雙軸雙涵壓氣機試驗器五級葉片角控制系統設計及試驗驗證

李成鑫 王海龍 王袖婷

摘 ?要：主要介紹了雙軸雙涵壓氣機試驗器五級葉片角調節控制系統的設計過程，將基于硬件的控制方法、PLC控制技術及WinCC編程技術運用在實際葉片角控制系統設計中;利用一元多項式回歸解決了葉片角標定過程的非線性化問題，保證了葉片角調節的精度。并通過試驗驗證，該套系統具有較高的控制精度，可滿足葉片角試驗要求，具有較高的示范和推廣價值。

關鍵詞：一元多項式回歸;PLC技術;WinCC

1 前言

雙軸雙涵試驗器的建設將使我國首次具備研究風扇與壓氣機匹配和氣動穩定技術的試驗能力，填補國內高、低壓壓氣機部件氣動匹配試驗研究手段的空白，促進航空發動機設計，縮小相關試驗技術與發達國家的差距。作為該試驗器重要的組成部分，葉片角控制系統的穩定性和可靠性對試驗器有著至關重要的影響。

以往單軸試驗葉片角調節控制過程是程序控制調節為輔，主要是依靠操作人員觀察試驗件外部葉片角刻度盤位置對葉片角進行手動開環調節。雙軸試驗受試驗件結構影響，其高壓壓氣機葉片角沒有外置聯動刻度盤，完全依靠程序閉環控制相應的角度，所以與單軸試驗器葉片角控制系統相比，雙軸葉片角控制系統對葉片角的控制精度要求更高。本文從液壓系統、電控系統等方面對系統設計進行了詳細介紹，并對系統中關鍵技術及解決進行了闡述，設計的五級葉片角控制系統經試驗驗證，結果滿足試驗要求。

2 系統設計

2.1 總體思路

通過搭建控制硬件平臺，構建伺服閥—葉片角控制模型，利用PLC硬件控制伺服閥達到葉片角的精確控制。為達到安全可靠控制葉片角的目的，先對控制模型進行分析。葉片角控制系統方框圖如下：其中伺服閥是執行器，而葉片角角度則是被控對象，PLC硬件系統是調節器。

在方案設計階段，設計團隊采用PLC硬件系統完成雙軸雙涵試驗器葉片角的控制程序。該系統具有可靠穩定的特點，并不受電腦死機、掉電等影響，自成系統。

2.2 技術方案

設計開發新型的多級葉片角度控制系統，具備五級角度同時調節。為壓氣機部件試驗中五級靜子葉片分別按設計好的各自 [換算轉速—角度]曲線隨換算轉速實時控制跟蹤角度，同時可分別調節各級角度，摸索性能匹配關系。系統應設計靈活，控制精度高，同時考慮葉片機試驗特性，具備高的穩定性，高負荷性，角度調節無超調、手動自動無擾動切換等特點;控制設計靈活，安裝方便，根據具體使用特性，具備多種角度同步調節，高負荷下角度穩定無波動等特性;可根據不同試驗件特點選擇各個葉片角跟隨高壓或低壓壓氣機換算轉速。

該系統分2個部分：液壓系統（液壓站、伺服方向閥、作動筒）、控制系統。

2.2.1 液壓系統

液壓系統主要由液壓油站、油泵、油站加熱系統、油站冷卻系統、葉片角角度調節系統等部分。試驗原理是，啟動油站建立壓力后，通過控制伺服閥的開度大小及開關方向，控制作動筒到達指定位置，從而帶動葉片角開關到某一角度。

2.2.2 控制系統

電控系統硬件平臺由兩部分構成，上位機計算機和下位機PLC及相應模塊。上位機為操作人員控制葉片角提供操作界面，并對相應狀態參數進行顯示，記錄存儲操作指令、報警信息等;下位機對葉片角伺服閥進行控制給定，從而實現對葉片角角度進行閉環控制，并對參數、狀態進行采集處理。通過葉片角控制系統實現對液壓油站、葉片角伺服閥、換向閥進行控制，實現五級葉片角按照控制規律進行精準調節，滿足試驗要求。

上位機采用WinCC組態環境。WinCC軟件是西門子公司基于Windows操作系統推出的組態軟件，是HMI/SCADA系統的軟件平臺，作為全集成自動化系統的重要組成部分，WinCC確保與西門子的自動化系統—SIMATIC S5 S7系列PLC進行方便的連接和高效的通訊[1]。同時WinCC軟件可對重要參數、人員操作信息、故障信息等進行歸檔記錄，確保每次事件都有追溯。

3 技術難點及解決措施

3.1 葉片角控制算法的設計

對五級葉片角進行統一協調控制，要求每級葉片角既可以手動單獨控制，又可以自動跟隨換算轉速進行自動調節，兩種控制模式均能進行無擾動的切換。另外由于在不同的試驗件上葉片角所承受的載荷并不一致，使得作動筒的受力情況不同，所以對設計的葉片角控制系統要求有較強的魯棒性。采用西門子FM355模塊對液壓閥門的開度進行控制，降低CPU負荷[2]。

啟用對控制參數自整定功能，并設置合理的PID參數，以及相應的邊界條件。通過帶試驗件葉片角進行運轉調試，找到合理的邊界條件。從而使得該葉片角控制系統可以通過對參數的自整定，使得葉片角控制系統在不同的擾動下均具有良好的魯棒性，從而自動適應不同的試驗件調試需求。

3.2 葉片角非線性標定

以往單軸試驗器的葉片角控制，在試驗前對葉片角標定是通過記錄最大與最小葉片角角度以及當時作動筒位移值，采用線性插值方法計算出某一角度對應的作動筒位移值。但是當兩者關系非線性時，會對角度的控制造成較大誤差，但是現階段單軸試驗過程中主要是依靠操作人員參照葉片角的機械角度盤對葉片角控制進行手動修正。但是在雙軸試驗中，高壓壓氣機葉片角在機匣內部，無法直觀觀察角度變化。所以本項目中需要一種新的算法，要求建立作動筒位移值和角度的精確的匹配關系。

為滿足不同試驗件要求，設計團隊采用一元多項式回歸的方法，記錄10組角度與作動筒位移反饋關系，并作多項式回歸，擬合成一條角度與作動筒伸長量的關系曲線。

在葉片角標定時，先按作動筒伸長方向進行標定，記錄10組葉片角角度和作動筒伸長的關系，再按照作動筒縮短的方向進行標定修正，再次進行10組關系標定。標定步驟結束后，程序會自動對正反兩次標定的參數進行修正，從而消除作動筒由于機械原因造成的誤差。再利用一元多項式回歸的方法，計算合理的角度與作動筒位移的關系。在進行葉片角控制調節的時候，在給定某一角度后，依照該曲線計算得出對應作動筒位移值，從而實現對葉片角的精確控制。

3.3 葉片角角度根據轉速自適應

試驗要求葉片角角度可以根據換算轉速進行自動跟隨調節。但兩者關系往往為非線性，而且葉片角起調角度對應的轉速相對較高，調節范圍相對較小，所以利用多項式回歸的方法并不能擬合出兩者相對理想的關系曲線。

本項目設計團隊針對這一特點，采用分段線性處理，每級葉片角都能設置最多15對[換算轉速—角度]關系點，每組點之間做線性處理。若換算轉速超過設置的關系點，角度則維持之前的上限或下限不變。

通過試驗驗證，該方法可以使得各級葉片角角度穩定準確跟隨換算轉速進行自動調節。

4 試驗驗證

在帶試驗件運行的調試過程中，試驗件角度液壓系統參與控制，分別在外軸轉速9650rpm、10530rpm、10860rpm、11400rpm時自動調節角度至設定值，葉片角液壓伺服閥及液壓缸運行正常，反饋正確。

由單個操作崗位能完成所有角度調節系統的需求，完成了對于新型多級葉片角度調節系統的驗證，角度控制誤差不超過0.1°，功能及穩態動態特性可滿足試驗要求。

葉片角執行記錄見表4。

5 結論

本項目中利用多項式回歸方法，提高了葉片角控制精度，并滿足不同試驗件的需求。在試驗過程中，該系統高壓壓氣機葉片角在隨轉速自動跟隨過程中不需要人為手動調整，極大的減少了調節時間，在自動模式下與轉速關系匹配更好，增強了試驗器的可靠性，并且降低了試驗能耗。

另外基于可編程控制器經典過程控制算法的應用，有效提高了系統的響應速度，同時滿足葉片角調節精度要求，調節過程平穩無超調，增加了系統的可靠性與靈活性，滿足試驗件對葉片角的控制要求。

參考文獻

[1]梁飛 基于WinCC和OPC的配料監控系統的設計與實現[D].上海：上海交通大學，2008.

[2]朱景紅，王汝才 FM355C在水泵測試系統電動閥門控制中的應用[J].機械研究與應用，2018（3）：185-187.