0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

褚衛(wèi)華，林辰龍，謝明偉

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所，四川綿陽(yáng) 621000）

0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

褚衛(wèi)華，林辰龍，謝明偉

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所，四川綿陽(yáng) 621000）

針對(duì)0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、試驗(yàn)部段定位和同步控制精度要求高、運(yùn)行方式多樣和運(yùn)行安全要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，研究了0.6 m暫沖式風(fēng)洞控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想、主要部段多軸聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方案與控制策略、風(fēng)洞運(yùn)行安全聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)方式，保證了0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)效率、控制精度和運(yùn)行安全，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對(duì)各類暫沖風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體重要借鑒意義。

風(fēng)洞；流場(chǎng)；總壓；控制策略

0 引言

0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞是一種引射下吹式暫沖型三音速增壓風(fēng)洞，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)見圖1，具體構(gòu)成包括氣源、主進(jìn)氣管路（包括主管路快速閥、主管路調(diào)壓閥、旁路快速閥、旁路調(diào)壓閥）、大開角段、穩(wěn)定段、收縮段、撓性壁噴管段、試驗(yàn)段、超擴(kuò)段、過(guò)渡補(bǔ)償段、引射器管路（包括引射器快速閥、引射器調(diào)壓閥）、亞擴(kuò)段、排氣消聲段。0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞控制存在以下特點(diǎn)：

風(fēng)洞工作模式多且控制時(shí)序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜，0.6 m暫沖風(fēng)洞包括超聲速試驗(yàn)和跨聲速試驗(yàn)兩種類型，而超聲速試驗(yàn)又包括下吹式、增壓式、引射啟動(dòng)下吹式、下吹引射式運(yùn)行方式，為了減少關(guān)車對(duì)風(fēng)洞造成的沖擊，不同試驗(yàn)條件又采用了不同的關(guān)車方式。

風(fēng)洞控制對(duì)象多而復(fù)雜風(fēng)洞控制對(duì)象主要包括流場(chǎng)控制和風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，特別是試驗(yàn)過(guò)程中控制系統(tǒng)需要控制主進(jìn)氣管路閥門、引射器進(jìn)氣管路閥門、迎角機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)和柵指段同步工作，并不斷監(jiān)測(cè)各子系統(tǒng)工作狀態(tài)完成試驗(yàn)任務(wù)，這要求整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)時(shí)性高且有高度安全性。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)大多為多軸聯(lián)動(dòng)，需要高精度同步控制。

安全聯(lián)鎖內(nèi)容復(fù)雜0.6 m暫沖風(fēng)洞安全聯(lián)鎖包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)極限位置安全聯(lián)鎖、試驗(yàn)超壓安全聯(lián)鎖、設(shè)備故障狀態(tài)安全聯(lián)鎖、運(yùn)行時(shí)序安全聯(lián)鎖等內(nèi)容，并且在任何情況下都要求迎角回零關(guān)車，關(guān)車系統(tǒng)要求多重冗余設(shè)計(jì)。

圖10 .6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)總圖

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與總線配置

0.6 m暫沖跨超聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)按照總體功能設(shè)計(jì)成上位監(jiān)控部分、現(xiàn)場(chǎng)核心控制部分、安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控部分和風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制部分。

上位監(jiān)控部分包括上位試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)、上位風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、上位數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、上位數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。上位試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)主要完成風(fēng)洞試驗(yàn)控制參數(shù)下傳，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)開始、試驗(yàn)停止等指令下達(dá)，并實(shí)時(shí)顯示與試驗(yàn)相關(guān)的壓力、位置等相關(guān)狀態(tài)信息；上位風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控計(jì)算機(jī)是常規(guī)超聲速試驗(yàn)段擴(kuò)開角、超擴(kuò)段擴(kuò)開角、充氣密封、快速連接遠(yuǎn)程控制界面，實(shí)時(shí)顯示這些設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，并在異常情況下顯示報(bào)警信息。

現(xiàn)場(chǎng)核心控制部分統(tǒng)主要功能是控制在試驗(yàn)過(guò)程中與流場(chǎng)控制和模型姿態(tài)控制相關(guān)的閥門和運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中總壓、引射器集氣室壓力等高精度控制，按照控制時(shí)序要求完成迎角機(jī)構(gòu)和柵指精確定位。為了保證流場(chǎng)控制實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)選用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的PXI RT實(shí)時(shí)嵌入式控制器。

安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控部分主要監(jiān)測(cè)風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)備和運(yùn)行階段控制設(shè)備狀態(tài)和熱力參數(shù)，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，并確保試驗(yàn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)核心控制部分出現(xiàn)故障情況下，能夠安全關(guān)車。為了保證安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性，安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控控制器選用德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7－300系列可編程控制器。

風(fēng)洞運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制部分根據(jù)控制對(duì)象的復(fù)雜性選擇的驅(qū)動(dòng)與控制器不同，迎角機(jī)構(gòu)和柵指段驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用自帶運(yùn)動(dòng)控制功能的德國(guó)倫茨驅(qū)動(dòng)器，非試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括常超擴(kuò)段擴(kuò)開角等驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、頂升系統(tǒng)、拉緊機(jī)構(gòu)選用日本三菱控制與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，撓性噴管型面驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要48軸的運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)，選用了德國(guó)西門子控制與驅(qū)動(dòng)SIMOTION D產(chǎn)品。

在總線配置方面，0.6 m暫沖跨超聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)化的開放式集散系統(tǒng)，功能分散，指揮集中，風(fēng)洞控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置見圖2。上位試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)、上位風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、上位數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、上位數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC系統(tǒng)、PXI測(cè)量系統(tǒng)、撓性壁噴管段型面控制系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)與試驗(yàn)段迎角機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、柵指段控制系統(tǒng)之間選擇CAN通訊方式。安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC系統(tǒng)和拉緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、充氣密封控制系統(tǒng)之間選擇工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。

圖20 .6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

2 主要控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式和控制策略

2.1 撓性壁噴管段控制

0.6 m暫沖跨超聲速風(fēng)洞采用的是多支點(diǎn)全撓性噴管，左右側(cè)壁板平行，上下柔板對(duì)稱布置。在柔板的背氣流面上布置許多鉸鏈支撐點(diǎn)并與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程來(lái)控制柔板的彎曲形狀使之與噴管理論氣動(dòng)型面相吻合，以得到不同試驗(yàn)馬赫數(shù)的噴管型面，噴管段型面壁結(jié)構(gòu)見圖3。0.6 m暫沖風(fēng)洞噴管型面預(yù)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括14組電動(dòng)缸和3組螺旋升降機(jī)，各套執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步伺服電機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)缸上安裝1個(gè)磁致直線位移傳感器，實(shí)現(xiàn)型面預(yù)置過(guò)程中電動(dòng)缸定位和聯(lián)動(dòng)控制需要。

整個(gè)撓性壁噴管控制系統(tǒng)包括噴管型面控制計(jì)算機(jī)、上壁板型面控制器、下壁板型面控制器、噴管型面控制人機(jī)界面。上位試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)、上位風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、噴管型面控制計(jì)算機(jī)、上壁板型面控制器、下壁板型面控制器、噴管型面控制人機(jī)界面之間通過(guò)以太網(wǎng)通訊，撓性壁噴管段型面控制系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。噴管型面預(yù)置主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

圖3 撓性噴管段結(jié)構(gòu)圖

1）多軸聯(lián)動(dòng)控制試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)馬赫數(shù)要求控制柔壁各支點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照要求運(yùn)動(dòng)關(guān)系協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成噴管型面預(yù)置，并保證成型過(guò)程中機(jī)構(gòu)運(yùn)行安全。

2）安全聯(lián)鎖在噴管型面控制計(jì)算機(jī)上，同時(shí)顯示型面支點(diǎn)位置、壁板應(yīng)變和驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)，異常狀態(tài)下有報(bào)警指示。

由于西門子提供的SIMOTION D系列運(yùn)動(dòng)控制器能夠完成從簡(jiǎn)單速度軸控制到復(fù)雜多軸電子凸輪插補(bǔ)控制，實(shí)現(xiàn)上百根軸高精度同步控制功能，也具備一般PLC邏輯控制，因此上壁板型面和下壁板型面多軸聯(lián)動(dòng)控制選擇了西門子SIMOTION D445－2DP／PN控制器，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)部分選擇了與之配套的西門子S120系統(tǒng)，電機(jī)采用同步伺服電機(jī)，電機(jī)自帶絕對(duì)編碼器。SIMOTION D通過(guò)Profinet總線實(shí)現(xiàn)CU320驅(qū)動(dòng)控制單元擴(kuò)展，電動(dòng)缸安裝的直線位移傳感器用于測(cè)量柔壁各支點(diǎn)位置，在上下壁板成型過(guò)程中，由SIMOTION D445－2DP／PN控制器和各支點(diǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直線位移傳感器組成柔壁成型聯(lián)動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)控制采用根據(jù)當(dāng)前與目標(biāo)型面動(dòng)態(tài)變主軸和凸輪關(guān)系曲線的方法實(shí)現(xiàn)，為了保證各軸聯(lián)動(dòng)位置精度，凸輪曲線主軸每次選擇最長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)作為主軸。

2.2 迎角與柵指機(jī)構(gòu)控制方案

迎角機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)模型迎角α精確定位，檢測(cè)迎角機(jī)構(gòu)上／下限位、迎角驅(qū)動(dòng)器故障、迎角驅(qū)動(dòng)器就緒等信號(hào)，保證在通訊異常狀態(tài)下，通過(guò)緊急回零按鈕能實(shí)現(xiàn)回零關(guān)車。迎角機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)＋減速器＋蝸輪蝸桿副方式驅(qū)動(dòng)彎刀支板運(yùn)動(dòng)，具體見圖5。

由于常規(guī)試驗(yàn)段只控制迎角α定位運(yùn)動(dòng)，考慮到控制系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，迎角控制沒有配置專門的控制器，選擇具有定位和邏輯控制功能的9400系列驅(qū)動(dòng)器，常規(guī)試驗(yàn)段迎角機(jī)構(gòu)控制原理見圖6。迎角系統(tǒng)定位由驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)絕對(duì)編碼器構(gòu)成，迎角位置由電機(jī)編碼器換算得到。PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器控制單元通過(guò)CAN總線連接，上位試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)下達(dá)的定位指令和參數(shù)，通過(guò)以太網(wǎng)下傳到PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)，PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)再將運(yùn)動(dòng)控制指令與參數(shù)通過(guò)CAN總線下達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制單元，同時(shí)，迎角控制部分的狀態(tài)也通過(guò)CAN總線上傳到PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)。迎角上下極限位置開關(guān)接入驅(qū)動(dòng)器數(shù)字輸入口，當(dāng)迎角運(yùn)動(dòng)到極限位置后，電機(jī)停止繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，只能向返回安全位置的方向運(yùn)動(dòng)。迎角上下極限位置具有軟限位保護(hù)，軟極限位置可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置。迎角上下極限位置信號(hào)要上傳到安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)測(cè)PLC、測(cè)控間操作平臺(tái)。

圖4 撓性噴管段控制框圖

圖5 迎角機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，要求柵指段兩個(gè)柵指小車同步運(yùn)動(dòng)，柵指小車控制沒有配置專門的控制器也選擇了具有簡(jiǎn)單定位和邏輯控制功能的倫茨9400驅(qū)動(dòng)器，柵指小車控制原理見圖7。選擇一個(gè)柵指小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制單元作為主控單元，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制單元作為從控單元。當(dāng)選擇柵指單動(dòng)時(shí)，各柵指在各自驅(qū)動(dòng)器控制下進(jìn)行定位，當(dāng)選擇同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，從控制單元在主控單元控制下共同完成定位運(yùn)動(dòng)。

2.3 安全聯(lián)鎖處理方案

為確保0.6 m暫沖跨超聲速風(fēng)洞安全運(yùn)行，系統(tǒng)配置了緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。安全聯(lián)鎖不同于風(fēng)洞核心控制，當(dāng)參數(shù)越限、機(jī)械設(shè)備故障、系統(tǒng)自身故障或能源中斷時(shí)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生一系列預(yù)先定義的動(dòng)作，使得風(fēng)洞設(shè)備與操作人員處于安全狀態(tài)。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循了以下設(shè)計(jì)原則：

獨(dú)立原則：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)與風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)PXI核心控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，并且安全聯(lián)鎖采用的檢測(cè)元件、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)配置，其可靠性、可用性和可維護(hù)性都根據(jù)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)總體要求選擇，重要變送器按三取二配置。

圖6 常規(guī)試驗(yàn)段迎角機(jī)構(gòu)控制原理圖

分級(jí)原則：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)安全級(jí)別高于風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)PXI核心控制系統(tǒng)，正常情況下，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置的安全性。當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行出現(xiàn)緊急情況時(shí)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)直接發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散造成巨大損失。

圖7 柵指段控制圖

故障安全原則：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)具有容錯(cuò)、冗余特性，所有執(zhí)行閥門保證在故障狀態(tài)下處于安全狀態(tài)，快速閥在斷電情況下安全關(guān)閉切段氣路，調(diào)壓閥在斷電情況下鎖控閥切斷油路，調(diào)壓閥停止運(yùn)動(dòng)等。

0.6 m暫沖跨超聲速風(fēng)洞安全聯(lián)鎖包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)極限位置安全聯(lián)鎖、試驗(yàn)超壓安全聯(lián)鎖、設(shè)備故障狀態(tài)安全聯(lián)鎖、運(yùn)行時(shí)序安全聯(lián)鎖等內(nèi)容。

1）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)極限位置安全聯(lián)鎖。主調(diào)壓閥門系統(tǒng)、引射調(diào)壓閥門系統(tǒng)、撓性噴管型面調(diào)節(jié)系統(tǒng)、超擴(kuò)段調(diào)節(jié)系統(tǒng)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都設(shè)置極限位置軟件保護(hù)和極限位置硬件保護(hù)。極限位置值大小為：

軟件極限位置＜硬件極限位置

當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)軟件極限位置后，通過(guò)軟件控制停止機(jī)構(gòu)進(jìn)一步向極限位置方向運(yùn)動(dòng)；硬件極限位置與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器連接，當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)硬件極限位置后，驅(qū)動(dòng)器禁止電機(jī)進(jìn)一步向極限位置運(yùn)動(dòng)。

2）試驗(yàn)過(guò)程安全聯(lián)鎖。在試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)出現(xiàn)異常后有報(bào)警和關(guān)車兩種處理方式。關(guān)車保護(hù)發(fā)生在以下幾種情況：

（1）穩(wěn)定段總壓過(guò)高；

（2）引射器集氣室壓力過(guò)高；

（3）燒結(jié)網(wǎng)格壓降超限。

超壓保護(hù)共分三級(jí)：

（1）PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)軟件保護(hù)；

（2）安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC軟件保護(hù)；

（3）電接點(diǎn)壓力表超限硬關(guān)車保護(hù)。

壓力極限值a）＜b）＜c）。

當(dāng)穩(wěn)定段總壓大于PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)設(shè)置的穩(wěn)定段總壓上限值時(shí)，PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)按照預(yù)先要求的關(guān)車時(shí)序安全關(guān)車；當(dāng)穩(wěn)定段總壓大于安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC設(shè)置的穩(wěn)定段總壓上限值時(shí)，安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC將風(fēng)洞運(yùn)行控制權(quán)限切換過(guò)來(lái)，安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC按照預(yù)先要求的關(guān)車時(shí)序安全關(guān)車；當(dāng)穩(wěn)定段總壓大于電接點(diǎn)壓力表設(shè)定極限值時(shí)，直接關(guān)閉主調(diào)壓和引射調(diào)壓管路的快速閥。

引射器集氣室壓力過(guò)高、燒結(jié)網(wǎng)格壓降超限安全聯(lián)鎖保護(hù)過(guò)程與穩(wěn)定段總壓保護(hù)方式一致。

3）試驗(yàn)過(guò)程中重要設(shè)備故障狀態(tài)安全聯(lián)鎖。在試驗(yàn)過(guò)程中，如果主調(diào)壓閥驅(qū)動(dòng)器、旁路調(diào)壓閥驅(qū)動(dòng)器、引射調(diào)壓閥驅(qū)動(dòng)器、迎角電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、柵指驅(qū)動(dòng)器、PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)則由PXI系統(tǒng)執(zhí)行安全關(guān)車；如果安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC系統(tǒng)、撓性噴管系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)，則報(bào)警并請(qǐng)求關(guān)車，是否執(zhí)行關(guān)車由操作人員決定。

4）運(yùn)行時(shí)序安全聯(lián)鎖。在試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)車方式有安全關(guān)車和緊急關(guān)車3種方式：

安全關(guān)車：必須在迎角回零的情況下，按照關(guān)車時(shí)序要求由PXI系統(tǒng)關(guān)車，安全關(guān)車指令由兩種下達(dá)方式：

（1）通過(guò)上位試驗(yàn)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)下達(dá)；

（2）直接按下測(cè)控間操作平臺(tái)上的緊急回零按鈕。

PLC關(guān)車：在PXI現(xiàn)場(chǎng)核心控制系統(tǒng)無(wú)法完成關(guān)車，由安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控PLC按關(guān)車要求完成關(guān)車。

緊急關(guān)車：直接斷電，關(guān)閉主調(diào)壓和引射調(diào)壓管路的快速閥。

2.4 智能與串級(jí)控制相結(jié)合的總壓控制策略

對(duì)于穩(wěn)定段總壓控制，受控變量是穩(wěn)定段總壓，操縱變量是主調(diào)壓閥開度，由于穩(wěn)定段容積大，檢測(cè)與控制點(diǎn)之間有一定距離，總壓控制存在滯后現(xiàn)象，為了改善控制特性，0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞總壓需要采用PID串級(jí)控制［1］。

串級(jí)控制一般有兩個(gè)控制環(huán)串接而成，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，兩個(gè)控制器有各自獨(dú)立的測(cè)量輸入，串級(jí)控制原理圖見圖8，傳遞函數(shù)是：

圖8 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖

和單控制環(huán)相比串級(jí)控制具有如下特性：

1）由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減小了振蕩周期，縮短了調(diào)解時(shí)間，提高了系統(tǒng)快速性。

2）在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對(duì)作用于主對(duì)象上的干擾也能加速克服過(guò)程。

3）由于增加了副回路，使串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場(chǎng)合。

0.6 m暫沖跨超聲速風(fēng)洞總壓串級(jí)控制原理見圖9，控制算法有兩個(gè)回路組成，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)總壓控制，副回路是主調(diào)壓閥位置控制，由于副回路具有較小的純滯后和時(shí)間常數(shù)，副回路需要采用快速的響應(yīng)比例調(diào)解器。主調(diào)壓閥調(diào)解器的任務(wù)是保證穩(wěn)定段總壓穩(wěn)定并滿足精度要求，主回路總壓控制采用智能PID控制，在風(fēng)洞流場(chǎng)控制過(guò)程中，根據(jù)風(fēng)洞目標(biāo)馬赫數(shù)、目標(biāo)總壓不同，以及在不同誤差范圍內(nèi)控制規(guī)律的變化，以智能的方式調(diào)節(jié)PID參數(shù)［2-6］。

圖9 總壓串級(jí)控制構(gòu)成框圖

3 結(jié)論

0.6 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞是一種功能齊全、試驗(yàn)運(yùn)行具有代表性的一座暫沖性風(fēng)洞，整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

風(fēng)洞流場(chǎng)核心控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一個(gè)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、有效的整體。風(fēng)洞流場(chǎng)核心控制系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)控制單元相互冗余，關(guān)鍵狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相互獨(dú)立，風(fēng)洞運(yùn)行中在任何異常狀態(tài)下都能安全關(guān)車；風(fēng)洞流場(chǎng)核心控制系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)同步。

現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)綜合網(wǎng)絡(luò)配置既保證了試驗(yàn)實(shí)時(shí)性又保證了監(jiān)測(cè)的有效性整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)基于現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)化的開放式集散系統(tǒng)。

撓性噴管多軸聯(lián)動(dòng)采用虛主軸從軸變凸輪曲線的方法，并結(jié)合動(dòng)態(tài)變主虛軸的方式保證多軸運(yùn)動(dòng)控制的協(xié)調(diào)性和運(yùn)動(dòng)定位的精確性。對(duì)于迎角、柵指、超擴(kuò)段等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用帶運(yùn)動(dòng)功能驅(qū)動(dòng)器直接控制方式，保證控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

總壓控制策略采用串級(jí)與智能能控制相結(jié)合的方式解決了暫沖風(fēng)洞控制閥門與檢測(cè)點(diǎn)距離遠(yuǎn)造成的控制之后問(wèn)題。

總之，0.6 m超聲速風(fēng)洞是在總結(jié)現(xiàn)有暫沖風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，確保了暫沖風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定高效、精準(zhǔn)可靠、性能卓越，對(duì)以后暫沖風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

［1］褚衛(wèi)華，湯更生，王 帆.2 m×2 m超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)控制策略研究與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2012，26（5）：98-102.

［2］周海濤，周建華，杭小宇.基于自適應(yīng)模糊PID控制方法的研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014，28（3）：139-141.

［3］張 奎，雷 勇.無(wú)刷直流電機(jī)智能PID控制系統(tǒng)建模與仿真［J］.測(cè)控技術(shù)，2015，34（4）：81-84.

［4］劉金錕.高級(jí)PID控制與MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［5］俞金壽.過(guò)程控制系統(tǒng)和應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［6］劉金錕.智能控制［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Design and Realization of Control System for 0.6 m Intermittent Transonic and Supersonic Wind Tunnel

Chu Weihua，Lin Chenlong，Xie Mingwei

（Facility Design and Instrumentation Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China）

In the 0.6 m intermittent transonic and supersonic wind tunnel，the composition of structure was complex，high location accuracy and high synchronization accuracy were required，the running mode was various and the strictly operation safety was required.To meet the requirements above，the overall design idea，multi－axis control scheme and control strategy，and the implementation of safety interlock were researched.The operation safety，efficiency and accuracy of the 0.6 m intermittent transonic and supersonic wind tunnel were guaranteed.Furthermore，the design idea of control system is significantly to the control system design of all kinds of intermittent wind tunnel.

wind tunnel；flow field；total pressure；control strategy

1671-4598（2016）08-0069-05

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.019

：V235.21＋3

：A

2016-02-26；

：2016-03-23。

褚衛(wèi)華（1968-），男，山西翼城人，研究員，主要從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。