CN116222949A - 一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统及其试验方法，属于风洞试验技术领域，解决了现有的试验系统能源使用及分配效率低的问题。包括制冷机组、加湿锅炉、除湿机组、楔形流量计、涡街流量计、热式质量流量计、温度变送器、换热器、主风机、能源服务器和本地控制计算机，在环境舱制冷供液管道入口布置楔形流量计和温度变送器，回液管道布置温度变送器，实时测量载冷剂的流量和温度数据；本地控制计算机在有车辆试验时为加湿量和补气量提供特性数据；能源服务器对制冷机组、加湿锅炉、除湿机组通讯控制。在试验过程中，本发明准确测量车辆消耗的热负荷、加湿量和补气量，获得不同环境状态的车辆性能数据，提高能源使用效率。

Description

一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统及其试验方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及到一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统及其试验方法。

背景技术

车辆环境模拟风洞用于实现不同类型车辆的环境模拟，通过配置某种类型的环境舱，用于实现海拔高度、高低温度、高低湿度、砂尘、日光、降雨降雪、积冰冻雨等环境条件的模拟，以测试车辆按照相关的实验室环境试验标准开展性能试验，满足相应工况下的测试标准要求。

对于大型综合环境模拟试验设施，环境舱不同使用终端通常使用一套共用的能源供应设施，而环境舱本身的阀门、风机等设备由本地控制系统控制。在使用公共能源时，需要进行协调匹配处理，以便最优化和高效率地使用能源。尤其在车辆变化、试验类型复杂时，需要独立的能源监测和分配系统进行监测和处理，避免使用终端过度占用、无序控制。

现有的环境舱能源使用和开展试验时存在以下问题：

1.车辆类型经常发生变化，包括可能为轮式装甲车辆、履带式装甲车辆、小轿车、越野车、大型客车、运输车等，车体的重量、发动机功率、发动机排量不同，产生的热负荷和消耗的空气量、加湿量不同；

2.试验类型经常发生变化，根据相关的实验室环境试验标准，不同车辆开展的高低温、高海拔、高湿、日光、积冰冻雨、降雨降雪、砂尘等，气候条件差异较大，需求的热负荷不同；

3.对于现有的设施，试验过程中，风洞、车辆能源消耗数据无从获得，例如，通过测功机仅可获得单一车辆的运行状态数据。

以上情况导致试验前能源申请时，无法确定能源供应以何种状态运行，倘若始终以最大状态工作，对能源系统将造成巨大浪费，同时也降低的试验运行效率，也存在能源供应不够试验使用情况，须采取准确合理的方法，对能源进行监测、试验前对能源系统评估，启动运行中进行最优化管理。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的是提供一种车辆环境模拟风洞的能源监测和分配系统，实现能源数据监测、存储和系统合理化分配，解决了现有的试验系统能源使用及分配效率低的问题。

本发明的所采用的技术方案如下：一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统，包括制冷机组、加湿锅炉、除湿机组、楔形流量计、涡街流量计、热式质量流量计、两组铠装探头一体化温度变送器、换热器、主风机、能源服务器和本地控制计算机，采用的风洞为立式风洞，风洞内的第四拐角出口与第一拐角入口之间设置为试验区，车辆在所述的试验区内试验，所述的风洞内的第二拐角出口附近布置有主风机，所述的主风机出风口之后布置有换热器，并位于风洞内的第三拐角入口前端；所述的制冷机组的输出口连接有供液管路，所述的供液管路上依次串联有楔形流量计和供液电磁流量开关阀，供液电磁流量开关阀与换热器的输入口连接；所述的换热器的输出口连接有回液管路，所述的回液管路串联有回液电磁流量开关阀与所述的制冷机组的输入口连接，

在所述的楔形流量计与供液电磁流量开关阀之间的供液管路及回液电磁流量开关阀与制冷机组的输入口的回液管路之间并联有旁路连通管路，并且旁路连通管路上串联有旁路流量电磁阀；

位于所述的楔形流量计和供液电磁流量开关阀之间的供液管路上并联有第一铠装探头一体化温度变送器，并位于旁路连通管路之前；

位于所述的回液电磁流量开关阀和制冷机组的输入口之间的回液管路上并联有第二铠装探头一体化温度变送器，并位于旁路连通管路之后；

所述的加湿锅炉的输出口通过管路接至风洞洞体加湿入口，在此管路上依次串联有加湿流量电磁调节阀和涡街流量计至风洞加湿入口；

所述的除湿机组的输出口通过管路接至风洞洞体补气入口，在此管路上依次串联有补气流量电磁调节阀和热式质量流量计至风洞补气入口前端；

所述的能源服务器通过光纤网络与本地控制计算机通讯，能源服务器通过传感器信号通路分别接收楔形流量计、涡街流量计、热式质量流量计、第一铠装探头一体化温度变送器和第二铠装探头一体化温度变送器的监测信号；

所述的本地控制计算机通过以太网络分别控制加湿流量电磁调节阀、补气流量电磁调节阀、旁路流量电磁阀、供液电磁流量开关阀、回液电磁流量开关阀；所述的本地控制计算机在空风洞时通过实时测量楔形流量计、两组铠装探头一体化温度变送器的数据，得到实时的载冷剂的流量和温度数据，进而得到风洞内各机组能源实时的热负荷特性数据，在有车辆试验时，去掉空风洞热负荷特性数据获得车辆的热负荷特性数据；

本发明通过在制冷的供液管道入口布置楔形流量计、铠装探头一体化温度变送器，回液管道布置铠装探头一体化温度变送器，可以实时测量载冷剂的流量和温度数据，进而通过比热容公式计算得到能源使用端实时的热负荷，在空风洞时为风洞的热负荷特性数据，在有车辆试验时，去掉空风洞热负荷可获得车辆的热负荷；通过在环境舱加湿和补气管道入口分别布置涡街流量计和热式质量流量计，可以实时测量能源使用端的加湿量和补气量消耗，在有车辆试验时为车辆的加湿量和补气量特性数据；能源服务器对制冷机组、加湿锅炉、除湿机组通讯控制，本地控制计算机对风洞内各阀门、风机等通讯控制，能源服务器与本地控制计算机通讯交互，分工明确、架构合理；

试验前，本地控制计算机根据车辆信息和试验类型向能源服务器发送能源申请，车辆信息包括：车体重量、发动机功率、发动机排量，试验类型包括：温度和湿度，所述的能源服务器通过光纤网络分别控制制冷机组、加湿锅炉和除湿机组，能源服务器评估制冷机组、加湿锅炉、除湿机组输出能力是否够用，给出是否允许运行指令；运行时，本地控制计算机开启主风机，适当转速运行，能源服务器开启制冷机组，设置为试验需求的出液温度，同时，本地控制计算机打开供液电磁流量开关阀和回液电磁流量开关阀，完全关闭旁路流量电磁阀，使试验区温度快速下降，直至设置温度，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，系统PID调节旁路流量电磁阀，确保试验区温度稳定，能源服务器始终监测进液管流量、温度和回液管温度；

能源服务器开启加湿锅炉，设置为试验需求的加湿量状态，本地控制计算机完全打开加湿流量电磁调节阀，使试验区快速加湿，直至设置湿度，能源服务器始终监测加湿流量，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，系统PI调节加湿流量电磁调节阀，从而进行温度调节；

能源服务器开启除湿机组，本地控制计算机打开补气流量电磁调节阀，能源服务器始终监测补气流量；除湿机组供应量等于试验区需求补气量，管道系统为恒流量运行，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，同时监测温度变化是否引起了试验区压力降低，系统PI调节补气流量电磁调节阀，从而进行气压调节；

当车辆发动机点火怠速运行时，车辆消耗风洞内空气，试验区尾气排放系统工作，本地控制计算机调小旁路流量电磁阀开度，加大换热器内流量，确保车辆发动机瞬态热负荷温升抵消，加大加湿流量电磁调节阀的开度，加大通入加湿蒸汽，调大补气流量电磁调节阀的开度，加大通入洁净空气，直至风洞内温度、湿度稳定在设定值，车辆怠速平稳运行；能源服务器实时监测制冷管路流量、进回液温度、加湿流量、补气流量，计算车辆实时消耗的热负荷，得出车辆不同运行状态下的消耗特性，同时存储车辆能耗数据，作为以后同类型车辆是否允许试验的评估依据。

进一步的，系统PID调节旁路流量电磁阀的计算模型如下：

F_n＝F_n-1+K_p×(T_n-T_n-1)+Ki×T_n-1+K_d×(T_n-2T_n-1+ T_n-2)

其中，F_n 和F_n-1分别为本次和上一次系统运行时，旁路流量电磁阀开度控制的PID运算结果，K_p为比例系数，T_n为当前温度与所需达到试验目标温度的差值，T_n-1为前一次系统运行的温度差值，T_n-2为前两次系统运行时的温度差值，积分系数K_i=K_p×T÷T_i，微分系数K_d=K_p×T_d÷T，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，T_d为微分时间；0.2≤Kp≤0.6, 180≤Ti≤1200, 3≤Td≤180。

进一步的，系统PI调节加湿流量电磁调节阀的计算模型如下：

F_n’＝F_n-1’+K_p×(H_n-H_n-1)+K_i×H_n

其中，F_n’ 和F_n-1’分别为本次和上一次系统运行时，加湿流量电磁调节阀开度控制的PI运算结果，H_n为当前湿度与所需达到试验目标湿度的差值，H_n-1为前一次系统运行的湿度差值,K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，0.2≤K_p≤0.8, 60≤T_i≤300。

进一步的，系统PI调节补气流量电磁调节阀的计算模型如下：

F_n”＝ F_n-1”+K_p×(P_n-P_n-1)+K_i×P_n

其中，P_n为当前气压P与所需达到试验目标气压的差值, P_n-1为前一次系统运行的气压差值,K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间， 0.3≤K_p≤0.7, 20≤T_i≤180。

本发明的另一目的是提供一种基于如上所述的能源监测与分配系统得出的试验方法，步骤如下：

步骤S10：本地控制计算机根据车辆信息和试验类型向能源服务器发送能源申请，车辆信息包括：车体重量、发动机功率、发动机排量，试验类型包括：温度和湿度，需要查询能源服务器是否有之前存储的车辆、温度和湿度试验工况下的能耗量信息，如果没有，首次试验需要由试验员给出预估值，能源服务器评估制冷机组、加湿锅炉、除湿机组输出能力是否够用，给出是否允许指令，是则下一步，否则停止试验；

步骤S20：本地控制计算机开启主风机，按一定转速运行，能源服务器开启制冷机组，设置为试验需求的出液温度，初始降温时，载冷剂的供应温度等于试验区目标温度，管道系统为恒流量运行，通过完全关闭旁路流量电磁阀，增大主换热器的载冷剂流量，进而增大风洞内的热交换进行温度降低，当车辆有点火、怠速、加速等发动机状态变化时，系统PID调节旁路流量电磁阀，确保试验区温度稳定，能源服务器始终监测进液管流量、温度和回液管温度；具体PID计算模型如下：

F_n＝F_n-1+ K_p×(T_n-T_n-1)+Ki×T_n-1+K_d×(T_n-2T_n-1+ T_n-2)

其中，F_n 和F_n-1分别为本次和上一次系统运行时，旁路流量电磁阀开度控制的PID运算结果，K_p为比例系数，T_n为当前温度与所需达到试验目标温度的差值，T_n-1为前一次系统运行的温度差值，T_n-2为前两次系统运行时的温度差值，积分系数K_i=K_p×T÷T_i，微分系数K_d=K_p×T_d÷T，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，T_d为微分时间，0.2≤K_p≤0.6, 180≤T_i≤1200, 3≤T_d≤180；当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机热源干扰，试验区达到指定温度维持1小时无变化后，将关闭供液电磁流量开关阀、完全打开旁路流量电磁阀，不对旁路流量电磁阀的开度进行PID调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PID调节；

步骤S30：能源服务器开启加湿锅炉，设置为试验需求的加湿量状态，本地控制计算机打开加湿流量电磁调节阀，使试验区快速加湿，直至设置湿度，能源服务器始终监测加湿流量；当车辆有点火、怠速、加速等发动机状态变化时，系统按照下述PI计算模型，对加湿流量电磁调节阀进行控制，从而进行温度调节：

F_n’＝F_n-1’+ K_p×(H_n-H_n-1)+K_i×H_n

其中，F_n’ 和F_n-1’分别为本次和上一次系统运行时，加湿流量电磁调节阀开度控制的PI运算结果，H_n为当前湿度与所需达到试验目标湿度的差值，H_n-1为前一次系统运行的湿度差值, K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，0.2≤K_p≤0.8, 60≤T_i≤300；

当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机吸气干扰，试验区达到指定湿度维持15min无变化后，将加湿流量电磁调节阀关闭，不进行PI调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PI调节；

步骤S40：能源服务器开启除湿机组，设置为试验需求的补气量状态，初始补气时，监测温度变化是否引起了试验区压力降低，如是则进行补气，否则等待监测试验区气压变化；本地控制计算机打开补气流量电磁调节阀，能源服务器始终监测补气流量；除湿机组供应量等于试验区需求补气量，管道系统为恒流量运行，当车辆有点火、怠速、加速等发动机状态变化时，系统对补气流量电磁调节阀按照下述PI计算模型进行控制，从而进行气压调节：

F_n”＝ F_n-1”+ K_p×(P_n-P_n-1)+K_i×P_n

其中， P_n为当前气压P与所需达到试验目标气压的差值, P_n-1为前一次系统运行的气压差值, K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间， 0.3≤K_p≤0.7, 20≤T_i≤180；当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机吸气干扰，试验区到达指定气压维持10min无变化后，将补气流量电磁调节阀关闭，不进行PI调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PI调节；

步骤S50：车辆打火，怠速运行，车辆消耗风洞内空气，试验区尾气排放系统工作，本地控制计算机调小旁路流量电磁阀开度，加大换热器内流量，确保发动机瞬态热负荷温升抵消，调大加湿流量电磁调节阀开度，加大通入加湿蒸汽，调大补气流量电磁调节阀开度，加大通入洁净空气，直至风洞内温度、湿度稳定在设定值，车辆发动机怠速平稳运行；

步骤S60：若风洞内温度、湿度、空气含量与设置值不同，本地控制计算机重复步骤S50，PID调节旁路流量电磁阀开度、PI调节加湿流量电磁调节阀和PI调节补气流量电磁调节阀的开度，直至试验区环境参数稳定；

步骤S70：如改变车辆发动机功率，改变主风机转速，改变试验区温度、湿度，能源服务器和本地控制计算机重复步骤S10～S60，直至试验区环境参数稳定至设置值；

步骤S80：能源服务器实时监测制冷管路流量和进回液温度，加湿流量以及补气流量，计算车辆实时消耗的热负荷，得出车辆不同运行状态下的消耗特性，同时存储车辆能耗数据，作为以后同类型车辆是否允许试验的评估依据，实时消耗冷量Q=cmΔT，其中c为载冷剂的比热容，m为实时的质量流量，ΔT为进出液管路的温度差。

本发明具有以下优点及有益效果：本发明实现了能源系统的最优分配，避免了能源系统无序申请、过度运行以及不满足使用需求状况的发生，提高了能源使用效率及车辆环境模拟风洞的试验效率。

附图说明

图1是本发明车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统示意图；其中1：制冷机组；2：加湿锅炉；3：除湿机组；4：楔形流量计；5：涡街流量计；5-1：加湿流量电磁调节阀；6：热式质量流量计；6-1：补气流量电磁调节阀；7：第一铠装探头一体化温度变送器；7-1：供液电磁流量开关阀；7-2：旁路流量电磁阀；8：第二铠装探头一体化温度变送器；8-1：回液电磁流量开关阀；9：换热器；10：主风机；11：风洞；11-1：第一拐角；11-2：第二拐角；11-3：第三拐角；11-4：第四拐角；12：车辆；12-1：试验区；13：能源服务器；13-1：传感器信号通路；13-2：光纤网络；13-3：光纤交换机；13-4：以太网络；14：本地控制计算机。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行详细阐述。以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统，包括制冷机组1、加湿锅炉2、除湿机组3、楔形流量计4、涡街流量计5、热式质量流量计6、两组铠装探头一体化温度变送器、换热器9、主风机10、能源服务器13和本地控制计算机14；采用的风洞11为立式风洞，风洞11内的第四拐角11-4出口与第一拐角11-1入口之间设置为试验区12-1，车辆在所述的试验区12-1内试验，所述的风洞11内的第二拐角11-2出口附近布置有主风机10，所述的主风机10出风口之后布置有换热器9，并位于风洞11内的第三拐角11-3入口前端；所述的制冷机组1的输出口连接有供液管路，所述的供液管路上依次以一定间隔串联有楔形流量计4和供液电磁流量开关阀7-1，供液电磁流量开关阀7-1与换热器9的输入口连接，供液管路口径为DN300，楔形流量计4与供液管路的连接方式为法兰连接，为确保流体状态均匀稳定，楔形流量计4前面5倍管径距离和后面3倍管径距离不安装任何设备，制冷载冷剂为HC-50，随着温度降低粘性增加明显，由20℃，3.2mmPa·s增大至-50℃ 38.4mPa·s，管道最大流量为750m³/h，载冷剂具有大流量和低温高粘性特点；所述的换热器9的输出口连接有回液管路，所述的回液管路串联有回液电磁流量开关阀8-1与所述的制冷机组1的输入口连接，在所述的楔形流量计4与供液电磁流量开关阀7-1之间的供液管路及回液电磁流量开关阀8-1与制冷机组1的输入口的回液管路之间并联有旁路连通管路，并且旁路连通管路上串联有旁路流量电磁阀7-2；位于所述的楔形流量计4和供液电磁流量开关阀之间的供液管路上并联有第一铠装探头一体化温度变送器7，并位于旁路连通管路之前；位于所述的回液电磁流量开关阀8-1和制冷机组1的输入口之间的回液管路上并联有第二铠装探头一体化温度变送器8，并位于旁路连通管路之后；每组铠装探头一体化温度变送器垂直于管道插入，插深为二分之一管径，

所述的加湿锅炉2的输出口通过管路接至风洞11洞体加湿入口，在此管路上依次串联有加湿流量电磁调节阀5-1和涡街流量计5至风洞11加湿入口，加湿管道口径为DN100，为确保流体状态均匀稳定，涡街流量计前面20倍管径距离和后面10倍管径距离，不安装任何设备，加湿气体为过热饱和蒸汽；

所述的除湿机组3的输出口通过管路接至风洞11洞体补气入口，在此管路上依次串联有补气流量电磁调节阀6-1和热式质量流量计6至风洞11补气入口前端，补气管道口径为800×400（mm），为确保流体状态均匀稳定，热式质量流量计6前面15倍管径距离和后面5倍管径距离，不安装任何设备，补气为干燥洁净空气，露点温度-45℃；

所述的能源服务器13通过光纤网络13-2与本地控制计算机14通讯，能源服务器13通过传感器信号通路分别接收楔形流量计4、涡街流量计5、热式质量流量计6、第一铠装探头一体化温度变送器7、第二铠装探头一体化温度变送器8的监测信号；

所述的本地控制计算机14通过以太网络13-4分别控制与加湿流量电磁调节阀5-1、补气流量电磁调节阀6-1、旁路流量电磁阀7-2、供液电磁流量开关阀7-1、回液电磁流量开关阀8-1；所述的本地控制计算机14在空风洞时通过实时测量楔形流量计4、两组铠装探头一体化温度变送器的数据，得到实时的载冷剂的流量和温度数据，进而得到风洞11内各机组能源实时的热负荷特性数据，在有车辆试验时，去掉空风洞热负荷特性数据获得车辆的热负荷特性数据。能源服务器13是能源分配的核心，对于能源供应设备进行控制，对于能源消耗进行实时监测，对于环境舱的能源申请评估审核，本地控制计算机14对于风洞11内设备进行控制，同时将关键设备状态传输给能源服务器13。

实施例2

基于某次环境模拟试验，车辆怠速、实现工况-30℃、湿度60%RH、补气量2.2kg/s，以及车辆发动机转速2500rpm、实现工况-35℃、湿度50%RH、补气量3kg/s，本实施例基于实施例1的一种车辆环境模拟风洞的能源监测与分配系统，得出的试验方法步骤如下：

步骤S10：本地控制计算机14根据车辆信息和试验类型向能源服务器13发送能源申请，车辆信息包括：履带式车量、车体重量60t、发动机功率1200kW、发动机排量12L，试验类型包括温度-30℃、湿度60%RH，需要查询能源服务器13是否有之前存储的车辆、温度和湿度试验工况下的能耗量信息，如果没有，首次试验需要由试验员给出预估值，查询到同类试验的车辆风洞消耗的热负荷为2600kW，需求加湿量为2500kg/h，需求补气量为 2.2kg/s，制冷机组1的-30℃制冷能力为3200kW，加湿锅炉2最大加湿量为5000kg/h，除湿机组3最大补气量4.4kg/s，满足使用需求,能源服务器13评估制冷机组1、加湿锅炉2、除湿机组3输出能力是否够用，给出是否允许指令，是则下一步，否则停止试验；其中，制冷机组1不同出液温度制冷量和COP值为固定参数，加湿锅炉2和除湿机组3最大输出量为固定参数；制冷机组1参数：-30℃的供冷能力3200kW，出液温度的COP值1.44。制冷机组1参数：-35℃的供冷能力3300kW，出液温度的COP值1.44。

步骤S20：本地控制计算机14开启主风机10，15%转速运行，能源服务器13开启制冷机组1，设置为试验需求的出液温度-30℃。初始降温时，载冷剂的供应温度等于试验区12-1目标温度，管道系统为恒流量运行，通过完全关闭旁路流量电磁阀7-2，增大主换热器的载冷剂流量，进而增大风洞内的热交换进行温度降低，当车辆的发动机点火、怠速、加速等状态变化时，系统PID调节旁路流量电磁阀7-2，确保试验区12-1温度稳定，能源服务器13始终监测进液管流量、温度和回液管温度；具体PID计算模型如下：

F_n＝F_n-1+ K_p×(T_n-T_n-1)+Ki×T_n-1+K_d×(T_n-2T_n-1+ T_n-2)

其中，F_n 和F_n-1分别为本次和上一次系统运行时，旁路流量电磁阀7-2开度控制的PID运算结果，K_p为比例系数，T_n为当前温度与所需达到试验目标温度的差值，T_n-1为前一次系统运行的温度差值，T_n-2为前两次系统运行时的温度差值，积分系数K_i=K_p×T÷T_i，微分系数K_d=K_p×T_d÷T，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，T_d为微分时间， PID参数整定过程如下：首先令T_i和T_d为0，调节K_p值， K_p≥0，间隔0.1s逐步增大，观察系统响应，直至响应快、超调量小，同时查看系统静差是否在允许误差带范围，如不在则调节T_i，如已达到则仅需K_p调节，整定后K_p=0.6；调节T_i且T_d=0，适当减小K_p值，令K_p乘以0.8且T_i=600，每次按30s逐步减小T_i，缩小系统静差同时使系统具有良好的跟随性能，重复上述的T_i调节过程，反复改变K_p值和T_i值，使系统得到最佳的动态性能和需求的静差控制误差带，此过程完成后系统响应曲线的衰减比理想值应为4:1，如系统动态振荡逐渐消除收敛则仅需K_p和T_i调节，否则如系统响应速度变慢且超调增大不稳定进行T_d调节，整定后K_p=0.45、T_i=480；令T_d=10，每次按10s逐步增大T_d，同时适当减小K_p和T_i值，直至系统响应速度快、控制误差小、振荡收敛消失，T_d不应调得过大，以免系统扰动失稳，整定后T_d=30。以上调节过程，形成的经验值范围：0.2≤K_p≤0.6, 180≤T_i≤1200, 3≤T_d≤180；

当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机热源干扰，试验区12-1达到指定温度维持1小时无变化后，将关闭供液电磁流量开关阀7-1、完全打开旁路流量电磁阀7-2，不对旁路流量电磁阀7-2的开度进行PID调节，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PID调节。车辆在静态贮藏试验时，本身重量大吸热多，需要很长时间的浸车，一般不少于48小时，再进行车辆点火后进行动态试验温度的保持调节；

步骤S30：能源服务器13开启加湿锅炉2，设置为试验需求的加湿量状态2500kg/h，本地控制计算机14打开加湿流量电磁调节阀5-1，使试验区12-1快速加湿，直至设置湿度，能源服务器13始终监测加湿流量；当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，系统按照下述PI计算模型，对加湿流量电磁调节阀5-1进行控制，从而进行温度调节：

F_n’＝F_n-1’+ K_p×(H_n-H_n-1)+K_i×H_n

其中，F_n’ 和F_n-1’分别为本次和上一次系统运行时，加湿流量电磁调节阀5-1开度控制的PI运算结果，H_n为当前湿度与所需达到试验目标湿度的差值，H_n-1为前一次系统运行的湿度差值, K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，加湿锅炉3供应量大于等于试验区12-1需求加湿量，由于环境模拟风洞湿度扰动主要来自于试验车辆发动机不同工作状态时气体消耗，湿度扰动作用较小，补充加湿蒸汽后经风洞内气流循环，试验区12-1湿度响应较快，因此采用PI调节，首先令T_i为0，调节K_p值， K_p≥0，间隔0.1 s逐步增大，观察系统响应，直至响应快、超调量小，同时查看系统静差是否在允许误差带范围，如不在则调节T_i，如已达到则仅需K_p调节；调节Ti，适当减小K_p值，令K_p乘以0.8且T_i=200，每次按20s逐步减小T_i，缩小系统静差同时使系统具有良好的跟随性能，重复上述的T_i调节过程，反复改变K_p值和T_i值，使系统得到最佳的动态性能和需求的静差控制误差带，此过程完成后系统响应曲线的衰减比理想值应为4:1，整定后K_p=0.32、T_i=120，形成的经验值范围：0.2≤K_p≤0.8, 60≤T_i≤300；

当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机吸气干扰，试验区12-1达到指定湿度维持15min无变化后，将加湿流量电磁调节阀5-1关闭，不进行PI调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PI调节。车辆在静态贮藏试验时，本身体积大，会吸收一定量湿空气，但无需长时间湿度浸车，温度浸车完成后调节好湿度保持不变之后，再进行车辆点火后动态试验湿度的保持调节；

步骤S40：能源服务器13开启除湿机组3，设置为试验需求的补气量状态2.2kg/s，初始补气时，监测温度变化是否引起了试验区12-1压力降低，如是则进行补气，否则等待监测试验区12-1气压变化；本地控制计算机14打开补气流量电磁调节阀6-1，能源服务器13始终监测补气流量；除湿机组3供应量等于试验区12-1需求补气量，管道系统为恒流量运行，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，系统对补气流量电磁调节阀6-1按照下述PI计算模型进行控制，从而进行气压调节：

F_n”＝ F_n-1”+ K_p×(P_n-P_n-1)+K_i×P_n

其中， P_n为当前气压P与所需达到试验目标气压的差值, P_n-1为前一次系统运行的气压差值, K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，调试的环境模拟风洞，气压扰动主要来自于试验车辆发动机不同工作状态时气体消耗，气压扰动作用较小，补充新风后经风洞内气流循环，试验区12-1气压响应较快，因此采用PI调节，首先令T_i为0，调节K_p值， K_p≥0，间隔0.1s逐步增大，观察系统响应，直至响应快、超调量小，同时查看系统静差是否在允许误差带范围，如不在则调节T_i，如已达到则仅需K_p调节；调节Ti，适当减小K_p值，令K_p乘以0.8且T_i=200，每次按20s逐步减小T_i，缩小系统静差同时使系统具有良好的跟随性能，重复上述的T_i调节过程，反复改变K_p值和T_i值，使系统得到最佳的动态性能和需求的静差控制误差带，此过程完成后系统响应曲线的衰减比理想值应为4:1, 整定后K_p=0.4、T_i=100，形成的经验值范围：0.3≤K_p≤0.7, 20≤T_i≤180；

当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机吸气干扰，试验区12-1到达指定气压维持10min无变化后，将补气流量电磁调节阀6-1关闭，不进行PI调节，仅当车辆打火、怠速或加速状态时进行PI调节；

步骤S50：车辆打火，怠速800rpm运行，车辆消耗风洞内空气，试验区12-1尾气排放系统工作，本地控制计算机14调小旁路流量电磁阀7-2开度，加大换热器9内流量，确保发动机瞬态热负荷温升抵消，调大加湿流量电磁调节阀5-1开度，加大通入加湿蒸汽，调大补气流量电磁调节阀6-1开度，加大通入洁净空气，直至风洞内温度、湿度稳定在设定值，车辆发动机怠速平稳运行；

步骤S60：若风洞11内温度、湿度、空气含量与设置值不同，本地控制计算机14重复步骤S50，PID调节旁路流量电磁阀7-2开度、PI调节加湿流量电磁调节阀5-1和PI调节补气流量电磁调节阀6-1的开度，直至试验区12-1环境参数稳定；

步骤S70：如改变车辆发动机功率，改变主风机10转速，改变试验区12-1温度、湿度，能源服务器13和本地控制计算机14重复步骤S10～S60，直至试验区12-1环境参数稳定至设置值；例如：车辆发动机增加至转速2500rpm，主风机10转速提高至额定值20%，试验区12-1温度降为-35℃，湿度为50%RH。此时查询数据库无数据，由试验员给出预估值，风洞试验的车辆风洞消耗的热负荷预计为3000kW，需求加湿量为2300kg/h，需求补气量为 3.0kg/s，制冷机组1的-35℃制冷能力为3300kW，加湿锅炉2最大加湿量为5000kg/h，除湿机组3最大补气量4.4kg/s，满足使用需求；

步骤S80：能源服务器13实时监测制冷管路流量和进回液温度，加湿流量以及补气流量，计算车辆实时消耗的热负荷，得出车辆不同运行状态下的消耗特性，同时存储车辆能耗数据，作为以后同类型车辆是否允许试验的评估依据，实时消耗冷量 Q=cmΔT，其中c为载冷剂的比热容，m为实时的质量流量，ΔT为进出液管路的温度差。记录此时的能耗量数据为用冷量2850kW，加湿量2200kg/h，补气量3.0kg/s。-30℃车辆怠速试验，监测制冷流量为500m3/h，此时密度1367kg/m3，比热2.602KJ/kg.K，进液温度-30℃，回液温度-25℃，则实时热负荷为2470kW。-35℃车辆加速试验，监测制冷流量为600m3/h，此时密度1370kg/m3，比热2.5925KJ/kg.K，进液温度-35℃，回液温度-30℃，则实时热负荷为2959.8kW。

本发明可实现各类车辆和环境状态的能耗数据积累和能源供应设备的合理利用，具有节约成本的优点，已成功应用于一种综合环境模拟风洞试验设施上，可推广性强。

Claims (5)

1.一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统，包括制冷机组、加湿锅炉、除湿机组、楔形流量计、涡街流量计、热式质量流量计、两组铠装探头一体化温度变送器、换热器、主风机、能源服务器和本地控制计算机，采用的风洞为立式风洞，风洞内的第四拐角出口与第一拐角入口之间设置为试验区，车辆在所述的试验区内试验，其特征在于：所述的风洞内的第二拐角出口附近布置有主风机，所述的主风机出风口之后布置有换热器，并位于风洞内的第三拐角入口前端；所述的制冷机组的输出口连接有供液管路，所述的供液管路上依次串联有楔形流量计和供液电磁流量开关阀，供液电磁流量开关阀与换热器的输入口连接；所述的换热器的输出口连接有回液管路，所述的回液管路串联有回液电磁流量开关阀与所述的制冷机组的输入口连接，

在所述的楔形流量计与供液电磁流量开关阀之间的供液管路及回液电磁流量开关阀与制冷机组的输入口的回液管路之间并联有旁路连通管路，并且旁路连通管路上串联有旁路流量电磁阀；

位于所述的楔形流量计和供液电磁流量开关阀之间的供液管路上并联有第一铠装探头一体化温度变送器，并位于旁路连通管路之前；

位于所述的回液电磁流量开关阀和制冷机组的输入口之间的回液管路上并联有第二铠装探头一体化温度变送器，并位于旁路连通管路之后；

所述的加湿锅炉的输出口通过管路接至风洞洞体加湿入口，在此管路上依次串联有加湿流量电磁调节阀和涡街流量计至风洞加湿入口；

所述的除湿机组的输出口通过管路接至风洞洞体补气入口，在此管路上依次串联有补气流量电磁调节阀和热式质量流量计至风洞补气入口前端；

所述的能源服务器通过光纤网络与本地控制计算机通讯，能源服务器通过传感器信号通路分别接收楔形流量计、涡街流量计、热式质量流量计、第一铠装探头一体化温度变送器和第二铠装探头一体化温度变送器的监测信号；

所述的本地控制计算机通过以太网络分别控制加湿流量电磁调节阀、补气流量电磁调节阀、旁路流量电磁阀、供液电磁流量开关阀、回液电磁流量开关阀；所述的本地控制计算机在空风洞时通过实时测量楔形流量计、两组铠装探头一体化温度变送器的数据，得到实时的载冷剂的流量和温度数据，进而得到风洞内各机组能源实时的热负荷特性数据，在有车辆试验时，去掉空风洞热负荷特性数据获得车辆的热负荷特性数据；

试验前，本地控制计算机根据车辆信息和试验类型向能源服务器发送能源申请，车辆信息包括：车体重量、发动机功率、发动机排量，试验类型包括：温度和湿度，所述的能源服务器通过光纤网络分别控制制冷机组、加湿锅炉和除湿机组，能源服务器评估制冷机组、加湿锅炉、除湿机组输出能力是否够用，给出是否允许运行指令；运行时，本地控制计算机开启主风机，适当转速运行，能源服务器开启制冷机组，设置为试验需求的出液温度，同时，本地控制计算机打开供液电磁流量开关阀和回液电磁流量开关阀，完全关闭旁路流量电磁阀，使试验区温度快速下降，直至设置温度，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，系统PID调节旁路流量电磁阀，确保试验区温度稳定，能源服务器始终监测进液管流量、温度和回液管温度；

能源服务器开启加湿锅炉，设置为试验需求的加湿量状态，本地控制计算机完全打开加湿流量电磁调节阀，使试验区快速加湿，直至设置湿度，能源服务器始终监测加湿流量，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，系统PI调节加湿流量电磁调节阀，从而进行温度调节；

能源服务器开启除湿机组，本地控制计算机打开补气流量电磁调节阀，能源服务器始终监测补气流量；除湿机组供应量等于试验区需求补气量，管道系统为恒流量运行，当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时，同时监测温度变化是否引起了试验区压力降低，系统PI调节补气流量电磁调节阀，从而进行气压调节；

当车辆发动机点火怠速运行时，车辆消耗风洞内空气，试验区尾气排放系统工作，本地控制计算机调小旁路流量电磁阀开度，加大换热器内流量，确保车辆发动机瞬态热负荷温升抵消，加大加湿流量电磁调节阀的开度，加大通入加湿蒸汽，调大补气流量电磁调节阀的开度，加大通入洁净空气，直至风洞内温度、湿度稳定在设定值，车辆怠速平稳运行；能源服务器实时监测制冷管路流量、进回液温度、加湿流量、补气流量，计算车辆实时消耗的热负荷，得出车辆不同运行状态下的消耗特性，同时存储车辆能耗数据，作为以后同类型车辆是否允许试验的评估依据。

2.根据权利要求1所述的一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统，其特征在于：系统PID调节旁路流量电磁阀的计算模型如下：

F_n＝F_n-1+K_p×(T_n-T_n-1)+Ki×T_n-1+K_d×(T_n-2T_n-1+ T_n-2)

其中，F_n 和F_n-1分别为本次和上一次系统运行时，旁路流量电磁阀开度控制的PID运算结果，K_p为比例系数，T_n为当前温度与所需达到试验目标温度的差值，T_n-1为前一次系统运行的温度差值，T_n-2为前两次系统运行时的温度差值，积分系数K_i=K_p×T÷T_i，微分系数K_d=K_p×T_d÷T，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，T_d为微分时间；0.2≤Kp≤0.6, 180≤Ti≤1200, 3≤Td≤180。

3.根据权利要求1所述的一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统，其特征在于：系统PI调节加湿流量电磁调节阀的计算模型如下：

F_n’＝F_n-1’+K_p×(H_n-H_n-1)+K_i×H_n

其中，F_n’ 和F_n-1’分别为本次和上一次系统运行时，加湿流量电磁调节阀开度控制的PI运算结果，H_n为当前湿度与所需达到试验目标湿度的差值，H_n-1为前一次系统运行的湿度差值,K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，0.2≤K_p≤0.8, 60≤T_i≤300。

4.根据权利要求1所述的一种车辆环境模拟风洞能源监测与分配系统，其特征在于：系统PI调节补气流量电磁调节阀的计算模型如下：

F_n”＝ F_n-1”+K_p×(P_n-P_n-1)+K_i×P_n

其中，P_n为当前气压P与所需达到试验目标气压的差值, P_n-1为前一次系统运行的气压差值,K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，0.3≤K_p≤0.7, 20≤T_i≤180。

5.根据权利要求1所述的一种车辆环境模拟风洞的能源监测与分配系统得出的试验方法，其特征在于，步骤如下：

步骤S10：本地控制计算机根据车辆信息和试验类型向能源服务器发送能源申请，车辆信息包括：车体重量、发动机功率、发动机排量，试验类型包括：温度和湿度，需要查询能源服务器是否有之前存储的车辆、温度和湿度试验工况下的能耗量信息，如果没有，首次试验需要由试验员给出预估值，能源服务器评估制冷机组、加湿锅炉、除湿机组输出能力是否够用，给出是否允许指令，是则下一步，否则停止试验；

步骤S20：本地控制计算机开启主风机，按一定转速运行，能源服务器开启制冷机组，设置为试验需求的出液温度，初始降温时，载冷剂的供应温度等于试验区目标温度，管道系统为恒流量运行，通过完全关闭旁路流量电磁阀，增大主换热器的载冷剂流量，进而增大风洞内的热交换进行温度降低，当车辆有点火、怠速、加速等发动机状态变化时，系统PID调节旁路流量电磁阀，确保试验区温度稳定，能源服务器始终监测进液管流量、温度和回液管温度；具体PID计算模型如下：

F_n＝F_n-1+ K_p×(T_n-T_n-1)+Ki×T_n-1+K_d×(T_n-2T_n-1+ T_n-2)

其中，F_n 和F_n-1分别为本次和上一次系统运行时，旁路流量电磁阀开度控制的PID运算结果，K_p为比例系数，T_n为当前温度与所需达到试验目标温度的差值，T_n-1为前一次系统运行的温度差值，T_n-2为前两次系统运行时的温度差值，积分系数K_i=K_p×T÷T_i，微分系数K_d=K_p×T_d÷T，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，T_d为微分时间，0.2≤K_p≤0.6, 180≤T_i≤1200, 3≤T_d≤180；当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机热源干扰，试验区达到指定温度维持1小时无变化后，将关闭供液电磁流量开关阀、完全打开旁路流量电磁阀，不对旁路流量电磁阀的开度进行PID调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PID调节；

步骤S30：能源服务器开启加湿锅炉，设置为试验需求的加湿量状态，本地控制计算机打开加湿流量电磁调节阀，使试验区快速加湿，直至设置湿度，能源服务器始终监测加湿流量；当车辆有点火、怠速、加速等发动机状态变化时，系统按照下述PI计算模型，对加湿流量电磁调节阀进行控制，从而进行温度调节：

F_n’＝F_n-1’+ K_p×(H_n-H_n-1)+K_i×H_n

其中，F_n’ 和F_n-1’分别为本次和上一次系统运行时，加湿流量电磁调节阀开度控制的PI运算结果，H_n为当前湿度与所需达到试验目标湿度的差值，H_n-1为前一次系统运行的湿度差值, K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，0.2≤K_p≤0.8, 60≤T_i≤300；

当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机吸气干扰，试验区达到指定湿度维持15min无变化后，将加湿流量电磁调节阀关闭，不进行PI调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PI调节；

步骤S40：能源服务器开启除湿机组，设置为试验需求的补气量状态，初始补气时，监测温度变化是否引起了试验区压力降低，如是则进行补气，否则等待监测试验区气压变化；本地控制计算机打开补气流量电磁调节阀，能源服务器始终监测补气流量；除湿机组供应量等于试验区需求补气量，管道系统为恒流量运行，当车辆有点火、怠速、加速等发动机状态变化时，系统对补气流量电磁调节阀按照下述PI计算模型进行控制，从而进行气压调节：

F_n”＝ F_n-1”+ K_p×(P_n-P_n-1)+K_i×P_n

其中， P_n为当前气压P与所需达到试验目标气压的差值, P_n-1为前一次系统运行的气压差值, K_p为比例系数,积分系数K_i=K_p×T÷T_i，T为采样周期取固定值0.1s，T_i为积分时间，0.3≤K_p≤0.7, 20≤T_i≤180；当车辆进行静态贮藏试验时，对风洞内没有发动机吸气干扰，试验区到达指定气压维持10min无变化后，将补气流量电磁调节阀关闭，不进行PI调节，仅当车辆的发动机有点火、怠速和加速状态变化时进行PI调节；

步骤S50：车辆打火，怠速运行，车辆消耗风洞内空气，试验区尾气排放系统工作，本地控制计算机调小旁路流量电磁阀开度，加大换热器内流量，确保发动机瞬态热负荷温升抵消，调大加湿流量电磁调节阀开度，加大通入加湿蒸汽，调大补气流量电磁调节阀开度，加大通入洁净空气，直至风洞内温度、湿度稳定在设定值，车辆发动机怠速平稳运行；

步骤S60：若风洞内温度、湿度、空气含量与设置值不同，本地控制计算机重复步骤S50，PID调节旁路流量电磁阀开度、PI调节加湿流量电磁调节阀和PI调节补气流量电磁调节阀的开度，直至试验区环境参数稳定；

步骤S70：如改变车辆发动机功率，改变主风机转速，改变试验区温度、湿度，能源服务器和本地控制计算机重复步骤S10～S60，直至试验区环境参数稳定至设置值；

步骤S80：能源服务器实时监测制冷管路流量和进回液温度，加湿流量以及补气流量，计算车辆实时消耗的热负荷，得出车辆不同运行状态下的消耗特性，同时存储车辆能耗数据，作为以后同类型车辆是否允许试验的评估依据，实时消耗冷量 Q=cmΔT，其中c为载冷剂的比热容，m为实时的质量流量，ΔT为进出液管路的温度差。

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