某風(fēng)洞全柔壁噴管安全運行控制策略設(shè)計

馬列波， 陳海峰， 高 鵬， 閻 成， 王 亮， 徐鳴陽

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽 621000)

柔壁噴管是風(fēng)洞中保證試驗段獲得設(shè)計馬赫數(shù)均勻氣流的主要部件[1]。中心新建成的某風(fēng)洞具備亞跨超聲速試驗?zāi)芰ΓL(fēng)洞流場品質(zhì)優(yōu)異，是一座世界一流的先進風(fēng)洞。風(fēng)洞采用全柔壁噴管結(jié)構(gòu)形式，具備寬馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍(Ma=0.3～4.5)。風(fēng)洞柔壁噴管采用全柔性方案， 其上下柔性壁板機構(gòu)采用多支點全柔性板，柔板機構(gòu)分別置于上、下梁上。噴管上下型面通過上下執(zhí)行機構(gòu)預(yù)置，液壓油缸驅(qū)動完成馬赫數(shù)型面成型。柔壁噴管是保證風(fēng)洞流場品質(zhì)和試驗質(zhì)量的關(guān)鍵裝備。柔壁噴管在試驗過程中頻繁運行，涉及機械結(jié)構(gòu)、電氣和液壓等多個環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致柔板等結(jié)構(gòu)件損壞，不僅影響試驗質(zhì)量，嚴(yán)重時還會造成風(fēng)洞長時間停產(chǎn)。因此，在進行柔壁控制系統(tǒng)研制時，需根據(jù)其運行過程特點，在參數(shù)可靠性、定位螺母控制以及柔板成型控制等方面制定可靠有效的安全運行控制策略，確保柔壁運行安全。

1 柔壁噴管結(jié)構(gòu)組成

柔壁噴管的結(jié)構(gòu)形式為二元多支點全柔壁噴管，上下壁為柔性型面壁，左右壁為平行壁，圖1為上柔壁噴管結(jié)構(gòu)示意圖。柔壁噴管主要由上下梁、左右側(cè)壁、上下柔板、執(zhí)行機構(gòu)及框架組成。噴管上下柔板分別由18 套執(zhí)行機構(gòu)通過柔壁噴管控制系統(tǒng)驅(qū)動控制，每套執(zhí)行機構(gòu)又由定位裝置和油缸組成。其中，定位裝置由左右對稱的兩套蝸輪蝸桿、滾動絲杠和定位螺母構(gòu)成，通過硬連桿實現(xiàn)左右傳動機構(gòu)同步運行[2]。當(dāng)定位裝置完成定位后，由油缸驅(qū)動柔板向噴管軸線方向做變型運動直至被定位螺母限制住。當(dāng)上下柔板均變型至定位螺母處時，一副柔壁噴管型面即成型到位。風(fēng)洞吹風(fēng)試驗過程中，油缸始終高壓頂緊柔板。

圖1 柔壁噴管結(jié)構(gòu)示意圖

2 柔壁噴管控制系統(tǒng)組成

該風(fēng)洞柔壁噴管控制系統(tǒng)采用分布式測控技術(shù)[3-6]，主要由遠程柔壁型面控制上位計算機和本地上/下壁型面控制(PLC)驅(qū)動系統(tǒng)組成，通過工業(yè)以太網(wǎng)與風(fēng)洞油源控制系統(tǒng)、柔壁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互通信。

柔壁噴管控制系統(tǒng)通過遠程或本地控制伺服電機帶動執(zhí)行機構(gòu)控制定位螺母位置，再通過液壓油缸使柔板在兩平行側(cè)壁之間改變型面并定位，從而得到各馬赫數(shù)下的柔板型面。柔壁噴管控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中上下柔壁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成相同。

圖2 柔壁噴管控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 安全運行控制策略設(shè)計

每次風(fēng)洞試驗前，柔壁噴管都必須進行型面定位和柔板低壓成型操作，試驗中柔板始終處于高壓鎖緊狀態(tài)。柔壁噴管型面成型質(zhì)量直接決定風(fēng)洞試驗流場品質(zhì)，其在運行中出現(xiàn)任何差錯都將嚴(yán)重影響試驗質(zhì)量和進度。為此，根據(jù)柔壁噴管的結(jié)構(gòu)和運行特點，對柔壁噴管的安全運行控制策略進行了細致設(shè)計。

3.1 型面參數(shù)一致性檢查策略

型面參數(shù)是柔壁噴管執(zhí)行機構(gòu)在不同馬赫數(shù)下定位螺母的定位數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確無誤，否則將直接影響柔壁型面質(zhì)量。柔壁噴管控制系統(tǒng)具備遠程和本地控制兩種方式，型面參數(shù)同時存儲在柔壁噴管控制系統(tǒng)的上位機和現(xiàn)場PLC控制器中，試驗中采用遠程控制方式，洞體條件準(zhǔn)備或維修時采用本地控制方式。為確保兩種控制方式下的型面參數(shù)的一致性，設(shè)計了兩種一致性檢查觸發(fā)方式：一是當(dāng)現(xiàn)場的柔壁噴管控制機柜旋鈕撥到遠程狀態(tài)且與上位機通信正常時自動啟動一致性檢查；二是在上位機界面直接單擊“一致性檢查”按鈕從而觸發(fā)一致性檢查。型面參數(shù)一致性檢測中，以上位機中存儲的型面目標(biāo)值為基準(zhǔn)對PLC中存儲的所有型面目標(biāo)值進行檢查。如果存在不一致時上位機程序會報警，并將不一致信息在上位機界面中進行顯示。

3.2 定位螺母安全運行控制策略

定位螺母位置控制是整個柔壁噴管控制系統(tǒng)的核心功能之一，其位置控制精度決定了柔壁型面質(zhì)量和風(fēng)洞流場品質(zhì)[7-11]。柔壁噴管控制系統(tǒng)通過控制伺服電機帶動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)定位螺母位置控制，各電機自帶編碼器實現(xiàn)速度反饋、安裝外置位移編碼器實現(xiàn)位置反饋。電機控制程序根據(jù)外置編碼器反饋的位置與目標(biāo)位置差值控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)定位螺母準(zhǔn)確定位。為了保證定位螺母運行過程的安全可靠，對定位螺母運行控制策略進行了細化設(shè)計。

3.2.1 同步偏差監(jiān)測

根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，在2個絲杠杠桿頂端各安裝一個位移編碼器，其中電機側(cè)的位移編碼器用于實現(xiàn)定位螺母位置反饋，是主編碼器，另一側(cè)位移編碼器用于進行數(shù)據(jù)比對，是副編碼器。

每套執(zhí)行機構(gòu)左右兩側(cè)的定位螺母在運行過程中必須保持同步才能確保柔板在水平方向上的水平度，否則即使柔板中心軸線的型面曲線滿足要求，風(fēng)洞流場也會因為柔板水平度不達標(biāo)而受到影響。在確保左右兩側(cè)定位螺母起始位置一致的前提下，柔壁噴管控制系統(tǒng)的PLC控制器實時采集執(zhí)行機構(gòu)外置主位移編碼器反饋信息EMi和副位移編碼器反饋信息ESi，并實時進行左右定位螺母位置比對，一旦位置差量大于設(shè)定閾值Δs，立即彈出報警提示框，并同時停止該執(zhí)行機構(gòu)電機運行。

3.2.2 定位螺母運行方向判斷

伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向在系統(tǒng)研制過程中已設(shè)置完畢，但考慮到使用過程中可能存在誤操作更改伺服驅(qū)動器已有設(shè)置，從而導(dǎo)致定位螺母運行方向錯誤，嚴(yán)重時定位螺母會從絲杠脫落，由于結(jié)構(gòu)空間限制，維修時間長，將嚴(yán)重延誤試驗進度。

由上式可知，當(dāng)P2=0時，Q=0，當(dāng)P2=P1時，Q=0，故在0

定位螺母運行方向判斷策略是：PLC控制程序根據(jù)編碼器初始值與型面目標(biāo)值實時判斷電機運行方向，若判斷電機實際運行方向與設(shè)定方向不一致，則彈出報警提示框，并同時停止該執(zhí)行機構(gòu)電機運行。

3.2.3 運行超時報警

定位螺母運行前，PLC控制程序根據(jù)定位螺母運行速度和行程計算出執(zhí)行機構(gòu)運行時間，加上一定的補償時間自動設(shè)置好運行時間閾值sti。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)運行時間ti超過時間閾值sti時會停止電機運行并彈出報警提示框。

3.2.4 運行軟限位監(jiān)測

為防止定位螺母運行超過絲杠極限發(fā)生螺母脫落或卡死情況，每個執(zhí)行機構(gòu)均設(shè)置了最大行程限位值Li+和最小行程限位值Li-。PLC控制程序?qū)崟r采集編碼器反饋值EMi，實時與限位值對比，一旦超限立即停止電機運轉(zhuǎn)并彈出報警提示框。

3.2.5 轉(zhuǎn)矩超限監(jiān)測

為了避免電機運行過程中出現(xiàn)過載和損壞問題[12]，設(shè)置伺服驅(qū)動器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制值，將伺服驅(qū)動器警報信號接入PLC的DI模塊。伺服驅(qū)動器運行中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩值超出限制值時，PLC立即接收到警報信號，通過控制程序終止該點位伺服電機運行并彈出報警提示框。

3.3 柔板成型安全運行控制策略

3.3.1 油壓超閾值監(jiān)測

柔板成型和高壓鎖緊是由油缸驅(qū)動完成的。為確保柔板安全，柔板成型過程中油壓設(shè)有低壓壓力上限閾值，高壓鎖緊過程中設(shè)有高壓壓力上限和下限閾值。

根據(jù)圖2可知，油缸壓力由獨立于柔壁噴管控制系統(tǒng)的油源控制系統(tǒng)控制，為此在柔壁油缸的無桿腔與有桿腔油管以及油源處分別安裝油壓壓力傳感器。在低壓成型過程中，設(shè)置油壓上限保護，若進油(無桿腔)油壓高于設(shè)定的上限閾值，PLC控制程序立即截止成型電磁換向閥，油缸停止運行。柔板在高壓鎖緊過程中，對油壓值進行實時判斷，當(dāng)油壓高于上限閾值或低于下限閾值時，將觸發(fā)報警，并將該報警信號發(fā)送至風(fēng)洞安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

3.3.2 功能聯(lián)鎖設(shè)計

柔壁噴管的控制操作主要包含成型、高壓鎖緊、回零和定位螺母型面更換等幾個功能，在控制過程中，為防止錯誤操作引起柔板損壞，在功能實現(xiàn)上進行了聯(lián)鎖設(shè)計。當(dāng)油源油壓為低壓狀態(tài)時，才能進行柔板成型/回零操作；當(dāng)油源油壓為高壓并且柔板處于成型就緒狀態(tài)時，才能進行高壓鎖緊操作；當(dāng)柔板處于零位就緒狀態(tài)時，才能進行定位螺母運行控制，更換定位螺母型面。

3.3.3 應(yīng)變超閾值監(jiān)測

風(fēng)洞柔壁噴管型面是上下柔性壁板分別由18個支撐油缸驅(qū)動產(chǎn)生型變形成的，為滿足寬馬赫數(shù)試驗范圍，柔板型變量大，如圖3所示。根據(jù)風(fēng)洞試驗馬赫數(shù)需求，柔板處于頻繁變形拉伸狀態(tài)，為避免柔板疲勞受損，必須對柔板進行應(yīng)力監(jiān)測。根據(jù)柔板型變量和結(jié)構(gòu)分析，在上下柔板分別對稱安裝了18個應(yīng)變計和智能應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備。應(yīng)變計具體部署部分位置如圖4所示。智能應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變在線實時采集、處理與分析，其與柔壁噴管控制系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議進行通信。一旦應(yīng)變值超過應(yīng)變安全閾值，應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備將自動向柔壁噴管控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出報警信息。柔壁噴管控制系統(tǒng)PLC接收到報警信息后將立即停止柔壁的成型、高壓鎖緊和回零操作，以確保柔板安全。

圖3 柔板型變圖

圖4 應(yīng)變計具體部署部分位置示意圖

4 軟件設(shè)計

軟件分為上位機運行軟件和在現(xiàn)場運行的PLC控制軟件。上位機軟件采用NI LabVIEW 2015開發(fā)， 具備運行狀態(tài)顯示、型面參數(shù)管理、定位螺母聯(lián)動控制、低壓成型、回零和高壓鎖緊等功能，軟件界面如圖5所示。PLC控制軟件采用TIA Portal V13開發(fā)平臺，使用結(jié)構(gòu)化文本語言進行程序開發(fā)，具備運行狀態(tài)顯示、執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)動控制、單動控制、應(yīng)變監(jiān)測和參數(shù)管理等功能，軟件執(zhí)行界面如圖6所示。

圖5 上位機軟件界面圖

圖6 PLC控制軟件界面圖

5 控制策略驗證測試

為了保證控制策略能夠按照設(shè)計運行，專門對其進行了驗證測試。

① 型面參數(shù)一致性檢查。在保持上位機與PLC控制器中參數(shù)一致的基礎(chǔ)上，改變上位機中保存的參數(shù)進行一致性檢查，檢查結(jié)果如圖7所示，可以實現(xiàn)參數(shù)不一致報警并將不一致信息顯示出來。

圖7 型面參數(shù)一致性檢查結(jié)果圖

② 定位螺母安全運行控制策略測試。先人為將某一執(zhí)行機構(gòu)的同步偏差報警閾值設(shè)為一極小值，再進行定位螺母位置控制操作，結(jié)果該執(zhí)行機構(gòu)一啟動運行即報警并且電機停止運行。采用類似方式，更改伺服驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置和轉(zhuǎn)矩設(shè)置，減小運行超時時限值，定位螺母安全運行控制策略均能正確及時做出響應(yīng)，并在上位機顯示界面進行報警信息顯示，如圖8所示。

圖8 上位機顯示界面報警信息

③ 柔板成型安全運行控制策略測試。在柔壁分別進行低壓成型、回零過程中，將油壓低壓上限值設(shè)置為一個低于正常壓力的小值，柔壁成型、回零換向閥立即切換到中位截止?fàn)顟B(tài)，各執(zhí)行機構(gòu)油缸停止運行。將應(yīng)變報警值設(shè)置一個小值，在柔壁成型過程中，柔板實際應(yīng)變值超過設(shè)定限值時，應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)立即發(fā)出報警信息，如圖9所示。柔壁噴管控制系統(tǒng)立即停止油缸運行。當(dāng)柔壁高壓鎖緊后，先后將油壓上限閾值設(shè)置為小于當(dāng)前油壓的值，下限閾值設(shè)置成大于當(dāng)前油壓的值，柔壁噴管控制系統(tǒng)均正常發(fā)出報警信號。在不同工況下對成型、回零、高壓鎖緊等功能進行誤操作測試，程序均無響應(yīng)，表明功能聯(lián)鎖設(shè)計測試正常。

圖9 應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)報警界面

6 結(jié)束語

柔壁噴管在風(fēng)洞設(shè)備中屬于核心部段，必須確保其運行安全。針對其控制運行特點，在參數(shù)可靠性、定位螺母運行以及柔板成型方面進行了安全策略設(shè)計。通過近3年的實際運行檢驗，柔壁噴管控制系統(tǒng)安全運行策略能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計功能，實時判斷柔板運行安全狀態(tài)，及時響應(yīng)危險情況，確保了風(fēng)洞柔壁噴管系統(tǒng)運行的安全可靠性，保證了風(fēng)洞試驗的安全和效率。

風(fēng)洞柔壁噴管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行過程中涉及環(huán)節(jié)復(fù)雜，所述的安全運行控制策略將對其他風(fēng)洞的柔壁噴管控制系統(tǒng)研制和安全運行起到有益的借鑒作用。