CN115933517B - 一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统,属于风洞试验技术领域，选择同步、异步的控制方法来控制两台对旋风机的变频器。变频器通过改变两极电机的工作电源频率对两极电机调速，并通过编码器将电机的转速等信息反馈，实现电机的闭环控制。两极电机通过输出轴驱动双极对旋风机的执行机构旋转，有效提高亚声速风洞内的风速，使其满足亚声速风洞在不同工况下的风速需求。

Description

一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统。

背景技术

亚声速风洞是试验段马赫数在0.4Ma-0.8Ma之间的风洞。随着航空技术的进步，一些旋翼飞机、高空长航时无人机以及新型运输机的巡航马赫数接近0.7Ma，如果要完成这几类机型的全飞行风洞试验，则要求风洞的最大风速要不小于0.7Ma。针对亚声速风洞风速需求较高的特点，采用双极对旋风机作为风洞动力段的驱动风机，因此，需要一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统，用于保证亚声速风洞满足各工况条件下的风速需求。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统，来满足亚声速风洞在不同工况下的风速需求，为亚声速风洞试验提供必要的试验条件。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统，包括上位机与PLC工控机，上位机的通讯输出端与PLC工控机的通讯输入端相连，PLC工控机的通讯输出端分别与双极对旋风机的第一变频器、第二变频器的通讯输入端相连，第一变频器通过第一编码器采集前置电机的转速值，第二变频器通过第二编码器采集后置电机的转速值，前置电机输出轴与第一级风扇叶轮的输入轴相连，后置电机的输出轴与第二级风扇叶轮的输入轴相连；PLC工控机接收上位机的控制命令，分别控制第一变频器和第二变频器，第一变频器对前置电机调速，第二变频器对后置电机调速，第一编码器将前置电机的转速值反馈给第一变频器，第二编码器将后置电机的转速值反馈给第二变频器，PLC工控机对前置电机和后置电机进行如下控制：将给定风速值的50%分别转换成前置电机和后置电机给定风速，并将给定风速发送给两组变频器，从而控制前置电机、后置电机旋转，在亚声速风洞内设置差压传感器，用于测量亚声速风洞稳定段的总压和试验段的静压，通过计算得到亚声速风洞试验段的实际风速并反馈给PLC工控机，从而判断实际风速是否与给定风速相同，在PLC工控机中建立PID控制器，通过PID控制器调节前置电机，具体调节方式如下：

k时刻，实际风速v(k)与给定风速s(k)的偏差量e(k)的值为：

k+1时刻偏差量e(k+1)的值为：

则k时刻与k+1时刻的偏差量之间的误差Δe(k)为：

通过下面的PID控制公式对前置电机进行调节，使得实际风速尽快达到给定风速，逐步消除偏差量：

其中，t为采样时间, e(j)代表第j时刻的偏差量，通过不断调节比例调节系数K_P、积分调节系数K_i和微分调节系数K_d，来不断的提高系统的调节精度，使得偏差量e(k)小于给定风速的0.1%。

进一步的，调节完前置电机后，再通过差压传感器测量实际风速与给定风速进行比较，若偏差量e(k)仍大于给定风速的0.1%，则在建立的PID控制器的基础上，根据不同的偏差量对PID参数进行自整定，具体的控制方式为：预设一个偏差量的极大值e(k)_max以及一个极小值e(k)_min；

当偏差量e(k)> e(k)_max时，说明系统的偏差量过大，将给定风速设置成双极对旋风机的最大风速，使得偏差量在最快的时间内被消除；

当偏差量e(k)_min<e(k)<e(k)_max时，偏差量变化率为e(k)×Δe(k)，且e(k)×Δe(k)>0，说明系统正在朝着偏差量增大的方向变化，为了消除偏差量，需要改变误差Δe(k)变化趋势，继续调节比例调节系数K_P、积分调节系数K_i和微分调节系数K_d，使得偏差变化率e(k)×Δe(k)≤0，从而逐渐消除偏差，

当偏差量e(k)<e(k)_min时，说明系统的偏差很小，只需调节比例调节系数K_P和积分调节系数K_i，采用的公式如下：

。

本发明还可以采用另外一种控制方法：首先前置电机按照上位机给定的转速开始转动，前置电机开始转动后，后置电机按照PLC工控机内设置的加速度值加速转动，追踪前置电机的转速；当前置电机的转速与后置电机的转速达到一致时，在PLC工控机中分别建立前置电机和后置电机的PID控制器，通过差压传感器测量亚声速风洞稳定段的总压和试验段的静压，从而计算出k时刻的实际风速v(k)与给定风速s(k)之间的偏差量e(k)，由于前置电机与后置电机在运行过程中需保证转速相同，所以在控制时将偏差量e(k)/2作为前置电机的偏差量代入前置电机的PID控制器中，将偏差量e(k)/2作为后置电机的偏差量代入后置电机的PID控制器中，同时对前置电机和后置电机进行PID控制以消除偏差量e(k)：

其中，v₁(k)为前置电机产生的风速，v₂(k)为后置电机产生的风速，K_1p、K_1i、K_1d分别为前置电机的PID控制器的比例调节系数、积分调节系数、微分调节系数，K_2p、K_2i、K_2d分别为后置电机的PID控制器的比例调节系数、积分调节系数、微分调节系数，t为采样时间，通过不断调节前置电机和后置电机的PID调节系数来不断的提高系统的调节精度，使得偏差量e(k)小于给定风速的0.1%。

进一步的，调节完前置电机和后置电机后，再通过差压传感器测量实际风速v(k)与给定风速s(k)进行比较，如果两者风速偏差量e(k)仍大于给定风速的0.1%，则在建立的PID控制器的基础上，根据不同的偏差量对PID参数进行自整定，具体的控制方式为，对前置电机预设一个偏差量的极大值e(k)_max'以及一个极小值e(k)_min'；

当前置电机的偏差量e(k)/2＞e(k)_max'时，说明系统的偏差量过大，将给定风速设置成双极对旋风机的最大风速，使得偏差在最快的时间内被消除；

当前置电机的偏差量e(k)_min'< e(k)/2< e(k)_max'，偏差变化率为e(k)/2×Δe(k)/2，且e(k)/2×Δe(k)/2>0，说明系统正在朝着偏差量增大的方向变化，为了消除偏差量，需要改变系统的误差Δe(k)变化趋势，继续调节比例调节系数K_1p、积分调节系数K_1i和微分调节系数K_1d，使得偏差变化率e(k)/2×Δe(k)/2≤0，从而逐渐消除偏差量；

当前置电机的偏差量e(k)/2< e(k)_min'，说明系统的偏差量很小，只需调节比例调节系数K_1p和积分调节系数K_1i，采用的公式如下：

，

同时对后置电机采用与前置电机相同的自整定方法进行调节。

本控制系统还包括安全联锁系统，所述的安全联锁系统读取两组变频器的参数，对两台电机进行监控；当两台电机转速差n＞20%时，控制两台电机停止运行；当两部电机转速差20%＞n＞10%时，同时调节两台电机转速，将较高速度的电机减速、将较低速度的电机加速，直至两台电机同步；当两台电机转速差10%＞n＞0时，只需调节一台电机转速，将较低速度的电机加速，直至两台电机同步。

本发明的优点及有益效果：本发明能够调节双极对旋风机的两极转速，有效提高了亚声速风洞试验段内的风速，具有控制精度高的优点，使其满足亚声速风洞在不同工况下的风速需求。

附图说明

图1是亚声速风洞动力段控制系统的结构示意图。

图2是异步控制的风速控制原理图。

图3是同步控制的时序图。

图4是同步控制的风速控制原理图。

图5是安全联锁系统的控制流程图。

具体实施方式

为使申请实施的目的、技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请方式中的技术方案举例进行更加详细的描述。

实施例1

如图1所示，一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统，其特征在于，包括上位机1与PLC工控机2，所述的双极对旋风机包括前置电机4-1和后置电机4-2及相应的两组变频器和两组编码器，前置电机4-1驱动第一级风扇叶轮6-1，后置电机4-2驱动第二级风扇叶轮6-2，上位机1的通讯输出端与PLC工控机2的通讯输入端相连，PLC工控机2的通讯输出端分别与双极对旋风机的第一变频器3-1、第二变频器3-2的通讯输入端相连，第一变频器3-1通过第一编码器5-1采集前置电机4-1的转速值，第二变频器3-2通过第二编码器5-2采集后置电机4-2的转速值，前置电机4-1输出轴与第一级风扇叶轮6-1的输入轴相连，后置电机4-2的输出轴与第二级风扇叶轮6-2的输入轴相连；PLC工控机2接收上位机1的控制命令，分别控制第一变频3-1器和第二变频器3-2，第一变频器3-1对前置电机4-1调速，第二变频器3-2对后置电机4-2调速，第一编码器5-1将前置电机4-1的转速值反馈给第一变频器3-1，第二编码器5-2将后置电机4-2的转速值反馈给第二变频器3-2，实现电机的闭环控制。

在上位机1中利用LabVIEW软件建立起人机交互界面，将操作人员的控制命令通过以太网通讯协议发送给PLC工控机2中，PLC工控机2为亚声速风洞动力段控制系统的核心，接收上位机1控制命令，通过内部的程序和算法对上位机1的控制命令进行解析，并选择相应的控制方法来控制两台变频器，变频器通过改变两极电机的工作电源频率对两极电机调速，并通过编码器将电机转速等信息反馈，实现电机的实时闭环控制，两台电机通过输出轴驱动双极对旋风机的执行机构旋转，提高亚声速风洞内的风速。

本发明的一种实施方案为异步控制方式，通过分别控制两台变频器，变频控制两台电机分别旋转，进而带动双极对旋风机的两极旋转。异步控制方式通过对给定风速值进行解析，分别计算出两台电机的给定转速并驱动其旋转；在亚声速风洞试验段内设置差压传感器7，测量试验段的实际风速；根据实际风速与给定风速之间的差值搭建稳风速控制系统，得到用于变频器的PID控制器的参数整定值。参数整定后，建立稳风速控制系统，实时闭环控制两极电机转速，保证实际风速满足实际工况需求，具体包括如下步骤：

步骤1：PLC工控机2对给定风速值进行整定，在标准工况下，产生的风速与电机转速成线性关系，即

v=p×n

其中， v为风速；p为常数，这里取0.28；n为电机转速。

将给定风速值的50%通过公式进行换算电机转速并分别设置前置电机4-1和后置电机4-2，带动双极对旋风机的风扇桨叶旋转。

步骤2：在亚声速风洞内设置差压传感器7，测量试验段的实际风速并反馈给PLC工控机2中判断亚声速风洞试验段的k时刻实际风速v(k)是否与给定风速s(k)相同。

实际风速v(k)计算公式为：

其中，M为马赫数；P₀为稳定段总压；P_S为试验段静压；T为试验段温度。

根据风速计算公式可知，实际风速v(k)与稳定段总压P₀、试验段静压P_S、试验段温度T相关。

步骤3：搭建异步控制的风速控制系统，风速控制系统原理如图2所示。

其中在PLC工控机2中建立PID控制器，并通过PLC工控机2的D/A转换器将数字量信号（给定风速）转换为模拟量信号（转速/频率）传递给电机；PLC工控机2的A/D转换器将差压传感器的模拟量信号（压力）转换为数字量信号（风速）带回PID控制器计算。

步骤4：根据差压传感器7测量试验段的实际风速，然后计算出k时刻的实际风速v(k)与给定风速s(k)之间的偏差量e(k)，调节前置电机4-1，具体调节方式如下为：通过前置电机4-1的PID控制器对前置电机4-1进行参数整定，控制方式为：

k时刻，实际风速v(k)与给定风速s(k)的偏差量e(k)的值为：

k+1时刻偏差量e(k+1)的值为：

则k时刻与k+1时刻的偏差量的误差Δe(k)为：

通过下面的PID控制公式对前置电机4-1进行调节，使得实际风速尽快达到给定风速，逐步消除偏差：

其中，t为采样时间, e(j)代表第j时刻的偏差量，通过不断调节比例调节系数K_P、积分调节系数K_i和微分调节系数K_d，来不断的提高系统的调节精度，使得偏差量e(k)小于给定风速的0.1%。

步骤5：调节完前置电机4-1后，再通过差压传感器7测量实际风速与给定风速进行比较，正常情况下两者风速相同（偏差量e(k)小于给定风速的0.1%）；如果两者风速偏差量e(k)仍大于给定风速的0.1%，则在PID控制的基础上，根据不同的偏差量和偏差变化率对PID参数进行自整定，具体的控制方式为：

（1）根据PID控制得到的偏差量e(k)的值，预设一个偏差量的极大值e(k)_max以及一个极小值e(k)_min。

（2）当偏差量e(k)> e(k)_max时，说明系统的偏差量过大，需要将给定风速设置成风机的最大风速，使得偏差量可以在最快的时间内被消除;

（3）当偏差量e(k)_min<e(k)<e(k)_max时，偏差变化率为e(k)×Δe(k)，且e(k)×Δe(k)>0，说明系统正在朝着偏差量增大的方向变化，为了消除偏差量，需要改变系统的误差变化趋势，继续调节比例调节系数K_P、积分调节系数K_i和微分调节系数K_d，使得偏差量变化率e(k)×Δe(k)≤0，从而逐渐消除偏差，

（4）当偏差量e(k)<e(k)_min，说明系统的偏差量很小，此时如果调节参数K_d可能会引起系统超调，所以只需调节比例调节系数K_p和积分调节系数K_i，采用的控制公式如下：

实施例2

本实施例采用同步控制方式，通过两台电机之间绝对同步运动，保证亚声速风洞试验段对旋风机的两极叶片实现同步运行。同步控制方式通过上位机1发布同步命令；在前置电机4-1启动的过程中，同步控制方式会根据输入的动态响应参数启动从轴并加速运行，直到前置电机4-1运行速度与后置电机4-2运行速度相等，完成同步，具体步骤如下

步骤1：上位机1发布同步命令，启动前置电机4-1和后置电机4-2之间的同步运动。前置电机4-1接收到上位机的开始运动指令按照指定转速转动。

步骤2：前置电机4-1开始转动后，后置电机4-2按照PLC工控机2中设置的加速度值参数加速运动，追踪前置电机4-1的速度。

步骤3：当前置电机4-1速度与后置电机4-2速度达到一致时，代表后置电机4-2与前置电机4-1同步，两电机以相同的转速运行。

步骤4：两电机以相同的转速运行后，构建两台电机的PID控制器，用于同步控制风速，如图3-4所示。同步控制的风速控制原理与异步控制相似，不同之处在于：异步控制只需要控制前置电机4-1，而同步控制需要同时控制前置电机4-1和后置电机4-2，使得两电机一直以相同转速运行。具体的控制方式如下：

（1）根据差压传感器7测量试验段的实际风速，然后计算出k时刻的实际风速v(k)与给定风速s(k)之间的偏差量e(k)。由于前置电机4-1与后置电机4-2在运行过程中需保证转速相同，所以在控制时将偏差量e(k)/2作为前置电机4-1的偏差量代入前置电机4-1的PID控制器中，将偏差量e(k)/2作为后置电机4-2的偏差量代入后置电机4-2的PID控制器中，同时对前置电机4-1和后置电机4-2进行PID控制以消除偏差量e(k)：

其中，v₁(k)为前置电机4-1产生的风速，v₂(k)为后置电机4-2产生的风速，K_1p、K_1i、K_1d分别为前置电机4-1的PID控制器的比例调节系数、积分调节系数、微分调节系数，K_2p、K_2i、K_2d分别为后置电机4-2的PID控制器的比例调节系数、积分调节系数、微分调节系数，t为采样时间，通过不断调节前置电机4-1和后置电机4-2的PID调节系数来不断的提高系统的调节精度，使得偏差量e(k)小于给定风速的0.1%。

（2）调节完前置电机4-1和后置电机4-2后，再通过差压传感器7测量实际风速v(k)与给定风速s(k)进行比较，如果两者风速偏差量e(k)仍大于给定风速的0.1%，则在建立的PID控制器的基础上，根据不同的偏差量对PID参数进行自整定，具体的控制方式为，对前置电机4-1预设一个偏差量的极大值e(k)_max'以及一个极小值e(k)_min'；

当前置电机4-1的偏差量e(k)/2＞e(k)_max'时，说明系统的偏差量过大，将给定风速设置成双极对旋风机的最大风速，使得偏差在最快的时间内被消除；

当前置电机4-1的偏差量e(k)_min'< e(k)/2< e(k)_max'，偏差变化率为e(k)/2×Δe(k)/2，且e(k)/2×Δe(k)/2>0，说明系统正在朝着偏差量增大的方向变化，为了消除偏差量，需要改变系统的误差Δe(k)变化趋势，继续调节比例调节系数K_1p、积分调节系数K_1i和微分调节系数K_1d，使得偏差变化率e(k)/2×Δe(k)/2≤0，从而逐渐消除偏差量；

当前置电机4-1的偏差量e(k)/2< e(k)_min'，说明系统的偏差量很小，只需调节比例调节系数K_1p和积分调节系数K_1i，采用的公式如下：

，

同时对后置电机4-2采用与前置电机4-1相同的自整定方法进行调节。

采用同步控制方法能够保证亚声速风洞试验段对旋风机的两极叶片实现同步运行，可以有效避免由于差速运行所导致的启动困难等情况，提高对旋风机的工作效率，提升亚声速风洞的适用范围和适用工况，使其满足试验所需工况需求。

实施例3

本控制系统还增加了安全联锁系统8，用于对亚声速风洞动力段控制系统的运行状态进行实时监测和处理，具备故障报警和紧急停车等功能，确保设备安全运行，上位机1的通讯输出端与安全联锁系统的通讯输入端相连，安全联锁系统与变频器3-1，变频器3-2通过电信号连接，其它组成及连接方式与实施1相同。安全联锁系统通过读取变频器参数、声光报警器触发信号，判断风机运行是否正常，具体的控制流程结合图5进行说明：

步骤1：启动安全联锁系统，通过通讯协议读取上位机1的控制命令。

步骤2：安全联锁系统读取变频器参数，对电机进行监控。

步骤3：当两台电机转速差n＞20%时，由于转速差值过大，控制电机停止运行，保护电机安全，并在上位机1上提示操作人员对电机进行检查维修。

步骤4：当两台电机转速差20%＞n＞10%时，由于转速差值较大，所以需要同时调节两台电机转速，将较高速度的电机减速、将较低速度的电机加速，直至两台电机同步。

步骤5：当两台电机转速差10%＞n＞0时，由于转速差值较小，所以只需调节一台电机转速，将较低速度的电机加速，直至两台风机同步。

Claims (1)

1.一种用于亚声速风洞动力段的双极对旋风机的控制系统，包括上位机(1)与PLC工控机(2)，PLC工控机(2)接收上位机(1)的控制命令，分别控制第一变频器(3-1)、第二变频器(3-2)和安全联锁系统(8)，第一变频器(3-1)对前置电机(4-1)调速，第二变频器(3-2)对后置电机(4-2)调速，第一编码器(5-1)将前置电机(4-1)的转速值反馈给第一变频器(3-1)，第二编码器(5-2)将后置电机(4-2)的转速值反馈给第二变频器(3-2)，其特征在于，PLC工控机(2)对前置电机(4-1)和后置电机(4-2)进行如下控制：将给定风速值的50％分别转换成前置电机(4-1)和后置电机(4-2)给定风速，并将给定风速发送给两组变频器，从而控制前置电机(4-1)、后置电机(4-2)旋转，在亚声速风洞内设置差压传感器(7)，用于测量亚声速风洞稳定段的总压和试验段的静压，通过计算得到亚声速风洞试验段的实际风速并反馈给PLC工控机(2)，从而判断实际风速是否与给定风速相同，在PLC工控机(2)中建立PID控制器，通过PID控制器调节前置电机(4-1)，具体调节方式如下：

k时刻，实际风速v(k)与给定风速s(k)的偏差量e(k)的值为：

e(k)＝v(k)-s(k)

k+1时刻偏差量e(k+1)的值为：

e(k+1)＝v(k+1)-s(k+1)

则k时刻与k+1时刻的偏差量之间的误差Δe(k)为：

Δe(k)＝e(k+1)-e(k)

通过下面的PID控制公式对前置电机(4-1)进行调节，使得实际风速尽快达到给定风速，逐步消除偏差量：

其中，t为采样时间,e(j)代表第j时刻的偏差量，通过不断调节比例调节系数K_P、积分调节系数K_i和微分调节系数K_d，来不断的提高系统的调节精度，使得偏差量e(k)小于给定风速的0.1％；

调节完前置电机(4-1)和后置电机(4-2)后，再通过差压传感器(7)测量实际风速v(k)与给定风速s(k)进行比较，如果两者风速偏差量e(k)仍大于给定风速的0.1％，则在建立的PID控制器的基础上，根据不同的偏差量对PID参数进行自整定，具体的控制方式为，对前置电机(4-1)预设一个偏差量的极大值e(k)_max'以及一个极小值e(k)_min'；

当前置电机(4-1)的偏差量e(k)/2＞e(k)_max'时，说明系统的偏差量过大，将给定风速设置成双极对旋风机的最大风速，使得偏差在最快的时间内被消除；

当前置电机(4-1)的偏差量e(k)_min'<e(k)/2<e(k)_max'，偏差变化率为e(k)/2×Δe(k)/2，且e(k)/2×Δe(k)/2>0，说明系统正在朝着偏差量增大的方向变化，为了消除偏差量，需要改变系统的误差Δe(k)变化趋势，继续调节比例调节系数K_1p、积分调节系数K_1i和微分调节系数K_1d，使得偏差变化率e(k)/2×Δe(k)/2≤0，从而逐渐消除偏差量；

当前置电机(4-1)的偏差量e(k)/2<e(k)_min'，说明系统的偏差量很小，只需调节比例调节系数K_1p和积分调节系数K_1i，采用的公式如下：

同时对后置电机(4-2)采用与前置电机(4-1)相同的自整定方法进行调节；

所述的安全联锁系统(8)读取两组变频器的参数，对两台电机进行监控；当两台电机转速差n＞20％时，控制两台电机停止运行；当两部电机转速差20％＞n＞10％时，同时调节两台电机转速，将较高速度的电机减速、将较低速度的电机加速，直至两台电机同步；当两台电机转速差10％＞n＞0时，只需调节一台电机转速，将较低速度的电机加速，直至两台电机同步。