一種基于燃燒器的熱風洞控制系統(tǒng)設計與驗證

吳宋偉，張?zhí)旌?，李凌蔚，李佳?/p>

（南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016）

伴隨著現代航空航天技術的突破，下一代高性能飛行器面臨著超隱身能力、超遠距離航行、超機動飛行等技術要求，相比于傳統(tǒng)常規(guī)飛行器，在結構設計、材料選擇等諸多方面提出了挑戰(zhàn)。常規(guī)的冷態(tài)風洞已無法滿足航空航天高溫領域對設備研制提出的要求，包括溫度傳感器的動態(tài)特性測試、葉片的熱應力測試、關鍵部件的熱防護試驗等。熱風洞通過高速熱氣流產生一個均勻分布且穩(wěn)定的高溫流場，模擬材料或試件的真實工況，可以有效應用于上述基礎研究?；跓犸L洞的氣動/熱環(huán)境，通過試驗可以獲得飛行器試驗件表面的特性參數。熱風洞試驗系統(tǒng)的氣流和溫度控制質量會直接影響到這些研究結果的精度和可信度，因此開展熱風洞控制試驗研究有著非常重要的意義。

近年來，國內外針對熱風洞及其控制系統(tǒng)設計進行了大量理論和實際工程方面的研究。加熱裝置作為熱風洞的核心系統(tǒng)，主要分為燃燒、電阻、電弧以及蓄熱加熱等加熱方式。其中，“燃燒加熱”風洞通常由氣源、燃料、試驗段、點火器、噴管、擴壓段、冷卻系統(tǒng)等組成。相比于其他幾種加熱方式，燃燒加熱因其適合長時間和大功率試驗的特點，受到了美國NASA、日本空間實驗室和中國空氣動力研究與發(fā)展中心（CARDC）等研究機構的普遍重視。

美國Langley中心設計的高溫風洞通過甲烷和空氣高溫燃燒獲得高溫燃氣，并增設補氧系統(tǒng)，拓展了氣動熱載荷和結構試驗能力。國內CARDC研制的600 mm高超聲速高溫風洞控制系統(tǒng)采用“分散控制，集中管理”的分布式控制架構，對文丘里管上游壓力進行PID閉環(huán)控制，實現了對燃燒器中氧氣、氫氣等不同組分氣體的流量控制。文獻[19-21]針對熱風洞的燃油供給系統(tǒng)，從系統(tǒng)特性、控制算法等方面進行了深入研究，提出了模糊PID控制、滑模控制和動態(tài)矩陣預測控制等不同的控制策略，實現了對燃油流量的精確控制，進而獲得了預期的燃氣溫度。文獻[22]通過在控制器設計中引入溫度的動態(tài)模型，提出了一種基于I&I的非線性自適應控制框架，實現了低溫風洞溫度的有效控制。上述文獻均只關注了風洞溫度、氣體流量等單一變量的控制，而在實際熱風洞試驗系統(tǒng)中，存在如外部干擾、系統(tǒng)滯后、參數時變等不確定性，同時流量對溫度控制存在耦合關系。因此，有必要設計一種基于解耦的多變量控制策略，實現流量和溫度的準確控制。

本文以一種基于燃燒器的熱風洞為研究對象，提出了基于解耦的雙回路PID控制策略和雙路協(xié)調控制的空氣流量控制策略，建立了熱風洞試驗系統(tǒng)的AMESim模型，結合MATLAB/Simulink對熱風洞控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了仿真分析?；赾RIO構建了熱風洞控制器，通過實物試驗驗證了控制策略的有效性，為國內進一步發(fā)展熱風洞提供參考。

1 熱風洞試驗系統(tǒng)簡介

熱風洞試驗系統(tǒng)試驗設備如圖1所示。其技術參數根據使用要求確定為：氣源壓力最高達到800 kPa；空氣流量要求不小于3.5 kg/s；出口溫度要求不小于700 ℃；空氣流量波動不大于2%；燃燒器出口溫度波動不大于1%；風洞參數穩(wěn)定時間不小于20 s。

圖1 熱風洞試驗設備Fig.1 Hot wind tunnel test equipment

1.1 試驗系統(tǒng)結構組成與工作原理

基于燃燒器的熱風洞試驗系統(tǒng)結構如圖2所示，主要由暫沖氣源、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃燒器、點火器、消音室等組成。其中，暫沖氣源由氣罐供氣，供氣系統(tǒng)包括主路和輔路2條氣路，燃油和空氣在燃燒器中燃燒排出高溫燃氣，流經燃燒器后試驗段，最后與冷卻系統(tǒng)排出的冷卻氣流進行摻混降溫。

圖2 熱風洞系統(tǒng)結構Fig.2 Frame diagram of hot wind tunnel system structure

暫沖氣源容積有限，本試驗系統(tǒng)最高壓力為0.8 MPa。在實際熱風洞運行過程中，氣源壓力持續(xù)下降，上游壓力的波動極易導致空氣流量的變化，并且其極限情況下的運行時間非常短。因此，為了滿足熱風洞流量設定以及穩(wěn)定運行時間的需求，要求閥門能夠實現對流量的快速調節(jié)，在滿足空氣流量調節(jié)精度的前提下，盡可能提高穩(wěn)定運行時間。

在高壓氣源后增設直動式減壓閥，可以有效解決氣源壓力波動對空氣流量造成的不確定性影響，降低控制難度。減壓閥依靠控制腔與調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)，通過改變閥門動作，使氣源壓力與彈簧力相平衡，將減壓閥出口壓力調節(jié)到一個較低的穩(wěn)定值，其本質上相當于穩(wěn)壓閥。此外，考慮到主氣路調節(jié)閥存在滯后、死區(qū)嚴重和調節(jié)緩慢等問題，死區(qū)即在閥門指令開度較小時，無明顯開度變化，閥門線性度較差。在點火時，如果空氣流量過小，容易出現富油嚴重，無法點燃的情況；如果空氣流量過大，則會出現燃油噴霧過于分散，以致無法正常點火的情況。在不改變原有主氣路調節(jié)閥的基礎上，增設一路小管徑、可實現快速調節(jié)的輔助氣路調節(jié)閥，主要起固定點火參數以及輔助調節(jié)作用。

由圖2及工作原理可知，燃燒器的能量平衡方程為：

式中：為燃油流量；為燃油熱值；為燃燒效率；為燃燒器出口燃氣流量，=+；c為定壓比熱容；為燃燒器出口溫度；為燃燒器進口空氣流量；為燃燒器進口溫度。

因此，燃燒器出口溫度可以表示為：

式中：為油氣比，=/；燃燒器進口總壓對出口溫度的影響主要體現在燃燒效率上。

基于上述分析，為了實現對風洞氣流速度以及燃氣溫度的耦合控制，控制器一方面需要協(xié)調控制主氣路調節(jié)閥和輔助氣路調節(jié)閥來調節(jié)加熱空氣流量，維持燃燒器進口氣壓穩(wěn)定不變；另一方面，通過控制變頻器頻率來改變油泵電機的轉速，其本質上相當于控制油氣比。

1.2 控制系統(tǒng)結構組成

控制系統(tǒng)主要由基于cRIO的熱風洞控制器、配套執(zhí)行機構及傳感器等組成，其結構設計如圖3所示。cRIO控制器包括實時控制器RT模塊和可重配置的FPGA模塊，上位機與RT模塊通過TCP/IP協(xié)議進行實時通訊，RT在cRIO內部與FPGA模塊通過PCI高速總線連接，機箱中的FPGA直接與每個I/O模塊相連，可靈活實現定時、觸發(fā)和同步等功能。不同的I/O模塊負責執(zhí)行機構或傳感器的控制或測量任務。執(zhí)行機構包括供氣系統(tǒng)的氣路開關閥、主氣路調節(jié)閥和輔助氣路調節(jié)閥，以及燃油系統(tǒng)的開關電磁閥和油泵電機等。傳感器包括溫度傳感器、轉速傳感器、流量傳感器等，負責燃氣溫度、油泵電機轉速等系統(tǒng)參數的測量，其中燃氣溫度和空氣流量為控制量，其余均為監(jiān)視量。

圖3 熱風洞控制系統(tǒng)結構Fig.3 Frame diagram of hot wind tunnel control system structure

2 熱風洞試驗系統(tǒng)控制策略設計

2.1 空氣流量控制策略設計

雖然減壓閥可以實現氣路壓力的自動調節(jié)，在一定程度上保證了上游的壓力穩(wěn)定，然而在熱風洞實際運行過程中，下游的壓力變化仍會對空氣流量產生一定的影響。由于大流量主氣路調節(jié)閥存在動態(tài)特性差的問題，在開環(huán)調節(jié)時，精度較低，調節(jié)時間長，空氣流量穩(wěn)態(tài)誤差較大。提出增加小流量的輔助氣路調節(jié)閥，采用雙路協(xié)調控制的空氣流量控制策略（如圖4所示），由主路和輔路2部分組成。

圖4 雙路協(xié)調控制策略Fig.4 Frame diagram of dual-circuit coordinated control strategy

通過調節(jié)減壓閥彈簧預緊力，改變氣路穩(wěn)定壓力值。在該理想壓力條件下，開環(huán)調節(jié)主氣路調節(jié)閥開度，摸索出在不同開度下主路空氣流量的變化規(guī)律，建立二維線性插值表。在自動試驗時，根據燃燒器進口壓力和空氣流量的指令值，可插值計算出主氣路調節(jié)閥對應的開度指令。

當實際空氣流量接近目標值時，輔助氣路調節(jié)閥采用PID控制做輔助調節(jié)。該控制策略在一定程度上近似等效于帶前饋的PID控制器設計思路，可以在保證穩(wěn)定性的基礎上，滿足系統(tǒng)的動態(tài)響應要求，實現較高精度的空氣流量控制。

這里采用的PID控制器為位置式PID，主要考慮比例和積分作用，其表達式為：

式中：為指令流量；為實際流量；()為指令流量和實際流量的偏差量，()=－；()為輔助氣路調節(jié)閥開度指令，對應0~100%；為比例增益；K為積分增益。

在實際工程應用中，由于引入了積分作用，在啟動、大幅增減目標值或結束時，系統(tǒng)容易在短時間內產生很大的偏差量。PID的積分累積會致使閥門、油泵電機等執(zhí)行機構控制量超出可能允許的最大動作范圍，導致試驗系統(tǒng)產生較大的超調甚至振蕩。為了克服這個問題，本文加入積分分離與積分抗飽和的保護策略。這里具體表現為：當實際流量與指令流量偏差較大時，取消積分項的作用；當實際流量接近目標值時，引入積分項，以便消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高控制精度。同時，對積分項的累計值設定限制范圍，避免閥門控制量長時間停留在飽和區(qū)，其表達式為：

式中：為積分分離閾值，=0.4 kg/s；u為積分抗飽和限制值，這里u=50，表示積分項對控制器輸出的閥門開度指令影響最大為50%。

2.2 溫度控制策略設計

在2.1節(jié)的基礎上，針對燃油系統(tǒng)進一步提出雙回路PID控制的控制策略，如圖5所示。溫度控制部分主要采用基于前饋補償的PID控制器設計，其基本原理如圖6所示。

圖5 雙回路PID控制策略Fig.5 Frame diagram of dual-loop PID control strategy

圖6 基于前饋補償的PID控制系統(tǒng)結構Fig.6 Frame diagram of PID control system structure based on feedforward compensation

系統(tǒng)輸出對輸入的傳遞函數為：

系統(tǒng)誤差為()=()－()，代入式（8）得到誤差對系統(tǒng)輸入的傳遞函數為：

若式（9）分子1–()()=0，即()=1/()時，系統(tǒng)誤差為0。

可以觀察到，系統(tǒng)在增加前饋前后，極點不變。因此，通過引入前饋環(huán)節(jié)，可以在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

本試驗系統(tǒng)中，在不同的空氣流量條件下，開環(huán)調節(jié)油泵電機轉速，摸索出在不同轉速下燃燒器出口溫度的變化規(guī)律，建立二維線性插值表。在控制器設計時，根據實際空氣流量和溫度的指令值，可插值計算出油泵電機對應的轉速指令，并以此作為前饋補償，可實現流量和溫度的解耦控制。

由于熱風洞試驗系統(tǒng)中溫度測量存在的熱慣性，存在一定的滯后，引入前饋控制可以更快地實現燃油流量調節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。這里，PID控制器中同樣加入積分分離與積分抗飽和的保護策略。

3 建模與仿真

3.1 熱風洞控制系統(tǒng)建模

根據熱風洞試驗系統(tǒng)的工作過程和結構，利用AMESim軟件對供氣系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)進行簡化建模，如圖7所示。AMESim模型與實際熱風洞試驗系統(tǒng)參數不完全對應，本節(jié)主要分析驗證熱風洞控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。圖7a為供氣系統(tǒng)AMESim模型，高壓氣源9首先經過氣路開關閥8進入高壓腔室7，流經閥口進入低壓腔室13，通過阻尼孔12進入膜片下腔室11。當氣源壓力波動時，減壓閥通過控制閥口開合，排除多余壓力，保持低壓腔室13的壓力穩(wěn)定在理想設定值?？諝鈴牡蛪呵皇?4出口排出，流經主調節(jié)閥15和輔助調節(jié)閥17，最后經過空氣流量計19進入燃燒器。接口模擬器16為MATLAB/Simulink控制器部分，接收空氣流量反饋，輸出主輔氣路調節(jié)閥的開度指令。圖7b為燃油系統(tǒng)AMESim模型，通過定量泵4模擬油泵電機，液壓孔5模擬燃油霧化噴嘴，接口模擬器3為MATLAB/Simulink控制器部分，接收燃油流量計2的油量反饋，輸出油泵電機的轉速指令。

圖7 供氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)AMSim模型Fig.7 AMESim model of gas supply system (a) and fuel system (b)

3.2 仿真分析

結合3.1節(jié)提到的控制策略，利用MATLAB/Simulink對熱風洞試驗系統(tǒng)控制系統(tǒng)進行建模。根據式（2）搭建燃燒器的數學模型，進行燃燒器出口溫度的計算，并增加0.1 s的延遲環(huán)節(jié)，模擬溫度測量系統(tǒng)的滯后。利用AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真，仿真總時間設計為30 s，模擬暫沖氣源的氣壓在30 s內從0.8 MPa下降到0.45 MPa。在0~5 s內，主氣路調節(jié)閥全閉，設定輔助氣路調節(jié)閥初始開度指令為5%，油泵電機初始轉速指令為60 r/min，以此模擬固定的點火參數。

首先，對供氣系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究。開環(huán)條件下，在5 s時設置主氣路調節(jié)閥開度指令分別為10%、20%、30%、50%，減壓閥出口壓力以及空氣流量的仿真結果如圖8所示?？梢钥闯觯?~5 s內，隨著輔助氣路調節(jié)閥開度的增大，減壓閥出口壓力穩(wěn)定在0.37 MPa，空氣流量穩(wěn)定在2.1 g/s左右。5~8 s內，輔助氣路調節(jié)閥保持不變。隨著主氣路調節(jié)閥開度的增大，減壓閥出口壓力自動調整出口穩(wěn)定壓力，空氣流量增大。然而在主氣路調節(jié)閥開度大于30%時，觀察到空氣流量受到減壓閥出口壓力的限制，最大在21.5 g/s左右。在熱風洞實物試驗時，可以通過調節(jié)減壓閥的預緊力調整出口穩(wěn)定壓力，改變供氣系統(tǒng)的最大空氣流量。

圖8 供氣系統(tǒng)開環(huán)調節(jié)仿真曲線Fig.8 Simulation curve of open loop regulation of gas supply system: a)outlet plesscue; b) air flow

對熱風洞控制系統(tǒng)進行驗證分析。在5 s時，給定流量和溫度指令，供氣控制系統(tǒng)插值計算出主氣路調節(jié)閥對應的開環(huán)控制指令，在5~8 s內，主氣路調節(jié)閥調節(jié)到位。在這個過程中，當空氣流量指令與實際值的偏差小于2 g/s時，輔助氣路調節(jié)閥采用PID控制器閉環(huán)修正空氣流量。同時，燃油控制系統(tǒng)根據空氣流量指令，插值計算出油泵電機轉速的前饋控制量，并采用PID控制器調節(jié)油泵電機轉速，以達到預期的燃氣溫度。設定目標流量和溫度分別為17 g/s和710 ℃，通過試湊法分別確定流量和溫度控制回路中PID控制器的比例、積分增益。

空氣流量仿真結果如圖9所示，可以看出，若不增設輔助氣路，主氣路流量在8 s時最大13.8 g/s，穩(wěn)態(tài)誤差較大。通過引入輔助氣路調節(jié)閥的PID協(xié)同控制策略，在10~24 s內，實際總流量滿足熱風洞控制精度要求，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1%。由于輔助氣路管徑相對較小，總流量主要由主氣路供氣能力決定。在24 s之后，輔助氣路調節(jié)能力跟不上主氣路流量的下降速度，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸增大，驗證了雙路協(xié)調控制的空氣流量控制策略的有效性。

圖9 熱風洞控制系統(tǒng)空氣流量仿真曲線Fig.9 Simulation curve of air flow of hot wind tunnel control system

加入空氣流量的靜態(tài)前饋補償與未加前饋補償的仿真結果對比如圖10所示?？梢钥闯?，在7 s左右時，引入前饋補償，燃燒器出口溫度迅速達到了710 ℃，有效抑制了空氣流量變化對溫度的干擾，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現了空氣流量對溫度控制的解耦。穩(wěn)定狀態(tài)起始時間從11 s提前到了8 s，延長了熱風洞的穩(wěn)定時間。8~24 s內，在空氣流量滿足控制精度要求的基礎上，燃燒器出口溫度波動不小于1%，穩(wěn)定時間在16 s左右，驗證了控制策略的有效性。

圖10 熱風洞控制系統(tǒng)溫度控制前饋補償對比Fig.10 Comparison chart of temperature control feedforward compensation of hot wind tunnel control system: a) outlet temperature; b) fuel flow

4 試驗驗證

結合上文提到的控制策略，基于cRIO平臺構建控制器，在基于燃燒器的熱風洞試驗平臺上進行實物試驗。采用的K型熱電偶溫度傳感器在排氣管路軸向有三孔探針，采集其中最外側2個探針的反饋值，分別作為控制量和監(jiān)視量。通過2個探針的反饋差值，判斷溫度傳感器是否異常，以此作為冗余設計。

依據開環(huán)條件下手動調試的試驗數據，分別建立主氣路調節(jié)閥和燃燒器出口溫度的二維插值表?？紤]到輔助調節(jié)閥的動態(tài)特性和燃燒系統(tǒng)溫度測量的熱慣性，實際上熱電偶響應較慢。由于傳感器響應時間不一致而導致流量和溫度反饋數據非同步，可適當延長溫度控制的采樣周期，將空氣流量和溫度PID控制器的采樣周期分別設為20、200 ms，根據系統(tǒng)動態(tài)特性確定PID參數。分別將空氣流量指令設為2.5、4.0 kg/s，目標溫度為710 ℃，試驗結果如圖11所示。

圖11 熱風洞實物試驗不同空氣流量及對應溫度變化曲線Fig.11 Curve of hot wind tunnel physical test for different air flow and corresponding temperature: a) air flow; b) fuel flow;c) outlet temperature

可以看出，在0~5 s內，空氣流量保持小流量供氣，5 s時點火成功，此時燃燒器處于富油狀態(tài)，燃燒器出口溫度急劇上升。5~12 s內，空氣流量仍然保持不變，此時氣量主要由輔助氣路決定，由于實際試驗中主氣路調節(jié)閥存在滯后、調節(jié)緩慢等問題，一直處于死區(qū)，主氣路無氣流。在12 s時，主氣路調節(jié)閥調出死區(qū)，主氣路開始有氣流通過。然而，在12~15 s內，燃油流量保持不變，仍處于富油狀態(tài)，溫度繼續(xù)上升。15 s時，主氣路流量迅速增大，油氣比減小，溫度下降。之后2次試驗中，空氣流量分別在23、27 s左右達到穩(wěn)定。相比于大流量，小流量對溫度的影響相對較小，調節(jié)時間更短。然后，溫度控制系統(tǒng)調節(jié)油泵電機轉速提高，燃油流量增大，油氣比增大，溫度上升，并最終穩(wěn)定在710 ℃左右?？諝饬髁康姆€(wěn)態(tài)誤差均在2%以內，在53~80 s，燃燒器出口溫度波動在±7 ℃以內，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1%，穩(wěn)定時間在25 s以上，達到了熱風洞設計和使用要求。

5 結論

本文提出了一種面向基于燃燒器的熱風洞試驗系統(tǒng)的綜合控制策略，得到以下結論：

1）從保證空氣流量穩(wěn)定和控制精度的角度，針對大流量氣路調節(jié)閥動態(tài)特性差的問題，提出雙路協(xié)調控制的空氣流量控制策略，利用輔助氣路調節(jié)閥的快速響應特性，優(yōu)化了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2）提出了基于解耦的雙回路PID控制策略，針對燃油系統(tǒng)設計了基于前饋補償的PID控制器，實現了流量干擾對溫度控制的解耦，緩解了因溫度測量熱慣性引起的滯后影響，以保證控制器的空氣流量控制能力和在不同流量下的溫度控制能力，并維持較長時間的穩(wěn)定狀態(tài)。

3）通過AMESim和MATLAB/Simulink聯(lián)合建模仿真，搭建cRIO控制器平臺，完成了熱風洞控制系統(tǒng)實物試驗。在暫沖氣源供氣條件下，空氣流量波動不大于2%，溫度波動不大于1%，單次試驗連續(xù)穩(wěn)定時間>25 s，實現了空氣流量和溫度的精確控制，驗證了熱風洞控制策略的有效性和可行性。