閉環(huán)控制。針對暫沖式風洞對流場建立時間和壓力控制精度的要求，提出了快速啟動與串級控制方法：準備開車階段，將攻角、柵指預置到開車位置；開車后，采用開環(huán)調(diào)節(jié)方式，在保證風洞安全運行的前提下，控制主調(diào)壓閥高開，快速完成風洞管路填充，當穩(wěn)定段總壓達到啟動壓力，主調(diào)壓閥回調(diào)至計算穩(wěn)態(tài)開度，控制總壓下降至目標工作壓力附近，轉入穩(wěn)壓調(diào)節(jié)階段。

穩(wěn)壓調(diào)節(jié)階段，采用雙閉環(huán)串級控制，調(diào)壓閥、柵指機構位置控制環(huán)在里面，稱為副環(huán)或副回路，采用有較快響應的比例、積分調(diào)節(jié)，在控制過程中起“粗調(diào)”的作用；壓力控制環(huán)在外面，稱為主環(huán)或主回路，采用可滿足高精度要求的智能PID調(diào)節(jié)，完成“細調(diào)”任務，最終實現(xiàn)實際總壓、靜壓對目標壓力的精確跟蹤[4-6]。如圖6所示。

圖6 跨聲速流場控制框圖

流場穩(wěn)定條件包括總壓、M數(shù)波動范圍、攻角階梯到位和延時時間。總壓、M數(shù)波動范圍達到設定精度，攻角階梯到位且經(jīng)過設定延時時間而不超出，則認為滿足流場判穩(wěn)條件，可以通知測量系統(tǒng)進行采集，測量采集完畢則通知走下一個階梯,完成所有階梯數(shù)據(jù)采集后，試驗轉入關車流程。

3.4 壓力控制PID算法實現(xiàn)

PID是Proportion(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)的簡稱，是目前使用最廣泛的工業(yè)控制器[7]。PID控制器由比例單元P、積分單元I、微分單元D組成。

為滿足風洞壓力控制穩(wěn)定性和精度要求，按照如下思路設計了PID算法。

比例操作是控制器增益乘以誤差，比例項等式如下所示：

uP(k)=Kc×e(k)

其中:Kc表示控制器增益;e(k)表示當前誤差。

首先，當?shù)卣块T應該積極完善現(xiàn)階段的法律法規(guī)，確保每一家進入到餐飲市場的企業(yè)都處于同一市場競爭機制下，保證公平性。

離散積分操作有幾種方法，如前向差分、后向差分和梯形逼近。使用梯形積分可避免PV或SP的突然改變引起積分操作的劇烈變動，積分項等式如下所示：

其中:ΔT是控制器的采樣時間

SP的突然變化會引起誤差e的微分操作，因而會造成控制其輸出振蕩。這些振蕩被稱作微分沖擊，為避免微分沖擊，可僅向PV應用微分操作，不要向誤差e應用微分操作，微分項等式如下所示：

控制器總的輸出如下列公式所示：

u(k)=uP(k)+uI(k)+uD(k)

其中:u(k)表示控制器輸出

SP、PV分別表示設定值和過程變量

由于該方法輸出相對于S0的增量，所以誤動作時影響很小，容易得到比較好的控制效果。

為提高壓力調(diào)節(jié)速度和精度，在上述方法基礎上還使用了積分分離和變速積分控制方法。具體實現(xiàn)方法是，依次從大到小設定3個誤差點(e3>e2>e1)，劃定4個誤差區(qū) (∞，e3]、(e3，e2]、(e2，e1]、(e1，0]，這里誤差取絕對值，控制器輸出自帶符號和方向。當誤差處于最大誤差區(qū)時，不投入積分項；當誤差離開最大誤差區(qū)后，投入積分項，并隨著誤差的減小，依據(jù)誤差所處區(qū)間，分段修改積分比例系數(shù)和時間常數(shù)，增強積分效果，提高壓力控制精度。

本項目在調(diào)試中沒有使用微分項。

3.5 系統(tǒng)安全策略

跨超聲速風洞運行風險主要來自試驗中產(chǎn)生的“兩高一低”運行狀態(tài)及其它異常情況，在超聲速運行工況運行時，最高M數(shù)為4.5，增壓試驗時最高總壓超過1 000 kPa；在降壓運行工況時，引射器可以將穩(wěn)定段總壓抽吸到20 kPa。由于這些原因，在風洞啟動、關車過程中沖擊載荷容易對試驗模型或天平造成損害，激波震蕩或激波回退不僅易造成上述損害，甚至可能會傷及燒結絲網(wǎng)等洞體結構件。為防止在試驗中出現(xiàn)意外，特在控制系統(tǒng)中加入了安全聯(lián)鎖。

安全聯(lián)鎖設計為三級，權限由低到高，一級聯(lián)鎖由流場控制系統(tǒng)的PXI實時系統(tǒng)實施，二級聯(lián)鎖由PLC安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實施，三級聯(lián)鎖是純硬件電路聯(lián)鎖控制。本級出現(xiàn)異常，不能控制時，則將控制權移交到高一級接管控制。以下重點介紹下PXI實時系統(tǒng)的安全策略。

PXI實時系統(tǒng)主要采取了以下幾種安全策略。一是防沖擊控制策略，即為降低高M數(shù)、高總壓工況啟動、關車沖擊載荷，投入引射器輔助快速建立流場；在降壓試驗工況，當總壓低于大氣壓比較多時，則關車前先升總壓到高于大氣壓，再關引射器；二是總壓超壓保護策略，一旦檢測到總壓超過設定的安全閥值，就轉入總壓超壓關車流程；三是網(wǎng)格壓降超壓保護策略，一旦檢測到網(wǎng)格壓降超過設定的安全閥值，則轉入網(wǎng)格超壓關車流程；四是設備故障，一旦出現(xiàn)設備不受PXI系統(tǒng)控制的情況，則將控制權限移交給PLC安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，由PLC安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實施關車流程。

3.6 試驗結果分析

2015年，風洞進行了為期數(shù)月的風洞綜合性能調(diào)試，并進行了基于GBM-04A和AGARD-B模型的標模試驗，圖7給出了風洞兩種運行模式的試驗數(shù)據(jù)曲線。標模試驗數(shù)據(jù)表明，亞跨聲速M數(shù)控制精度均滿足ΔM≤±0.002，超聲速總壓控制精度均優(yōu)于0.2%，達到了系統(tǒng)預期的設計要求。

4 結論

0.6 m暫沖式跨超聲速風洞是功能相對比較齊全、試驗運行代表性較強的一座新風洞。

該風洞流場控制系統(tǒng)研制以風洞運行安全、可靠、高效為前提，采用了基于現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡化的開放集散結構設計方法，開發(fā)了基于NI PXI RT嵌入式實時硬件結構和LabVIEW軟件開發(fā)平臺的流場控制硬件、軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)具有測量、控制精度高，自動化程度高以及擴展性強等優(yōu)點。標模和型號試驗數(shù)據(jù)表明，各壓力控制子系統(tǒng)能可靠地控制執(zhí)行機構并實時自動跟蹤調(diào)節(jié)總壓、駐室靜壓和引射器集氣室壓力，操作簡便靈活，滿足試驗要求且具有較高的運行安全性。

同時，0.6 m暫沖式跨超聲速風洞流場控制系統(tǒng)硬件結構具有一定通用性，可為新建、改建風洞流場控制系統(tǒng)設計提供借鑒和參考。

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DesignofFlowFieldControlSystemfor0.6mIntermittentTransonicandSupersonicWindTunnel

Qin Jianhua,Ling Zhongwei,Wang Bowen

(High Speed Institute， China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China)

The 0.6 m intermittent transonic and supersonic wind tunnel is a ejection type、blow down、trisonic、pressurized wind tunnel ,the composition of structure was complex, high control accuracy was required, the running mode was various and the strictly operation safety was required. Analyzed the hard structure and functional requirement of the flow field control system, the design research of flow field control system based on National Instrument PXI embedded Real Time hardware and LabVIEW development platform was carried on. The architecture and function, signal acquisition and processing, control and safety strategy design of the software were mainly focused on. Practical application shows that the system has virtues of exact and fast regulation, stable working, safe and reliable, which has successfully realized application development for complex process control system.

wind tunnel; flow field; total pressure; control strategy

2017-04-13；

2017-05-23。

秦建華(1975-),男，四川綿陽人，工程師，碩士，主要從事風洞測控技術方向的研究。

1671-4598(2017)11-0050-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.013

V211

A