李樹(shù)成, 羅 強(qiáng), 陳 旦, 黃威凱

(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)

結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)控制方法研究

李樹(shù)成*, 羅 強(qiáng), 陳 旦, 黃威凱

(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)

噴霧系統(tǒng)是結(jié)冰風(fēng)洞的核心配套設(shè)備，主要用于模擬飛行器穿越云層飛行時(shí)的云霧環(huán)境。針對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度要求高的特點(diǎn)，開(kāi)展了壓力和溫度的控制方法研究。通過(guò)采用給定水泵轉(zhuǎn)速、預(yù)置出入口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和閉環(huán)調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的方法，解決了噴霧耙之間供水壓力不一致及相互耦合的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了寬范圍、高精度的供水壓力控制。通過(guò)在準(zhǔn)備階段循環(huán)加熱、在試驗(yàn)階段變參數(shù)PID精確調(diào)溫，實(shí)現(xiàn)了供水溫度的精確控制。通過(guò)采用變比例系數(shù)快速PID調(diào)壓和模糊自適應(yīng)PID調(diào)溫的控制策略，解決了供氣系統(tǒng)壓力和溫度耦合及溫度大滯后的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了供氣壓力和溫度的精確控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制方法有效，噴霧系統(tǒng)性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

風(fēng)洞；噴霧；供水；供氣；控制

0 引 言

結(jié)冰風(fēng)洞是飛行器結(jié)冰和防除冰研究的主要地面試驗(yàn)設(shè)備。風(fēng)洞試驗(yàn)中，在一定的內(nèi)部環(huán)境溫度、氣流速度和壓力條件下，結(jié)冰風(fēng)洞利用噴霧系統(tǒng)在試驗(yàn)段模擬云霧環(huán)境。云霧環(huán)境的重要參數(shù)包括液態(tài)水含量、平均水滴直徑和水滴溫度，這些參數(shù)均是由噴霧系統(tǒng)通過(guò)控制一定的供水壓力、供水溫度、供氣壓力、供氣溫度、噴嘴開(kāi)啟數(shù)量和噴嘴布局來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及精確控制至關(guān)重要，也是難點(diǎn)。當(dāng)今世界有代表性的結(jié)冰風(fēng)洞有4座：美國(guó)NASA格林研究中心結(jié)冰研究風(fēng)洞(IRT)、意大利航天研究中心結(jié)冰風(fēng)洞、美國(guó)LeClerc結(jié)冰試驗(yàn)室的考克斯(Cox)結(jié)冰風(fēng)洞和中國(guó)CARDC的結(jié)冰風(fēng)洞。每座風(fēng)洞都有一套復(fù)雜的噴霧系統(tǒng)，然而，在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的論文中，有不少關(guān)于云霧參數(shù)方面的研究，但很少有對(duì)形成云霧參數(shù)的噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制進(jìn)行研究。本文介紹了某座結(jié)冰風(fēng)洞的噴霧系統(tǒng)，并針對(duì)該噴霧系統(tǒng)組成復(fù)雜、控制回路較多、存在各種耦合關(guān)系、控制難度很大等特點(diǎn)，開(kāi)展了控制方法研究。

1 系統(tǒng)組成及控制要求

1.1 系統(tǒng)組成

噴霧系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、噴霧架和控制系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1所示。

供水系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水箱、加壓水泵組、水加熱器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成。儲(chǔ)水箱內(nèi)的水經(jīng)過(guò)水泵組加壓進(jìn)入加熱器，然后分為2路，一路進(jìn)入噴霧架，另一路經(jīng)主路調(diào)節(jié)閥回水箱。供水系統(tǒng)提供的熱水進(jìn)入噴霧架后，分為多個(gè)支路分別進(jìn)入噴霧耙。供水系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)供水主路壓力、溫度的精確控制。

供氣系統(tǒng)由配氣站供氣，氣體經(jīng)過(guò)加熱器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥達(dá)到指定溫度和壓力，然后進(jìn)入噴霧耙。供氣系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)供氣壓力、溫度的精確控制。

噴霧架由多排豎直安裝的噴霧耙組成，噴霧耙布局如圖2所示。每個(gè)噴霧耙布置有一條供水管路和一條供氣管路。每條供水管路入口處安裝一臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，起到減壓和節(jié)流的作用；每條供水管路出口處安裝一臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用于供水壓力的精確調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥布局如圖3所示。

圖2 噴嘴耙布局 圖3 調(diào)節(jié)閥布局

Fig.2SprayingrakesdistributionFig.3Regulatingvalvesdistribution

每個(gè)噴霧耙上安裝幾十只噴嘴，共有上千只噴嘴，噴嘴布局如圖4所示。每個(gè)噴嘴均有單獨(dú)的供水、供氣管路，由電磁閥控制水路的開(kāi)閉，水和氣在噴嘴內(nèi)混合后噴出。噴霧系統(tǒng)通過(guò)控制電磁閥開(kāi)啟數(shù)量、噴嘴布局，以及噴嘴入口的水壓、水溫、氣壓和氣溫獲得滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的云霧環(huán)境。

控制系統(tǒng)采用一套S7-400PLC作為主控制器，多臺(tái)S7-300PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器。系統(tǒng)按照功能分為3大塊：一是噴霧耙控制，主要實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)噴霧耙上設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)；二是供水供氣主路控制，主要實(shí)現(xiàn)供水供氣主路壓力溫度控制；三是通信部分，主要實(shí)現(xiàn)噴霧控制系統(tǒng)各控制器之間的通信。

1.2 控制要求

噴霧系統(tǒng)的供水壓力、供水溫度、供氣壓力、供氣溫度及噴嘴類(lèi)型直接影響著云霧環(huán)境的平均水滴直徑和水滴溫度。在噴霧系統(tǒng)預(yù)先研究中，空氣動(dòng)力專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)噴霧系統(tǒng)所用噴嘴進(jìn)行了詳細(xì)的性能研究。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)冰風(fēng)洞云霧環(huán)境模擬，對(duì)水路和氣路的溫度和壓力提出相應(yīng)的要求。

(1) 水路。壓力：0.01～1.5MPa，控制精度如表1所示；溫度：20℃至90℃，控制精度：±2℃。主路最大供水流量為10kg/s，噴嘴最大噴出水流量為4kg/s。

(2) 氣路。壓力：0.01～1.5MPa，控制精度如表1所示；溫度：20℃至180℃，控制精度：±2℃。主路最大供氣流量為8kg/s。

表1 供水供氣壓力控制精度要求Table 1 Requisite pressure accuracy for water and air supply

進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)洞處于低溫狀態(tài)，需要盡可能減少不符合控制指標(biāo)要求的水霧量。為此，要求噴霧指令下達(dá)后，噴霧系統(tǒng)在小于5s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的噴霧穩(wěn)定工作狀態(tài)，即噴嘴入口水、氣壓力及溫度達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程響應(yīng)時(shí)間小于5s。

2 控制策略

2.1 供水系統(tǒng)壓力控制

2.1.1供水系統(tǒng)壓力控制流程

供水系統(tǒng)的壓力控制回路包括1個(gè)主回路和多個(gè)并聯(lián)的支回路。主回路由水泵組和主路調(diào)節(jié)閥控制；每個(gè)支路的噴嘴入口壓力通過(guò)該支路前端的入口調(diào)節(jié)閥和后端的出口調(diào)節(jié)閥單獨(dú)控制。

噴嘴入口壓力調(diào)節(jié)范圍是0.01～1.5MPa，超過(guò)了單個(gè)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)范圍。因此，需要通過(guò)調(diào)節(jié)水泵流量、入口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)噴嘴入口壓力大范圍調(diào)節(jié)。對(duì)于某個(gè)工作壓力，可以由不同的水泵流量、入口和出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度組合獲得，但三者同時(shí)調(diào)節(jié)，存在嚴(yán)重的相互干擾問(wèn)題。另外，調(diào)節(jié)任何支路的入口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，都會(huì)影響主路壓力，進(jìn)而影響其他支路壓力，也造成其他支路入口調(diào)節(jié)閥的被動(dòng)調(diào)節(jié)。由于并聯(lián)支路較多，并具有一定的高度差，存在非常嚴(yán)重的耦合問(wèn)題，這將很難實(shí)現(xiàn)各支路壓力的精確控制。

針對(duì)以上分析，需要優(yōu)化控制方法，盡量避免多變量輸入，同時(shí)解決主路及各支路之間的耦合問(wèn)題。為此，供水主路中，給定2臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)主路供水流量控制；主路回水調(diào)節(jié)閥閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)主路供水壓力控制。多個(gè)并聯(lián)支路中，入口調(diào)節(jié)閥預(yù)置固定開(kāi)度，對(duì)各支路起到了節(jié)流、減壓，并隔離相互影響的作用；出口調(diào)節(jié)閥先預(yù)置開(kāi)度，減小支路內(nèi)壓力波動(dòng)，然后再通過(guò)閉環(huán)微調(diào)實(shí)現(xiàn)各支路壓力的精確控制。噴霧試驗(yàn)時(shí)，在電磁閥打開(kāi)瞬間，入口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變，根據(jù)噴嘴噴水量，出口調(diào)節(jié)閥在噴霧瞬間補(bǔ)償?shù)较鄳?yīng)開(kāi)度，然后通過(guò)閉環(huán)微量調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，完成噴霧試驗(yàn)時(shí)的壓力控制。這種采用入口調(diào)節(jié)閥預(yù)置和出口調(diào)節(jié)閥先快速預(yù)置后閉環(huán)調(diào)節(jié)的策略解決了多個(gè)并聯(lián)支路存在的壓力耦合問(wèn)題，使系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到5s以?xún)?nèi)。

在以上控制方法中，水泵轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度等參數(shù)的預(yù)置是實(shí)現(xiàn)供水壓力精確控制的關(guān)鍵。下面針對(duì)供水系統(tǒng)的參數(shù)預(yù)置進(jìn)行分析研究，并給出相應(yīng)的公式。

2.1.2供水系統(tǒng)參數(shù)預(yù)置

系統(tǒng)采用2臺(tái)水泵并聯(lián)供水，通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其揚(yáng)程(H)、流量(Q)和輸出壓力(p)均會(huì)隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速(n)而改變，公式如下：

式中：下標(biāo)為n表示泵的額定值；下標(biāo)為x表示泵的實(shí)際值。

水泵的額定揚(yáng)程(Hn)、額定流量(Qn)和額定轉(zhuǎn)速(nn)均可以從廠家樣本資料中獲得。根據(jù)噴霧用水的壓力范圍，分段設(shè)定水泵轉(zhuǎn)速，具體如表2所示，通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速控制。

表2 水泵轉(zhuǎn)速設(shè)置Table 2 Setting rotating speed of bump

系統(tǒng)供水主回路壓力損失包括沿程管路壓力損失、局部壓力損失和流經(jīng)設(shè)備引起的壓降。沿程壓力損失pf公式如下：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；L為圓管的沿程長(zhǎng)度；d為圓管的內(nèi)徑；υ為管內(nèi)平均流速；ρ為流體密度。

式中：ξ為局部阻力系數(shù)。

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，主路壓力損失約為0.18MPa，相鄰噴霧耙之間壓降為0.0046MPa。則第i個(gè)噴霧耙前端調(diào)節(jié)閥入口壓力pai為：

對(duì)于噴霧耙后端調(diào)節(jié)閥，分析方法同上，初步估算，噴霧架出口處的壓力為0.045MPa。則第i個(gè)噴霧耙后端調(diào)節(jié)閥出口壓力pbi為：

調(diào)節(jié)閥均為等百分比流量特性(對(duì)數(shù)流量特性)，有以下公式：

式中：Kvmax為調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)；R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍或可調(diào)比；x為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量或壓力的調(diào)節(jié)，其流量公式為：

式中：p1為閥前壓力；p2為閥后壓力。

根據(jù)前面的分析可得，第i個(gè)噴霧耙入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度xai為：

第i個(gè)噴霧耙出口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度xbi為：

在實(shí)際的系統(tǒng)控制中，先通過(guò)上面計(jì)算公式給出了每只調(diào)節(jié)閥的預(yù)置開(kāi)度，經(jīng)過(guò)調(diào)試并對(duì)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際預(yù)置開(kāi)度進(jìn)行了微調(diào)。對(duì)于不同的供水壓力，均有不同的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，由于狀態(tài)繁多，在此不一一列出。

2.2 供水系統(tǒng)溫度控制

2.2.1供水系統(tǒng)溫度控制模式

供水系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)采用循環(huán)加熱儲(chǔ)存模式和精確升溫供水模式相結(jié)合的方式。循環(huán)加熱儲(chǔ)存模式用于前期試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，通過(guò)將水在熱水箱和加熱器間循環(huán)流動(dòng)，逐漸升溫至接近工況溫度存放；精確升溫供水模式用于噴霧系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，精確加熱至所需溫度后進(jìn)入噴嘴噴出。2種模式通過(guò)二位三通電動(dòng)球閥進(jìn)行切換。采用上述控制策略，可大幅減小加熱器配置功率。

供水系統(tǒng)電加熱器功率共500kW，分為5組，其中2組固定功率，3組可調(diào)功率。溫度控制系統(tǒng)輸出4～20mA信號(hào)給周波控制器，周波控制器調(diào)控固態(tài)繼電器的輸出從而控制加熱器的輸出功率。

2.2.2變參數(shù)PID調(diào)節(jié)供水溫度

電加熱器的水溫控制傳遞函數(shù)G(s)為:

采用基于水流量的變參數(shù)PID控制算法實(shí)現(xiàn)水溫的精確控制，其控制原理如圖5所示。

圖5中v(t)為流量輸入信號(hào)，r(t)為設(shè)定出水溫度信號(hào)，u(t)為控制量輸出信號(hào)，y(t)為實(shí)際出水溫度信號(hào)。通過(guò)主路上流量計(jì)反饋的水流量，確定不同水流量下PID參數(shù)的選取。

2.3 供氣系統(tǒng)壓力和溫度控制

2.3.1供氣系統(tǒng)控制模式

氣路壓力受溫度影響大，而且壓力調(diào)節(jié)范圍較寬，采用2個(gè)并聯(lián)的調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，主路大調(diào)節(jié)閥用于大流量下的快速開(kāi)度預(yù)置和壓力粗調(diào)，旁路小調(diào)節(jié)閥用于壓力精確控制。

供氣電加熱系統(tǒng)采用一個(gè)PTC材料電加熱器和一個(gè)電熱管式加熱器串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)溫度控制。一級(jí)PTC材料電加熱器總功率為500kW，分為5組，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)氣體初步升溫。二級(jí)電加熱管式加熱器總功率為200kW，分為2組，可調(diào)功率，工作方式與水路電加熱器相同。

由于氣體經(jīng)加熱器升溫后壓力會(huì)隨之變化，溫度和壓力之間為耦合關(guān)系，需要優(yōu)化控制策略，保證供氣系統(tǒng)壓力和溫度達(dá)到設(shè)定值。考慮到氣路壓力控制調(diào)節(jié)速度快，溫度調(diào)節(jié)速度慢，在溫度調(diào)節(jié)的過(guò)程中，快速地進(jìn)行壓力跟隨控制，減小了壓力溫度的相互影響。

2.3.2變比例系數(shù)快速PID調(diào)節(jié)供氣壓力

根據(jù)所需供氣壓力，先預(yù)置主路大調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，然后進(jìn)行閉環(huán)粗調(diào)，當(dāng)供氣壓力的控制精度優(yōu)于5%時(shí)，大調(diào)節(jié)閥開(kāi)度固定，切換到小調(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力的精確控制。對(duì)于旁路小調(diào)節(jié)閥，采用變比例系數(shù)快速PID調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)供氣壓力精確控制，最終壓力控制精度優(yōu)于2%。PID調(diào)節(jié)的比例系數(shù)為系統(tǒng)偏差的函數(shù)，公式為：

式中：e(k)為采樣后得到的偏差值；Kpmax、Kpmin為最大、最小比例系數(shù)；γp為換算系數(shù)。

由上式可知，系統(tǒng)偏差大時(shí)，比例系數(shù)大些，變化也較大；而偏差小時(shí)，比例系數(shù)小些，變化也較緩慢。在接近給定值時(shí)，比例系數(shù)基本不變。因此，變比例系數(shù)PID調(diào)節(jié)方法，可提高調(diào)節(jié)速度，并防止因接近給定值時(shí)，比例系數(shù)變化過(guò)大而引起控制品質(zhì)的下降。

2.3.3模糊自適應(yīng)PID控制供氣溫度

經(jīng)過(guò)對(duì)供氣電加熱系統(tǒng)的特性分析，一、二級(jí)加熱器相互獨(dú)立，單獨(dú)控制，無(wú)耦合關(guān)系。一級(jí)加熱器只進(jìn)行加熱單元的開(kāi)關(guān)控制，根據(jù)所需加熱溫度的高低，選擇開(kāi)啟加熱單元的組數(shù)。二級(jí)電加熱管式加熱器采用模糊自適應(yīng)PID控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)供氣溫度的精確控制。模糊自適應(yīng)PID的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

模糊控制器所完成的功能是根據(jù)溫度誤差e與誤差變化速度ec對(duì)PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行在線自整定，以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，提高控制器性能。PID控制器參數(shù)的具體表達(dá)式為：

3 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)定水氣壓力和溫度(供水壓力0.3MPa，供氣壓力0.33MPa，供水溫度80℃，供氣溫度100℃)，噴霧試驗(yàn)時(shí)800只噴嘴電磁閥同時(shí)開(kāi)啟。在試驗(yàn)段內(nèi)，利用冰刀和相位多普勒干涉儀分別測(cè)量液態(tài)水含量和平均水粒直徑。

耙1～20水路壓力如圖7所示，耙1～20水路壓力控制精度如圖8所示。電磁閥打開(kāi)瞬間，水路壓力有一個(gè)較大的下降，經(jīng)過(guò)快速調(diào)節(jié)后壓力穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電磁閥開(kāi)啟3s后，水路壓力控制精度穩(wěn)定到4%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足此壓力下控制精度為5%的技術(shù)指標(biāo)要求。耙1～20水路溫度如圖9所示，水路溫度穩(wěn)定在79℃～81℃之間，滿(mǎn)足溫度控制精度為±2℃的技術(shù)指標(biāo)要求。

耙1～20氣路壓力如圖10所示，耙1～20氣路壓力控制精度如圖11所示。電磁閥打開(kāi)時(shí)，水進(jìn)入噴嘴混合腔，反作用于氣路，造成氣路壓力增大，經(jīng)過(guò)快速調(diào)節(jié)后，氣路壓力穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電磁閥開(kāi)啟3s后，氣路壓力控制精度穩(wěn)定到1.5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足此壓力下控制精度為3%的技術(shù)指標(biāo)要求。耙1～20氣路溫度如圖12所示，氣路溫度穩(wěn)定在98℃～102℃之間，滿(mǎn)足溫度控制精度為±2℃的技術(shù)指標(biāo)要求。

上述過(guò)程重復(fù)3次，噴霧指令下達(dá)后，噴霧系統(tǒng)均在小于5s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的噴霧穩(wěn)定工作狀態(tài)。通過(guò)對(duì)云霧環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，云霧粒子平均水滴直徑均為25μm，液態(tài)水含量為1.1g/m3(在67m/s風(fēng)速下)，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。由于現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備性能較差，以上數(shù)據(jù)可能存在較大誤差，后期將購(gòu)買(mǎi)LWC-200(液態(tài)水含量熱線風(fēng)速儀)和ADA(機(jī)載液滴分析儀)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測(cè)。另外，對(duì)于液滴溫度、濃度和粒徑分布等其他云霧參數(shù)的測(cè)量還在研究之中。由于本文主要針對(duì)噴霧系統(tǒng)控制方法進(jìn)行研究，僅對(duì)云霧參數(shù)的測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果作一簡(jiǎn)要介紹，后期對(duì)結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)云霧參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究后，再另行撰文詳述。

4 結(jié) 論

噴霧系統(tǒng)作為結(jié)冰風(fēng)洞核心配套設(shè)備，組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所屬設(shè)備類(lèi)型多、數(shù)量龐大，控制回路多且相互耦合。針對(duì)噴霧系統(tǒng)的這種特點(diǎn)，給出了相應(yīng)的解決方法和控制策略。具體內(nèi)容總結(jié)如下：

(1) 噴霧供水系統(tǒng)由水泵和調(diào)節(jié)閥組成多個(gè)串并聯(lián)回路，實(shí)現(xiàn)了噴霧供水系統(tǒng)寬范圍、高精度的壓力控制。

(2) 噴霧供水系統(tǒng)采用入口調(diào)節(jié)閥預(yù)置和出口調(diào)節(jié)閥先快速預(yù)置后閉環(huán)調(diào)節(jié)的策略解決了多個(gè)并聯(lián)支路存在的壓力耦合問(wèn)題，使系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到5s以?xún)?nèi)。

(3) 噴霧供水系統(tǒng)采用循環(huán)加熱和變參數(shù)PID精確調(diào)溫結(jié)合的方式，大大減小了加熱器配置功率，實(shí)現(xiàn)了水溫精確控制。

(4) 噴霧供氣系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)PID調(diào)溫、變比例系數(shù)快速PID調(diào)壓的控制策略解決了氣體溫度大滯后及溫度壓力耦合的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了供氣溫度壓力的精確控制。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)實(shí)際性能達(dá)到了預(yù)定指標(biāo)，滿(mǎn)足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

[1]戰(zhàn)培國(guó). 結(jié)冰風(fēng)洞研究綜述[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2007, 21(3): 92-96. Zhan P G. A review of icing wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2007, 21(3): 92-96.

[2]李樹(shù)成, 王帆, 徐銀麗, 等. 基于AMESim的某風(fēng)洞噴霧供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2010, 38(5): 122-124. Li S C, Wang F, Xu Y L, et al. Research on design of wind tunnel spraying water supply system based on AMESim[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2010, 38(5): 122-124.

[3]明賜東. 調(diào)節(jié)閥計(jì)算選型使用[M]. 成都: 成都科技大學(xué)出版社, 1999. Ming C D. Regulating valve selection calculation using[M]. Chengdu: Chengdu University of Science and Technology Press, 1999.

[4]曹文斌. 調(diào)節(jié)閥流量特性及動(dòng)態(tài)性能研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2013. Cao W B. Research of the flow performance and dynamic characteristics in control valve[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2013.

[5]王杰. 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性與控制研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2013. Wang J. Study on dynamic characteristic and control of electric control valve[D]. Jinan: Shandong University, 2013.

[6]衛(wèi)紅. 調(diào)節(jié)閥流量特性變化對(duì)調(diào)節(jié)精度的影響[J]. 中國(guó)氯堿, 2014, 7(5): 44-46. Wei H. Research of flow characteristics change for control precision effect[J]. China Chlor-Alkali, 2014, 7(5): 44-46.

[7]王志. 多變量PID控制方法的研究和應(yīng)用[D]. 北京: 北京化工大學(xué), 2007. Wang Z. Research and application of PID control methods in multivariable system[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2007.

[8]劉永芳, 馮良, 魯泓, 等. 冷凝式燃?xì)鉄崴魉疁刈儏?shù)PID控制方法[J]. 煤氣與熱力, 2013, 33(10): 13-15. Liu Y F, Feng L, Lu H, et al. Control method of variable parameter PID for water temperature in condensing gas water heater[J]. GAS & HEAT, 2013, 33(10): 13-15.

[9]盧賢良, 鄭德騰. 一種新型PID算法在車(chē)用交流發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)雜志, 1999, 9(5): 16-17. Lu X L, Zheng D T. A new kind of PID controller for vehicle AC generator testing system[J]. Electrician Technology Journal, 1999, 9(5): 16-17.

[10]田效伍, 王鮮芳, 張春梅. 變比例系數(shù)快速PID調(diào)節(jié)法[J]. 河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào), 2012, 10(3): 42-43. Tian X W, Wang X F, Zhang C M. Method of the fast PID control with changed scale coefficient[J]. Journal of Henan Mechanical and Electrical Engineering College, 2012, 10(3): 42-43.

[11]田淵. 基于模糊PID的循環(huán)水溫度控制系統(tǒng)研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2013. Tian Y. The circulating water temperature control system based on fuzzy PID[D]. ChengDu: School of Mechatronics Engineering, 2013.

[12]郭瑞青, 程啟明, 杜許峰, 等. 大時(shí)滯過(guò)程的控制方法[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 24(3): 248-253. Guo R Q, Cheng Q M, Du X F, et al. The overview of the control methods on large time delay systems[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2008, 24(3): 248-253.

[13]張峻穎. 時(shí)滯對(duì)象的控制方法研究及其在電加熱器溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 杭州: 浙江工業(yè)大學(xué), 2003. Zhang J Y. The research of control methods for time-delay systems and the application in electrical heating[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2003.

[14]易賢, 桂業(yè)偉, 肖春華, 等. 結(jié)冰風(fēng)洞液態(tài)水含量測(cè)量方法研究[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2009, 27(21): 81-90.

Yi X, Gui Y W, Xiao C H, et al. A method of liquid water content measurement in icing wind tunnel[J]. Review Science & Technology, 2009, 27(21): 81-90.

[15]符澄, 彭強(qiáng), 張海洋,等. 結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境對(duì)噴嘴霧化特性的影響初步研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(3): 30-34. Fu C, Peng Q, Zhang H Y. Wu S H. Preliminary research on spray nozzle atomization characteristics in Icing wind tunnel environment[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015, 29(3): 30-34.

[16]符澄, 彭強(qiáng), 張海洋, 等. 結(jié)冰風(fēng)洞噴嘴霧化特性研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(2): 32-36. Fu C, Peng Q, Zhang H Y, et al. The atomization characteristics research for spray nozzle of Icing wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015, 29(2): 32-36.

Researchoncontrolmethodofsprayingsystemintheicingwindtunnel

Li Shucheng*, Luo Qiang, Chen Dan, Huang Weikai

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

Spraying system is the core supporting equipment of the Icing wind tunnel, which is mainly used for simulating aerial environment. The investigation for the precision control method of pressure and temperature was developed, according to the complicated structure and high control accuracy of spraying system. The problem of spray rake pressure inconsistent and mutual coupling were solved, by giving pumps rotating speed, presetting inlet and outlet regulating values opening ratio, and feedback controlling outlet regulating values. Base on which, the high accuracy and wide range control of water pressure were achieved at last. Accurate water temperature control was gained through circular calefaction in seedtime and accurate temperature adjustment using variable parameter PID in test time. The problems of air pressure and temperature mutual coupling and the temperature change time delay were solved, through the method of fuzzy adaptive PID for temperature control and variable proportion coefficient PID for pressure control, and then realized the accurate air supply pressure and temperature control. Experimental results proved that the control algorithm is feasibility, and the performance of the spraying system can satisfy the technical requirements.

wind tunnel;spraying;water supply;air supply;control

1672-9897(2017)06-0093-07

10.11729/syltlx20160036

2016-11-01;

2017-07-18

*通信作者 E-mail: lsc9908@163.com

LiSC,LuoQ,ChenD,etal.Researchoncontrolmethodofsprayingsystemintheicingwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 93-99. 李樹(shù)成, 羅 強(qiáng), 陳 旦, 等. 結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)控制方法研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(6): 93-99.

V211.7

A

李樹(shù)成(1979-)，男，河南太康人，碩士，助理研究員。研究方向：流體傳動(dòng)與控制。通信地址：四川省綿陽(yáng)市二環(huán)路南段6號(hào)14信箱403分箱(621000)。E-mail:lsc9908@163.com

(編輯：李金勇)