風(fēng)洞風(fēng)速控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王茼旦 吳雙金

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

圖1：控制系統(tǒng)總體框圖

圖2：控制系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)洞作為一種大型的試驗(yàn)設(shè)備，在開展直升機(jī)和飛機(jī)等飛行器模型空氣動力學(xué)方面的試驗(yàn)和研究方面，有著不可替代的作用。風(fēng)洞主要用來對直升機(jī)縮比模型或者某個部件（如旋翼系統(tǒng)、機(jī)身）進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，研究試驗(yàn)件的振動、載荷響應(yīng)和空氣動力學(xué)特性。風(fēng)洞作為一種高準(zhǔn)確度的試驗(yàn)設(shè)備，對試驗(yàn)段的風(fēng)速有著調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)速度快等嚴(yán)格的控制要求，風(fēng)速控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)能夠保證試驗(yàn)段流場控制的穩(wěn)定性，提高控制精度。

1 風(fēng)速控制系統(tǒng)的基本要求

1.1 調(diào)速原理

交流電機(jī)工作轉(zhuǎn)速關(guān)系

式中：n 電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；

f 電機(jī)頻率，單位Hz；

p 電機(jī)磁極個數(shù)；

s 轉(zhuǎn)差率。

從上式可知，改變f、p 和s 中的任何一個參數(shù)都可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，達(dá)到對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的目的。因此，改變電動機(jī)供電電源的頻率，即可實(shí)現(xiàn)對其轉(zhuǎn)速的控制，而變頻器可完美的實(shí)現(xiàn)該功能。

1.2 基本要求

圖3：風(fēng)速控制軟件界面

圖4：狀態(tài)顯示界面

圖5：風(fēng)速全歷程數(shù)據(jù)曲線

圖6：38m/s 風(fēng)速數(shù)據(jù)曲線

圖7：38m/s 風(fēng)速對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)曲線

（1）風(fēng)速（電機(jī)轉(zhuǎn)速）連續(xù)可調(diào)；

（2）風(fēng)速穩(wěn)定精度≤0.5%；

（3）變頻器效率≥96%；

（4）軟件模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，功能實(shí)用；

（5）系統(tǒng)安全、可靠，操作使用方便。

2 系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

2.1 硬件設(shè)計

該風(fēng)洞風(fēng)速控制系統(tǒng)以變頻器和風(fēng)扇電機(jī)為核心，同時包括電源、冷卻系統(tǒng)、軸承潤滑等輔助系統(tǒng)。采用西門子S7-300PLC 為主控機(jī)、工控機(jī)（IPC）為上位機(jī)，工控機(jī)與PLC 之間采用MPI 通訊方式，變頻器與PLC 之間采用PROFIBUS-DP 通訊方式以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速控制、控制參數(shù)給定、實(shí)時狀態(tài)顯示及控制數(shù)據(jù)存儲等數(shù)據(jù)交換和控制功能，完成各子系統(tǒng)運(yùn)行控制、狀態(tài)監(jiān)測與安全聯(lián)鎖。風(fēng)洞風(fēng)速控制系統(tǒng)的硬件總體框圖見圖1。

變頻器主要技術(shù)參數(shù)：

· 輸入電壓：10.0KV；

· 輸出電壓：6kv；

· 額定電流：660A；

· 功率因數(shù)為0.95；

· 輸出頻率0 ～120HZ；

· 靜態(tài)轉(zhuǎn)速控制精度：±0.1%；

· 頻率分辨率：0.01Hz；

電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

· 額定功率：5500kW；

· 額定電流：644.9A；

· 額定電壓：6000V；

· 功率因數(shù)：0.855；

· 效率：95.99%。

該系統(tǒng)上位機(jī)采用工控機(jī)，運(yùn)行于Windows XP 操作系統(tǒng)平臺，包括PROFIBUS 總線通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

2.2 軟件設(shè)計

風(fēng)速控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為VB.NET。系統(tǒng)初始化參數(shù)保存在配置文件中，系統(tǒng)啟動時自動讀入，與上次運(yùn)行初始化參數(shù)一致，主要包括傳感器系數(shù)、速壓傳感器零點(diǎn)值和風(fēng)速修正系數(shù)等重要參數(shù)。系統(tǒng)軟件由穩(wěn)風(fēng)速控制、冷卻系統(tǒng)控制、潤滑系統(tǒng)控制、電機(jī)和軸承溫度監(jiān)測、故障報警監(jiān)測、傳感器配置、數(shù)據(jù)存盤等功能模塊組成，控制系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

本系統(tǒng)以風(fēng)速控制為主界面，通過命令按鈕，能夠進(jìn)入狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測和參數(shù)設(shè)置界面，風(fēng)速控制軟件界面見圖3。

風(fēng)速控制界面包括系統(tǒng)狀態(tài)指示、輔助系統(tǒng)控制，包括油泵、水泵和冷卻風(fēng)機(jī)的啟/停控制、變頻調(diào)速裝置控制，電機(jī)電流表電壓電機(jī)和軸承溫度等主要參數(shù)顯示，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線顯示和狀態(tài)參數(shù)的指示顯示。狀態(tài)顯示界面顯示所有系統(tǒng)狀態(tài)信號，報告故障、報警和運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)顯示界面見圖4。參數(shù)設(shè)置界面包括風(fēng)速修正系數(shù)、傳感器系數(shù)、傳感器零點(diǎn)設(shè)置等，輸入傳感器標(biāo)定系數(shù)計算工程量，所有參數(shù)能夠恢復(fù)成默認(rèn)值。

2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用

以某型號雷達(dá)天線吹風(fēng)試驗(yàn)為例，進(jìn)行風(fēng)速從20m/s 增加到50m/s、步長3 m/s、每個風(fēng)速狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行40s 的吹風(fēng)試驗(yàn)。風(fēng)速全歷程數(shù)據(jù)曲線圖見圖5 所示。38 m/s 狀態(tài)的風(fēng)速數(shù)據(jù)曲線及其波動情況見圖6 所示。

試驗(yàn)時給定相應(yīng)狀態(tài)風(fēng)速值，經(jīng)軟件轉(zhuǎn)換得到電機(jī)轉(zhuǎn)速值，38 m/s 風(fēng)速狀態(tài)對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)曲線及其波動情況見圖7 所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后其變化在0.6rpm 以內(nèi)，風(fēng)速波動在0.1m/s 左右，控制精度達(dá)到0.3%，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)平穩(wěn)，滿足技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)要求。

3 結(jié)束語

風(fēng)洞風(fēng)速控制系統(tǒng)經(jīng)過了實(shí)際吹風(fēng)試驗(yàn)中的驗(yàn)證及應(yīng)用，該系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、試驗(yàn)中未出現(xiàn)故障。同時試驗(yàn)過程只需一名試驗(yàn)人員操作上位機(jī)軟件即可控制風(fēng)速，操作簡單，也減少了人力成本。該系統(tǒng)風(fēng)速控制穩(wěn)定、精度高，在飛行器縮比模型空氣動力學(xué)試驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用。