CN112484953A

CN112484953A - 一种电弧风洞流量调节控制系统

Info

Publication number: CN112484953A
Application number: CN201910866645.6A
Authority: CN
Inventors: 刘凤娇; 贾向阳; 刘连杰
Original assignee: Hengling Electromechanical Technology Suzhou Co ltd
Current assignee: Hengling Electromechanical Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明揭示了一种电弧风洞流量调节控制系统，包括上位机、IPC控制器、EtherCAT总线接口模块、模拟量输入模块AI、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、EtherCAT分支模块、EtherCAT扩展模块、主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组、主气支路调节阀压力模块、辅气支路调节阀压力模块、主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀、伺服驱动器。本发明涉及一种采用智能PID控制、模糊控制和神经网络的控制系统，实现多变量、变参数台阶控制，提高了系统的稳态精度，误差小于0.05MPa，流量范围可达0.2kg/s～5kg/s，调节精度优于0.1％、增大了负载的调节范围、缩短了系统的调节时间。

Description

一种电弧风洞流量调节控制系统

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种电弧风洞流量调节控制系统。

背景技术

电弧风洞是导弹、卫星和宇宙飞船等高超声速飞行器研制的核心试验设备，就是人工制造出一段能够稳定运行的闪电，在高气压条件下将气流瞬间加热，模拟飞行器面临的高温环境。电弧风洞能够持续产生高焓、高超声速试验气流，是高超声速飞行器热防护和热考核重要地面试验设备；电弧通过辐射和对流加热空气，经喷管加速形成高速试验气流、高焓等，目的是模拟飞行器再入时的热环境。工作气体的流量是电弧风洞运行时的主要可控参数之一，它的调节性能良好代表着风洞的性能优劣。随着航天高精度地面试验技术的发展，要求电弧风洞变参数台阶运行以更接近实际地模拟飞行器再入轨道的热环境。而这些轨道大多包含参数变化剧烈区域，为了减小模拟的偏差，要求电弧风洞工作状态及工作气体流量能精准、快速、宽范围变换。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提出一种电弧风洞流量调节控制系统。

发明内容如下：

一种电弧风洞流量调节控制系统，包括上位机、IPC控制器、 EtherCAT总线接口模块、模拟量输入模块AI、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、EtherCAT分支模块、EtherCAT扩展模块、主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组、主气支路调节阀压力模块、辅气支路调节阀压力模块、主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀、伺服驱动器。

在一种可能的实现方式中，所述上位机是和IPC控制器相连，输出 IPC控制器数值及给IPC控制器输入控制指令。

在一种可能的实现方式中，所述IPC控制器一端与上位机相连，一端通过EtherCAT总线接口模块相连，IPC控制器是把上位机控制指令通过IPC控制器编码后传递给EtherCAT总线接口模块和把 EtherCAT总线接口模块得到的指令通过IPC控制器编码后传输给上位机。

在一种可能的实现方式中，所述模拟量输入模块AI一端与 EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路调压阀压力模块、辅气支路调压阀压力模块相连，是采集主、辅气支路调压阀模块的数值。

在一种可能的实现方式中，所述数字量输入模块DI一端与 EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组相连，是采集主、辅气支路气动球阀组开关状态，气动球阀组打开状态反馈给数字量输入模块DI是0，气动球阀组关闭的状态反馈给数字量输入模块DI是1。

在一种可能的实现方式中，数字量输出模块DO一端与EtherCAT 总线接口模块连接，一端分别于主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组相连，是控制主、辅气支路气动球阀组开关状态，数字量输出模块DO是0就将气动球阀组打开状态，数字量输出模块DO是1就将气动球阀组关闭的状态。

在一种可能的实现方式中，所述伺服驱动器一端与EtherCAT分支模块相连，一端分别于主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀相连，用于驱动主、辅气支路电动调节阀的开关状态。

在一种可能的实现方式中，所述控制系统包含闭环负反馈回路，实现控制系统的高精度实时调节。

本发明的有益效果包括：采用神经网络、模糊控制和智能PID组合控制方法，具有响应快，稳定性高等特点；同时流量调节范围宽：流量范围0.2kg/s～5kg/s，调节精度优于0.1％；调压阀调节时间短，变参数后调节小于6s；调节阀负载变化大，阀后调节压力具有1MPa～22MPa这个范围；稳态精度高，误差小于0.05MPa。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1是本发明流量控制系统组成方案框图。

图2是本发明流量控制系统原理图。

图3是本发明流量控制系统工作流程。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。对本实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

图1是根据一示例性实施例示出的一种电弧风洞流量调节控制系统。如图1所示，该控制系统主要包括：上位机、IPC控制器、EtherCAT 总线接口模块、模拟量输入模块AI、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、EtherCAT分支模块、EtherCAT扩展模块、主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组、主气支路调节阀压力模块、辅气支路调节阀压力模块、主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀、伺服驱动器。

所述上位机是和IPC控制器相连，输出IPC控制器数值及给IPC 控制器输入控制指令。所述IPC控制器一端与上位机相连，一端通过EtherCAT总线接口模块相连，IPC控制器是把上位机控制指令通过IPC控制器编码后传递给EtherCAT总线接口模块和把

EtherCAT总线接口模块得到的指令通过IPC控制器编码后传输给上位机；所述模拟量输入模块AI一端与EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路调压阀压力模块、辅气支路调压阀压力模块相连，是采集主、辅气支路调压阀模块的数值。数字量输入模块DI一端与EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组相连，是采集主、辅气支路气动球阀组开关状态，气动球阀组打开状态反馈给数字量输入模块DI是0，气动球阀组关闭的状态反馈给数字量输入模块DI 是1；数字量输出模块DO一端与EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组相连，是控制主、辅气支路气动球阀组开关状态，数字量输出模块DO是 0就将气动球阀组打开状态，数字量输出模块DO是1就将气动球阀组关闭的状态。所述EtherCAT总线接口模块是本系统的核心，是实现电弧风洞流量调节控制的最关键部分。

所述伺服驱动器一端与EtherCAT分支模块相连，一端分别于主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀相连，用于驱动主、辅气支路电动调节阀的开关状态。

所述控制系统包含闭环负反馈回路，实现控制系统的高精度实时调节。

所述控制系统通过上位机和IPC控制器通讯，IPC控制器通过EtherCAT总线接口模块控制模拟量输入模块AI、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、EtherCAT扩展模块等以达到控制主辅气支路气动球阀组和主辅气支路电动调节阀，以此来实现电弧风洞流量调节控制的目的；所述模拟量输入模块AI是采集主、辅气支路调压阀压力的模拟量；所述数字量输入模块DI是采集主、辅气支路气动球阀组开关状态，交给IPC控制器；所述数字量输出模块DO是控制主、辅气支路气动球阀组开关状态；所述主辅气支路电动调节阀是实现小范围的流量调节；所述变参数台阶运行是流量参数不是连续的，呈现的是阶梯式的运行方式，就是每种工况下流量参数都是不一样的，同时在每种工况下都有一些参数进行实时调节，以实现尽快稳定到系统需要的流量；

图2是根据一示例性实施例示出的一种电弧风洞流量调节控制的原理图，所述控制系统采用主气支路为主，辅气之路为辅，以实现在极短时间内达到系统所需的流量，同时辅气之路实现动态达到系统平衡稳定状态；所述控制系统采用多路主辅之路控制方式，系统流量变参数调节时间小于6s；所述加热器是有两极电弧放电，加热器把空气电离瞬间产生高温高压气体，形成电弧放电，加热器需要变参数台阶运行，变参数台阶就是根据每种工况条件下，会有参考参数，这样便于系统快速达到所需要的流量；所述EtherCAT分支模块是通过伺服驱动器控制主辅气支路电动调节阀；

本发明流量控制系统工作流程如图3所示，风洞实验之前，系统处于等待状态，待风洞试验开始时，系统接收风洞主控制系统发出的触发信号，程序开始启动，预开调压阀到指定位置，同时给主控制系统发送开始信号，根据设定参数计算阀门开关组合参数和调节参数，控制6条脉冲支路中气动球阀的开关组合出设定流量的大部分，动态调节控制电动调节阀完成剩余小部分流量的调节，安装于阀门前后压力传感器作为调节支路系统反馈，实现闭环高精度实时调节。流场稳定后通知主控系统进行模型测试，数据采集。当每组参数执行完成后，给主控制系统发送参数完成信号。按试验前设定的参数和顺序依次执行，待试验完成后，控制调节阀到某一开度(可设置)，然后返回试验完毕信号，并恢复到下一次试验等待触发状态。在试验过程中，为保证风洞安全、可靠运行，出现故障紧急停车，接收到风洞主控系统紧急停车信号后，切断气动球阀组，调节阀恢复到预设位置，系统恢复到下一次试验等待触发状态。

在一种可能的实现方式中，所述控制系统采用神经网络、模糊控制和智能PID组合控制方法，具有响应快，稳定性高等特点；同时流量调节范围宽：流量范围0.2kg/s ～5kg/s，调节精度优于0.1％；调压阀调节时间短，变参数后调节时间小于6s；调节阀负载变化大，阀后调节压力具有1MPa～22MPa这个范围；稳态精度高，误差小于0.05MPa。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

Claims

1.一种电弧风洞流量调节控制系统，其特征在于，包括：上位机、IPC控制器、EtherCAT总线接口模块、模拟量输入模块AI、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、EtherCAT分支模块、EtherCAT扩展模块、主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组、主气支路调节阀压力模块、辅气支路调节阀压力模块、主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀、伺服驱动器。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述上位机是和IPC控制器相连，显示IPC控制器传输的数据及给IPC控制器发出控制指令。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述IPC控制器一端与上位机相连，一端通过EtherCAT总线接口模块相连，IPC控制器是把上位机控制指令通过IPC控制器编码后传递给EtherCAT总线接口模块和把EtherCAT总线接口模块得到的指令通过IPC控制器解码后传输给上位机。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述模拟量输入模块AI一端与EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路调压阀压力模块、辅气支路调压阀压力模块相连，是采集主、辅气支路调压阀模块的数值。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，数字量输入模块DI一端与EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组相连，是采集主、辅气支路气动球阀组开关状态，气动球阀组打开状态反馈给数字量输入模块DI是0，气动球阀组关闭的状态反馈给数字量输入模块DI是1。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，数字量输出模块DO一端与EtherCAT总线接口模块连接，一端分别于主气支路气动球阀组、辅气支路气动球阀组相连，是控制主、辅气支路气动球阀组开关状态，数字量输出模块DO是0就将气动球阀组打开状态，数字量输出模块DO是1就将气动球阀组关闭的状态。

7.根据权利要求1所述控制系统，其特征在于，所述EtherCAT分支模块一端与EtherCAT总线接口模块相连，一端与伺服驱动器相连，是接收EtherCAT总线接口模块命令控制伺服驱动器。

8.根据权利要求1所述控制系统，其特征在于，所述伺服驱动器一端与EtherCAT分支模块相连，一端分别于主气支路电动调节阀、辅气支路电动调节阀相连，用于驱动主辅气支路电动调节阀的开关状态。

9.根据权利要求1所述控制系统，其特征在于，所述电动调节阀负调节载变化大，调节压力具有1MPa～22MPa范围。

10.根据权利要求1所述控制系统，其特征在于，所述控制系统稳态精度高，误差小于0.05MPa；其流量范围0.2kg/s～5kg/s，调节精度优于0.1％，流量变参数调节时间小于6s；闭环负反馈回路，实现控制系统的高精度实时调节。