某風(fēng)洞全柔壁噴管安全運(yùn)行控制策略設(shè)計(jì)

馬列波， 陳海峰， 高 鵬， 閻 成， 王 亮， 徐鳴陽(yáng)

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽(yáng) 621000)

柔壁噴管是風(fēng)洞中保證試驗(yàn)段獲得設(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)芰?，風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)異，是一座世界一流的先進(jìn)風(fēng)洞。風(fēng)洞采用全柔壁噴管結(jié)構(gòu)形式，具備寬?cǎi)R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(jī)構(gòu)采用多支點(diǎn)全柔性板，柔板機(jī)構(gòu)分別置于上、下梁上。噴管上下型面通過(guò)上下執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)置，液壓油缸驅(qū)動(dòng)完成馬赫數(shù)型面成型。柔壁噴管是保證風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)和試驗(yàn)質(zhì)量的關(guān)鍵裝備。柔壁噴管在試驗(yàn)過(guò)程中頻繁運(yùn)行，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣和液壓等多個(gè)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(yàn)質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成風(fēng)洞長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)。因此，在進(jìn)行柔壁控制系統(tǒng)研制時(shí)，需根據(jù)其運(yùn)行過(guò)程特點(diǎn)，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(yùn)行控制策略，確保柔壁運(yùn)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(diǎn)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(jī)構(gòu)及框架組成。噴管上下柔板分別由18 套執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)柔壁噴管控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制，每套執(zhí)行機(jī)構(gòu)又由定位裝置和油缸組成。其中，定位裝置由左右對(duì)稱的兩套蝸輪蝸桿、滾動(dòng)絲杠和定位螺母構(gòu)成，通過(guò)硬連桿實(shí)現(xiàn)左右傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行[2]。當(dāng)定位裝置完成定位后，由油缸驅(qū)動(dòng)柔板向噴管軸線方向做變型運(yùn)動(dòng)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(shí)，一副柔壁噴管型面即成型到位。風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)過(guò)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(cè)控技術(shù)[3-6]，主要由遠(yuǎn)程柔壁型面控制上位計(jì)算機(jī)和本地上/下壁型面控制(PLC)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，通過(guò)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(cè)系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互通信。

柔壁噴管控制系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程或本地控制伺服電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制定位螺母位置，再通過(guò)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(yùn)行控制策略設(shè)計(jì)

每次風(fēng)洞試驗(yàn)前，柔壁噴管都必須進(jìn)行型面定位和柔板低壓成型操作，試驗(yàn)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(yàn)流場(chǎng)品質(zhì)，其在運(yùn)行中出現(xiàn)任何差錯(cuò)都將嚴(yán)重影響試驗(yàn)質(zhì)量和進(jìn)度。為此，根據(jù)柔壁噴管的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)柔壁噴管的安全運(yùn)行控制策略進(jìn)行了細(xì)致設(shè)計(jì)。

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(jī)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(wú)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(yuǎn)程和本地控制兩種方式，型面參數(shù)同時(shí)存儲(chǔ)在柔壁噴管控制系統(tǒng)的上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器中，試驗(yàn)中采用遠(yuǎn)程控制方式，洞體條件準(zhǔn)備或維修時(shí)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(jì)了兩種一致性檢查觸發(fā)方式：一是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的柔壁噴管控制機(jī)柜旋鈕撥到遠(yuǎn)程狀態(tài)且與上位機(jī)通信正常時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)一致性檢查；二是在上位機(jī)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(cè)中，以上位機(jī)中存儲(chǔ)的型面目標(biāo)值為基準(zhǔn)對(duì)PLC中存儲(chǔ)的所有型面目標(biāo)值進(jìn)行檢查。如果存在不一致時(shí)上位機(jī)程序會(huì)報(bào)警，并將不一致信息在上位機(jī)界面中進(jìn)行顯示。

3.2 定位螺母安全運(yùn)行控制策略

定位螺母位置控制是整個(gè)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(chǎng)品質(zhì)[7-11]。柔壁噴管控制系統(tǒng)通過(guò)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位螺母位置控制，各電機(jī)自帶編碼器實(shí)現(xiàn)速度反饋、安裝外置位移編碼器實(shí)現(xiàn)位置反饋。電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)定位螺母準(zhǔn)確定位。為了保證定位螺母運(yùn)行過(guò)程的安全可靠，對(duì)定位螺母運(yùn)行控制策略進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)。

3.2.1 同步偏差監(jiān)測(cè)

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，在2個(gè)絲杠杠桿頂端各安裝一個(gè)位移編碼器，其中電機(jī)側(cè)的位移編碼器用于實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，是副編碼器。

每套執(zhí)行機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的定位螺母在運(yùn)行過(guò)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(chǎng)也會(huì)因?yàn)槿岚逅蕉炔贿_(dá)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(shí)時(shí)采集執(zhí)行機(jī)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(shí)時(shí)進(jìn)行左右定位螺母位置比對(duì)，一旦位置差量大于設(shè)定閾值Δs，立即彈出報(bào)警提示框，并同時(shí)停止該執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)行。

3.2.2 定位螺母運(yùn)行方向判斷

伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向在系統(tǒng)研制過(guò)程中已設(shè)置完畢，但考慮到使用過(guò)程中可能存在誤操作更改伺服驅(qū)動(dòng)器已有設(shè)置，從而導(dǎo)致定位螺母運(yùn)行方向錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)定位螺母會(huì)從絲杠脫落，由于結(jié)構(gòu)空間限制，維修時(shí)間長(zhǎng)，將嚴(yán)重延誤試驗(yàn)進(jìn)度。

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

定位螺母運(yùn)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(shí)時(shí)判斷電機(jī)運(yùn)行方向，若判斷電機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向與設(shè)定方向不一致，則彈出報(bào)警提示框，并同時(shí)停止該執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)行。

3.2.3 運(yùn)行超時(shí)報(bào)警

定位螺母運(yùn)行前，PLC控制程序根據(jù)定位螺母運(yùn)行速度和行程計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間，加上一定的補(bǔ)償時(shí)間自動(dòng)設(shè)置好運(yùn)行時(shí)間閾值sti。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間ti超過(guò)時(shí)間閾值sti時(shí)會(huì)停止電機(jī)運(yùn)行并彈出報(bào)警提示框。

3.2.4 運(yùn)行軟限位監(jiān)測(cè)

為防止定位螺母運(yùn)行超過(guò)絲杠極限發(fā)生螺母脫落或卡死情況，每個(gè)執(zhí)行機(jī)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(shí)采集編碼器反饋值EMi，實(shí)時(shí)與限位值對(duì)比，一旦超限立即停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并彈出報(bào)警提示框。

3.2.5 轉(zhuǎn)矩超限監(jiān)測(cè)

為了避免電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)載和損壞問題[12]，設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制值，將伺服驅(qū)動(dòng)器警報(bào)信號(hào)接入PLC的DI模塊。伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩值超出限制值時(shí)，PLC立即接收到警報(bào)信號(hào)，通過(guò)控制程序終止該點(diǎn)位伺服電機(jī)運(yùn)行并彈出報(bào)警提示框。

3.3 柔板成型安全運(yùn)行控制策略

3.3.1 油壓超閾值監(jiān)測(cè)

柔板成型和高壓鎖緊是由油缸驅(qū)動(dòng)完成的。為確保柔板安全，柔板成型過(guò)程中油壓設(shè)有低壓壓力上限閾值，高壓鎖緊過(guò)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(dú)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(wú)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(guò)程中，設(shè)置油壓上限保護(hù)，若進(jìn)油(無(wú)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(yùn)行。柔板在高壓鎖緊過(guò)程中，對(duì)油壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，當(dāng)油壓高于上限閾值或低于下限閾值時(shí)，將觸發(fā)報(bào)警，并將該報(bào)警信號(hào)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(jì)

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(gè)功能，在控制過(guò)程中，為防止錯(cuò)誤操作引起柔板損壞，在功能實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了聯(lián)鎖設(shè)計(jì)。當(dāng)油源油壓為低壓狀態(tài)時(shí)，才能進(jìn)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(shí)，才能進(jìn)行高壓鎖緊操作；當(dāng)柔板處于零位就緒狀態(tài)時(shí)，才能進(jìn)行定位螺母運(yùn)行控制，更換定位螺母型面。

3.3.3 應(yīng)變超閾值監(jiān)測(cè)

風(fēng)洞柔壁噴管型面是上下柔性壁板分別由18個(gè)支撐油缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生型變形成的，為滿足寬?cǎi)R赫數(shù)試驗(yàn)范圍，柔板型變量大，如圖3所示。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)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(duì)柔板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。根據(jù)柔板型變量和結(jié)構(gòu)分析，在上下柔板分別對(duì)稱安裝了18個(gè)應(yīng)變計(jì)和智能應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備。應(yīng)變計(jì)具體部署部分位置如圖4所示。智能應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變?cè)诰€實(shí)時(shí)采集、處理與分析，其與柔壁噴管控制系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。一旦應(yīng)變值超過(guò)應(yīng)變安全閾值，應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備將自動(dòng)向柔壁噴管控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出報(bào)警信息。柔壁噴管控制系統(tǒng)PLC接收到報(bào)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(jì)具體部署部分位置示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為上位機(jī)運(yùn)行軟件和在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的PLC控制軟件。上位機(jī)軟件采用NI LabVIEW 2015開發(fā)， 具備運(yùn)行狀態(tài)顯示、型面參數(shù)管理、定位螺母聯(lián)動(dòng)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(tái)，使用結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言進(jìn)行程序開發(fā)，具備運(yùn)行狀態(tài)顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)控制、單動(dòng)控制、應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(jī)軟件界面圖

圖6 PLC控制軟件界面圖

5 控制策略驗(yàn)證測(cè)試

為了保證控制策略能夠按照設(shè)計(jì)運(yùn)行，專門對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。

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

圖7 型面參數(shù)一致性檢查結(jié)果圖

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

圖8 上位機(jī)顯示界面報(bào)警信息

③ 柔板成型安全運(yùn)行控制策略測(cè)試。在柔壁分別進(jìn)行低壓成型、回零過(guò)程中，將油壓低壓上限值設(shè)置為一個(gè)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(jī)構(gòu)油缸停止運(yùn)行。將應(yīng)變報(bào)警值設(shè)置一個(gè)小值，在柔壁成型過(guò)程中，柔板實(shí)際應(yīng)變值超過(guò)設(shè)定限值時(shí)，應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警信息，如圖9所示。柔壁噴管控制系統(tǒng)立即停止油缸運(yùn)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(bào)警信號(hào)。在不同工況下對(duì)成型、回零、高壓鎖緊等功能進(jìn)行誤操作測(cè)試，程序均無(wú)響應(yīng)，表明功能聯(lián)鎖設(shè)計(jì)測(cè)試正常。

圖9 應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警界面

6 結(jié)束語(yǔ)

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

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