雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速數(shù)字給定方法研究

何　萍，楊　洲，劉世和

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速數(shù)字給定方法研究

何萍，楊洲，劉世和

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

為滿(mǎn)足雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的高、低壓壓氣機(jī)的單獨(dú)試驗(yàn)以及聯(lián)合試驗(yàn)的要求，研究了一種基于Profibus-DP總線(xiàn)的雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速數(shù)字給定方法，該方法以西門(mén)子S7-300 PLC 為核心，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)Profibus-DP技術(shù)，以西門(mén)子WinCC為可視化監(jiān)控軟件，采用多圈絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)字給定方法，較好地實(shí)現(xiàn)了單轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定控制和雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的匹配給定控制功能。

雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器；轉(zhuǎn)速數(shù)字給定；匹配控制；編碼器

0　引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的不斷發(fā)展，第三、四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)將使用高、低壓雙軸對(duì)轉(zhuǎn)組合壓氣機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)）。雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)研制不僅需要進(jìn)行高、低壓壓氣機(jī)的單獨(dú)試驗(yàn)，而且還需要進(jìn)行雙轉(zhuǎn)子聯(lián)合試驗(yàn)，因此就控制系統(tǒng)而言，需要具有對(duì)高、低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行單獨(dú)控制和聯(lián)合匹配控制兩種方式。

1　雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)速控制要求

雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖如圖1所示。單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)，由一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的高壓壓氣機(jī)或低壓壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另外一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停用；雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)，兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)工作，分別驅(qū)動(dòng)雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)。

雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)速聯(lián)合匹配控制的要求如下：

（1）高、低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系可以根據(jù)不同試驗(yàn)件需求進(jìn)行調(diào)整；

（2）可實(shí)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行微調(diào)；

（3）可實(shí)現(xiàn)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同步啟動(dòng)、停車(chē)；

（4）轉(zhuǎn)速控制精度、動(dòng)力升降速等運(yùn)行參數(shù)不能低于單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)。

2　雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速控制策略

雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能高，匹配控制好。在單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)（高壓壓氣機(jī)或低壓壓氣機(jī)試驗(yàn)）時(shí)轉(zhuǎn)速給定采用多圈絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器（簡(jiǎn)稱(chēng)編碼器）以通訊方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的數(shù)字給定；雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速給定與單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)一樣，低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速以高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)按照擬合曲線(xiàn)的函數(shù)關(guān)系自動(dòng)給定，在各個(gè)工作點(diǎn)可激活“微調(diào)”按鈕，在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定不變的情況下，通過(guò)低壓轉(zhuǎn)子編碼器對(duì)低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)，因此對(duì)于不同的雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)件只需要在人機(jī)界面上設(shè)定擬合曲線(xiàn)的函數(shù)系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配運(yùn)行的功能，通過(guò)編碼器微調(diào)達(dá)到精確匹配的效果。

3　雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速控制原理

壓氣機(jī)試驗(yàn)器需要獲取等轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)以及捕捉喘振點(diǎn)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能要求都很高，因此轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。轉(zhuǎn)速給定控制單元把給定轉(zhuǎn)速傳輸給變頻器，變頻器采用編碼器測(cè)速反饋實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，通過(guò)改變電機(jī)的供電頻率實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的調(diào)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)要滿(mǎn)足高精度的轉(zhuǎn)速控制性能，除合理選擇變頻電機(jī)、變頻器、脈沖編碼器外，轉(zhuǎn)速給定精度也至關(guān)重要，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的高精度和匹配控制功能，轉(zhuǎn)速給定控制單元采用數(shù)字給定的方式。

4　雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速數(shù)字給定原理

圖1　雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速采用編碼器進(jìn)行數(shù)字給定，編碼器帶Profibus-DP總線(xiàn)接口，輸出2進(jìn)制編碼，圈數(shù)多，每圈分辨率大，如PVM58N-011AGR0BN-1213編碼器每圈分辨率為8192，連續(xù)4096圈，可提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速精度。轉(zhuǎn)速給定控制單元通過(guò)編碼器、工控機(jī)、S7-300 PLC、變頻器組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以西門(mén)子S7-300 PLC 為核心，以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)Profibus-DP為主體，以西門(mén)子WinCC為可視化監(jiān)控軟件，采用全數(shù)字化的操控模式給定轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定控制和雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速匹配給定控制。操作員旋動(dòng)編碼器，PLC通過(guò)Profibus-DP讀取編碼器的給定值，然后經(jīng)過(guò)程序換算成電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值，再通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送給變頻器，作為轉(zhuǎn)速給定。工控機(jī)作為人機(jī)接口界面，采用WinCC組態(tài)軟件，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與PLC通訊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)定的功能。

圖2　單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)轉(zhuǎn)速給定控制邏輯

5　轉(zhuǎn)速給定控制單元組成

轉(zhuǎn)速給定控制單元由PLC控制柜、工控機(jī)、編碼器、溫度傳感器、按鈕等組成，PLC控制柜主要由西門(mén)子的電源模塊、S7-300型PLC、模擬量輸入模塊等組成，進(jìn)氣溫度用于計(jì)算折算轉(zhuǎn)速，按鈕主要控制變頻器的啟動(dòng)/停止/緊急停止等。

6　轉(zhuǎn)速數(shù)字給定控制方法

6.1單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)轉(zhuǎn)速數(shù)字給定控制方法

單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)高壓壓氣機(jī)或低壓壓氣機(jī)的啟動(dòng)/停止/緊急停車(chē)操作在操縱臺(tái)上由對(duì)應(yīng)的按鈕控制，對(duì)應(yīng)的編碼器用于轉(zhuǎn)速給定。

單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)轉(zhuǎn)速給定控制邏輯見(jiàn)圖2。首先根據(jù)試驗(yàn)件的需要在工控機(jī)上設(shè)定壓氣機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的下限值/上限值、壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速上限值/超轉(zhuǎn)保護(hù)值。只有給定啟動(dòng)轉(zhuǎn)速初值在啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的下限值及上限值之間，且變頻電機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)、潤(rùn)滑泵等輔助設(shè)備工作正常后才能啟動(dòng)變頻器；變頻器工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)速給定控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備狀態(tài)和變頻器、變頻電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。如果系統(tǒng)正常，則把編碼器的給定值、壓氣機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下限值/轉(zhuǎn)速上限值通過(guò)比較確定試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速，再換算成變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速給定傳輸給變頻器，轉(zhuǎn)速給定控制單元可根據(jù)進(jìn)氣溫度、變頻電機(jī)脈沖編碼器的測(cè)量值、增速比實(shí)時(shí)顯示變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)件給定轉(zhuǎn)速/實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速/折算轉(zhuǎn)速等。如果試驗(yàn)件實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速＞超轉(zhuǎn)保護(hù)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速給定控制單元控制變頻器停止。如系統(tǒng)不正常則按照操作員指令動(dòng)作。

6.2雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)轉(zhuǎn)速數(shù)字給定控制方法

雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速給定控制邏輯同圖2所示，低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速給定控制邏輯見(jiàn)圖3。

由于雙轉(zhuǎn)子的高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有固定的比例關(guān)系，為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和方便控制，操作人員只需設(shè)定高壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速，低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速給定依據(jù)擬合曲線(xiàn)的函數(shù)關(guān)系自動(dòng)獲得，還可以在各個(gè)工作點(diǎn)采用微調(diào)進(jìn)行調(diào)整。擬合曲線(xiàn)可以根據(jù)具體壓氣機(jī)的要求采用多次函數(shù)，一般4次函數(shù)曲線(xiàn)能滿(mǎn)足大部分的使用要求，以高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為x軸，低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為y軸做擬合曲線(xiàn)，確定y=ax4+bx3+cx2+dx+e的常數(shù)a、b、c、d、e，試驗(yàn)時(shí)高壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速給定同單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)轉(zhuǎn)速給定，低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速首先按照y=ax4+bx3+cx2+dx+e的函數(shù)關(guān)系匹配給定。按照函數(shù)關(guān)系匹配控制出現(xiàn)不完全吻合的情況時(shí)，可以激活“微調(diào)”按鈕，在高壓轉(zhuǎn)子編碼器給定不變的情況下，在一定范圍內(nèi)（軟件可設(shè)定，比如3%）旋動(dòng)低壓軸轉(zhuǎn)子編碼器，單獨(dú)微調(diào)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速；在微調(diào)過(guò)程中，如檢測(cè)到高壓轉(zhuǎn)子編碼器變化值大于一定值（軟件可設(shè)定，比如100r/min），則微調(diào)功能自動(dòng)取消，恢復(fù)轉(zhuǎn)速匹配控制。

圖3　雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速給定控制邏輯

雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)，高壓壓氣機(jī)、低壓壓氣機(jī)的啟動(dòng)/停止/緊急停車(chē)都起作用，在轉(zhuǎn)速匹配控制時(shí)只有高壓轉(zhuǎn)子的編碼器起作用，在微調(diào)時(shí)通過(guò)低壓轉(zhuǎn)子的編碼器實(shí)現(xiàn)。

雙轉(zhuǎn)子試驗(yàn)時(shí)首先根據(jù)試驗(yàn)件的需要在工控機(jī)上設(shè)定高壓壓氣機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的下限值/上限值、高/低壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速上限值/超轉(zhuǎn)保護(hù)值。只有高壓壓氣機(jī)給定啟動(dòng)轉(zhuǎn)速初值在啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的下限值及上限值之間，且高/低壓潤(rùn)滑泵、變頻電機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備工作正常后才能啟動(dòng)變頻器；變頻器工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)速給定控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備狀態(tài)和高/低變頻器、高/低變頻電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。如果系統(tǒng)正常，則把高壓轉(zhuǎn)子編碼器的給定值、高壓壓氣機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下限值/轉(zhuǎn)速上限值通過(guò)比較確定高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，再換算成高壓轉(zhuǎn)子變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值傳輸給高壓轉(zhuǎn)子變頻器，低壓轉(zhuǎn)子變頻器轉(zhuǎn)速按擬合曲線(xiàn)自動(dòng)給定。如果高壓壓氣機(jī)或低壓壓氣機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速＞相應(yīng)的超轉(zhuǎn)保護(hù)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速給定控制單元控制變頻器停止。如系統(tǒng)不正常則按照操作員指令動(dòng)作。

7　轉(zhuǎn)速給定控制單元人機(jī)界面設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速給定控制單元人機(jī)界面共設(shè)計(jì)了4個(gè)畫(huà)面，分別為起始畫(huà)面和高壓壓氣機(jī)、低壓壓氣機(jī)、雙轉(zhuǎn)子匹配試驗(yàn)操控畫(huà)面。在起始畫(huà)面中根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目選擇對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)操控畫(huà)面，畫(huà)面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明直觀(guān)。高壓壓氣機(jī)與低壓壓氣機(jī)試驗(yàn)操控畫(huà)面內(nèi)容基本相似，雙轉(zhuǎn)子匹配試驗(yàn)操控畫(huà)面基本上集成了高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)試驗(yàn)操控畫(huà)面的功能，再增加函數(shù)系數(shù)給定窗口、“轉(zhuǎn)速微調(diào)”按鈕等功能。高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)操控畫(huà)面如圖4。

圖4　高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)操控畫(huà)面

8　結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)速數(shù)字給定方法已在單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器上成功應(yīng)用，雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速數(shù)字給定方法已通過(guò)模擬運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用表明，該方法設(shè)計(jì)合計(jì)，運(yùn)行效果好，只要合理設(shè)計(jì)好擬合曲線(xiàn)函數(shù)系數(shù)，可以高、低壓轉(zhuǎn)子匹配運(yùn)行良好，基本上不需要再做微調(diào)。采用多圈旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速數(shù)字給定，響應(yīng)速度快，給定精度高，提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度，動(dòng)態(tài)性能好，控制可靠。人機(jī)界面設(shè)計(jì)合理，操控性好。

［1］西門(mén)子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)《SIMATIC WinCC速成手冊(cè)》2000

［2］廖常初.PLC編程及應(yīng)用 .北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2009

［3］柴瑞娟，陳海霞. 西門(mén)子PLC 編程技術(shù)及工程應(yīng)用.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2006

Research of the Speed Digital Given Method Based on Double Rotor Compressor Tester

He Ping，Yang Zhou，Liu Shihe
（China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou Hunan，China，412002）

In order to satisfy separate and double-joint trials for double rotor compressor’s high and low pressure rotor， we design a double rotor speed digital given method which based on the field bus Profibus-DP， this method considers Siemens S7-300 PLC as the core，field bus Profibus-DP as the main body and Siemens WinCC for visualization monitoring software，adopting multi turn absolute value rotary encoder digital given speed，it better realized the functions of single rotor speed given control and double rotor speed matching given control.

double rotor compressor tester；speed digital given；matching control；the encoder