全方程熱流控制方法的PLC程序設(shè)計

[摘" " 要]介紹全方程熱流控制的基本流程和程序塊各FB子程序的功能，重點說明“控制載荷譜塊”數(shù)據(jù)塊的建立。循環(huán)中斷組織塊中的各FB子程序通過“計數(shù)器”串聯(lián)在一起，保證程序按控制要求正確可靠執(zhí)行，為類似編程提供一種解決方案。

[關(guān)鍵詞]全方程熱流控制;循環(huán)中斷組織塊;PLC程序

[中圖分類號]V416 [文獻標(biāo)志碼]A

目前，國內(nèi)結(jié)構(gòu)熱試驗控制方法多采用溫度控制或熱流密度控制。這兩種方法的共同點是需要預(yù)先給定溫度或熱流密度的時序命令曲線。溫度或熱流密度時序命令曲線通常是根據(jù)結(jié)構(gòu)件簡單的一維熱分析模型計算得到的，無法將氣動加熱與結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)的耦合效應(yīng)考慮進去。此外，由于缺乏某些材料的高溫?zé)嵛镄詤?shù)，使計算得到的溫度或熱流密度時序命令與結(jié)構(gòu)件所承受的真實熱載荷相比有較大的誤差。根據(jù)不斷提高的試驗任務(wù)要求，發(fā)展出一套模擬精度更高的結(jié)構(gòu)熱試驗控制方法勢在必行，以此滿足不斷發(fā)展的結(jié)構(gòu)熱試驗要求。

1 全方程熱流控制流程

考慮到傳統(tǒng)熱試驗控制方法的不足，發(fā)展出新的結(jié)構(gòu)熱試驗控制方法-全方程熱流控制方法。其控制流程：將當(dāng)前時刻結(jié)構(gòu)表面溫度實時測量值、飛行器軌道參數(shù)、相關(guān)的空氣動力學(xué)參數(shù)及熱損失項等輸入控制計算機;代入全方程熱流控制方程，計算出需施加給試驗件的熱流;將計算得到的熱流值作為下一時刻的控制載荷命令值，與當(dāng)前時刻熱流密度反饋值進行比較;根據(jù)二者之差產(chǎn)生的誤差信號，調(diào)整電功率調(diào)節(jié)裝置的輸出電壓，進而實現(xiàn)全方程熱流控制。該控制方法真正體現(xiàn)空氣動力加熱與結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)的實時耦合效應(yīng)，可計及材料的高溫?zé)嵛镄詤?shù)隨溫度的變化，更加準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)熱載荷環(huán)境，提高試驗準(zhǔn)確性，彌補了傳統(tǒng)控制方法的不足，適用于溫度和熱流曲線無法準(zhǔn)確給定的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

2 程序結(jié)構(gòu)

本文以西門子S7-1500CPU為控制器，以TIA Portal V14作為編程和控制軟件，開發(fā)出穩(wěn)定可靠的全方程熱流控制程序。程序是基于PLC的SCL編程語言進行結(jié)構(gòu)化文本編程，包括主程序組織塊和循環(huán)中斷組織塊，其中主程序組織塊包含模擬量輸入塊、熱損失譜生成塊、控制載荷譜生成塊。循環(huán)中斷組織塊的循環(huán)掃描周期設(shè)為10ms，它是本次全方程控制的核心組織塊，包含熱損失斜率計算線性插值塊、載荷譜斜率計算塊、載荷譜線性插值塊、控制算法塊等FB功能塊。程序組織塊和功能塊的調(diào)用關(guān)系如圖1所示。

2.1 主程序組織塊

主程序組織塊主要用來完成全方程熱流控制前的準(zhǔn)備工作，創(chuàng)建飛行載荷譜和采集試驗現(xiàn)場熱流、溫度等模擬量。

2.2 循環(huán)中斷組織塊

循環(huán)中斷組織塊主要用來完成載荷譜給定值生成，PIF控制算法計算和電壓輸出等任務(wù)，流程如圖2所示。

第一步：如果有應(yīng)急，則將各相關(guān)狀態(tài)位置0，試驗結(jié)束。

第二步：根據(jù)熱損失和當(dāng)前溫度插值計算熱損失項。

第三部：段時間是否小于0.01，如果是，則試驗結(jié)束，否則進行下一步。

第四步：段開始上升沿時刻計算當(dāng)前段的斜率，段時間計數(shù)清零。

第五步：載荷譜插值，包括時間、冷壁熱流、恢復(fù)焓等相關(guān)參數(shù);開始計數(shù)，每一循環(huán)掃描周期段時間計數(shù)加1;PIF控制算法計算輸出電壓，輸出電壓值賦值給輸出通道。

第六步：當(dāng)段時間小于0.01s時，試驗結(jié)束，各狀態(tài)位置0，否則段計數(shù)加1，段開始置1，進行第四步。

2.3 創(chuàng)建飛行載荷譜

全方程中各參數(shù)為飛行器表面溫度Ts的函數(shù)，或為隨溫度變化的已知量，即輸入飛行器的熱流q，最終可表示為Ts和時間的函數(shù)。飛行載荷譜包含以下兩個部分。

（1）排列對應(yīng)通道的控制載荷譜，即輸入同一時間點內(nèi)各通道對應(yīng)的載荷。

（2）排列熱損失譜，熱損失是關(guān)于飛行器表面溫度Ts的函數(shù)。

熱損失譜塊和控制載荷譜塊創(chuàng)建方法一樣。下面以創(chuàng)建控制載荷譜塊進行說明，控制載荷譜塊類似于PLC中配方數(shù)據(jù)塊，步驟如下。

2.3.1 定義一個PLC數(shù)據(jù)類型（UDT）

PLC數(shù)據(jù)類型（UDT）是一種復(fù)雜的用戶自定義數(shù)據(jù)類型，用于聲明變量，可以在程序中多次使用。它是一個由多個不同數(shù)據(jù)類型元素組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。打開項目樹的“PLC數(shù)據(jù)類型”文件夾，雙擊“添加新數(shù)據(jù)類型”，可以創(chuàng)建PLC數(shù)據(jù)類型。定義好以后，可以在用戶程序中作為數(shù)據(jù)類型使用。如圖3所示，創(chuàng)建“command_t qc hr”數(shù)據(jù)類型。

2.3.2 新建控制載荷譜數(shù)據(jù)塊

創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)類型為command_t qc hr的載荷曲線數(shù)組，維度為21，如圖4所示。

2.3.3 新建活動時間、冷壁熱流、恢復(fù)焓數(shù)據(jù)塊

圖5所示為excel中載荷曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制載荷譜的接口。point_c為控制載荷譜數(shù)據(jù)塊橫坐標(biāo)索引值，即控制載荷譜數(shù)據(jù)塊的行數(shù)，channel_c為控制載荷譜數(shù)據(jù)塊縱坐標(biāo)索引值，即控制載荷譜數(shù)據(jù)塊的列數(shù)。

2.3.4 建立控制載荷譜塊功能塊

當(dāng)channel_c=1時，活動時間、冷壁熱流、恢復(fù)焓數(shù)據(jù)塊中數(shù)組C數(shù)據(jù)導(dǎo)入至控制載荷譜數(shù)據(jù)塊時間t序列;當(dāng)channel_c=2時，數(shù)組C數(shù)據(jù)導(dǎo)入至控制載荷譜數(shù)據(jù)塊冷壁熱流qc序列;當(dāng)channel_c=3時，數(shù)組C數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制載荷譜數(shù)據(jù)塊恢復(fù)焓hr序列。

2.3.5 VBS語言開發(fā)控制載荷譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入PLC功能

控制載荷譜數(shù)據(jù)首先以excel文件形式存放并保存，通過VBS將excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入至PLC控制載荷譜數(shù)據(jù)塊?？刂戚d荷譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入PLC功能流程如圖6所示，其中，HMI變量intex1、intex2、cc數(shù)組分別對應(yīng)PLC活動時間、冷壁熱流、恢復(fù)焓數(shù)據(jù)塊point_c、channel_c、C數(shù)組。

2.3.6 熱損失斜率計算線性插值塊

熱損失功能塊的任務(wù)是根據(jù)當(dāng)前溫度值和熱損失譜塊，判斷當(dāng)前溫度值所在的段數(shù)，然后計算出當(dāng)前所在段的斜率，再求解出熱流值，此熱流值為當(dāng)前溫度值下的熱損失項。熱損失斜率計算線性插值塊流程如圖7所示。

2.4 控制載荷斜率計算塊

控制載荷斜率計算塊流程如圖8所示，主要完成在段開始的上升沿進行當(dāng)前段的斜率計算任務(wù)。因為循環(huán)中斷組織塊掃描周期為10ms，所以計算斜率公式為段斜率=（當(dāng)前段冷壁熱流-前一段冷壁熱流）/（當(dāng)前段時間值-前一段時間值）/100。因為浮點數(shù)精度問題，所以端點值等于控制載荷譜的端點值。

2.5 控制載荷線性插值塊

控制載荷線性插值塊流程如圖9所示，主要完成的任務(wù)是在當(dāng)前段的段開始給定值的基礎(chǔ)上，每個掃描周期自加當(dāng)前段的段斜率，完成線性插值任務(wù)。

2.6 控制算法

控制算法流程如圖10所示，主要完成的任務(wù)是依據(jù)全方程熱流控制試驗特點，根據(jù)當(dāng)前的誤差，按照比例積分前饋算法，輸出相應(yīng)電壓值，進行閉環(huán)控制。為了提高熱流計響應(yīng)時間，前饋算法直接按一定比例作用在命令上，即前饋輸出為0.008×當(dāng)前命令值。

3 結(jié)束

根據(jù)全方程熱流控制試驗特點，在熱試驗中，可測得試驗件表面溫度和表面熱流，熱損失項通過“熱損失斜率計算線性插值塊”功能塊得到?？刂品匠讨械钠渌麩嵛锢韰?shù)都是表面溫度的函數(shù)，只要測得表面溫度，就能確定熱壁熱流值，進而實現(xiàn)全方程熱流控制。

本次編程以TIA Portal V14軟件為平臺，介紹全方程熱流控制的程序塊，主程序組織塊完成飛行載荷譜的導(dǎo)入，以及測量表面溫度和熱流值，循環(huán)中斷組織塊完成飛行載荷譜的生成，即閉環(huán)控制中命令熱壁熱流的生成。重點創(chuàng)建了熱損失譜塊和控制載荷譜塊數(shù)據(jù)塊，為FB功能塊用SCL語言間接尋址提供了變量名。

參考文獻

[1] 廖常初. S7-1200/1500 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2017.

作者簡介

張順利（1987—），男，天津人，本科，工程師，主要研究方向為飛行器熱強度試驗測控。