CN116483141A - 一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统及其控制方法，属于风洞试验技术领域。为解决连续式跨声速风洞精确控温的问题。本发明中央控制单元分别连接压缩机转速控制单元、总压控制系统、水循环控制系统、数据采集单元；水循环控制系统中的执行机构包括主换热器、冷却水塔、第一泵组、单向阀、外循环换热器、第三泵组、第二泵组、旁路调节阀、地下水池；地下水池通过管路分别连接冷却水塔、第三泵组；冷却水塔的另一端通过管路分别连接外循环换热器、第二泵组、旁路调节阀，第二泵组、旁路调节阀的另一端分别连接主换热器、单向阀；第三泵组的另一端通过管路分别连接第一泵组、单向阀、外循环换热器；第一泵组连接主换热器。本发明精确控温。

Description

一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统及其控制方法。
背景技术
连续式跨声速风洞试验作为一种空气动力学方向研究广泛采用的手段，为航空、航天领域的发展提供必要的技术保障。风洞总温的快速准确控制是保证试验精度的重要组成部分，直接影响到风洞试验效率以及试验数据的质量。在控制策略方面，传统的冷却系统及控温技术存在响应慢、迟滞性高、稳定性差的缺点。因此，亟需提出新的精确控温技术。
发明内容
本发明要解决的是连续式跨声速风洞精确控温的问题，提出一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，包括中央控制单元、压缩机转速控制单元、总压控制系统、水循环控制系统、数据采集单元；
所述中央控制单元通过以太网分别连接压缩机转速控制单元、总压控制系统、水循环控制系统、数据采集单元；
所述水循环控制系统中的执行机构包括主换热器、冷却水塔、第一泵组、单向阀、外循环换热器、第三泵组、第二泵组、旁路调节阀、地下水池；
所述地下水池通过管路分别连接冷却水塔、第三泵组；
所述冷却水塔的另一端通过管路分别连接外循环换热器、第二泵组、旁路调节阀，所述第二泵组、旁路调节阀的另一端分别连接主换热器、单向阀；
所述第三泵组的另一端通过管路分别连接第一泵组、单向阀、外循环换热器；
所述第一泵组连接主换热器。
进一步的，所述总压控制系统为基于ModbusTCP现场总线的罗克维尔PLC控制系统。
进一步的，所述压缩机转速控制单元为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统。
进一步的，所述水循环控制系统为基于ProfiNet的西门子PLC控制系统及其执行机构。
进一步的，所述数据采集单元为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元包括数据采集模块、数据预处理模块。
进一步的，所述数据采集单元采集风洞的总温、水循环控制系统的温度。
一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，依托于所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统实现，包括如下步骤：
S1、运行数据采集单元，数据采集单元将实时采集的风洞的总温实测温度、计算的风洞的总温目标温度反馈给中央控制单元；
S2、运行压缩机转速控制单元，控制压缩机在风洞内形成风速一定的气流，压缩机转速控制单元将压缩机运行功率反馈给中央控制单元；
S3、运行总压控制系统，控制中压球罐在风洞形成总压一定的气流，总压控制系统将风洞总压反馈给中央控制单元；
S4、运行水循环控制系统，中央控制单元根据风洞的总温实测温度、风洞的总温目标温度、压缩机运行功率及风洞总压控制水循环控制系统，根据具体工况运行第三泵组用以在管路中形成一定流量的冷水循环，运行第一泵组用以在提高冷水循环速度，变频运行第二泵组或者改变旁路调节阀开度，得到风洞的总温控制温度对应流量，进行得到稳定水温用于连续式跨声速风洞的总温控制。
进一步的，步骤S4中风洞的总温控制温度对应流量的计算方法包括如下步骤：
S4.1、在风洞试验马赫数恒定后，设定气流沿风洞流道运转一圈后的总温升高量为，风洞内的空气质量流量/>的计算公式为：
；
其中，为风洞总压，M为试验段马赫数，/>为风洞压缩机入口温度；
S4.2、计算风洞内空气质量流量，计算公式为：
；
其中，为风洞的总温目标温度；
设置，式中：/>；
则风洞主换热器换出的热量为：
；
其中，为空气定压比热容，/>为压缩机输入功率，/>为风洞主换热器热交换出的热量，/>为气流沿风洞流道运转一圈后的总温升高量，/>为气流沿风洞流转一周的时间；
S4.3、计算主换热器的换热器换热系数为：
；
其中，S为主换热器的换热面积，为对数平均温差；
设置对数平均温差计算公式为：
；
令，/>，/>为/>和/>中温度大的，/>为/>和/>中温度小的，其中，/>为循环水入口温度，/>为循环水当前出口温度，/>为风洞压缩机出口温度；
S4.4、计算为达到，换热器换出的热量/>的计算公式为：
；
根据步骤S4.3的公式计算出换热器出水温度，然后根据循环水能量守恒方程求出需要控制的目标水流量，循环水能量守恒方程为：
；
其中，为循环水出口温度目标温度，/>为水定压比热容。
进一步的，步骤S4中通过控制第二泵组流量得到稳定水温具体实现方法包括如下步骤：
S4.5、判断对数平均温差的绝对值是否大于1.5℃，判断为否，则利用第二段PID稳定控温或第三段PID微调控温，判断为是，则进行下个步骤；
S4.6、判断对数平均温差的绝对值是否在0.3℃-1.5℃的范围内，判断为否，则利用第一段PID快速控温或第三段PID微调控温，判断为是，则进行下个步骤；
S4.7、判断对数平均温差的绝对值是否小于0.3℃，判断为否，则利用第一段PID快速控温或第二段PID稳定控温，判断为是，则利用第三段PID微调控温，完成第一泵组出口水温控制。
进一步的，步骤S4中主压缩机功率、水温、总温三者之间的表达式为：
；
其中，为主压缩机功率，/>为总温与第一泵组出口水温温差。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，连续式跨声速风洞工作模式为通过变频器控制主压缩机运行，可连续改变主压缩机转速，实现风洞马赫数稳定与快速变化。通过主压缩机的气流会被加热，形成高总温气流，为满足试验总温要求，需要配套冷却系统，将总温控制在试验要求目标值范围内，避免因总温差异大导致试验天平数据异常，提高风洞试验数据有效性。根据风洞当前系统的状态，为了提高总温的控制精度，降低变压缩机转速和不同总压工况而导致的总温控制不稳定影响，将能量守恒公式与双PID控制法结合，同时通过试验数据分析得到总温与水温温差和压缩机功率之间的线性关系，使实时总温控制得以实现，避免因系统温度不明确而二次控温造成试验效率的下降，实现直接控制总温在目标值±0.3℃以内。传统的冷却系统及控温技术有响应慢、迟滞性高、稳定性差等缺点，因此，根据现有冷却系统，提出新的精确控温技术，有效解决以上问题。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统的结构示意图；
其中，1为中央控制单元、2为以太网，3为压缩机转速控制单元、4为总压控制系统、5为水循环控制系统、6为数据采集单元；
图2为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统的水循环控制系统执行机构示意图；
其中，5-1为主换热器、5-2为冷却水塔、5-3为第一泵组、5-4为单向阀、5-5为外循环换热器、5-6为第三泵组、5-7为第二泵组、5-8为旁路调节阀、5-9为地下水池；
图3为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法的流程图；
图4为本发明所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法的试验效果曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-附图4详细说明如下。
具体实施方式一
一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，包括中央控制单元1、压缩机转速控制单元3、总压控制系统4、水循环控制系统5、数据采集单元6；
所述中央控制单元1通过以太网2分别连接压缩机转速控制单元3、总压控制系统4、水循环控制系统5、数据采集单元6；
所述水循环控制系统5中的执行机构包括主换热器5-1、冷却水塔5-2、第一泵组5-3、单向阀5-4、外循环换热器5-5、第三泵组5-6、第二泵组5-7、旁路调节阀5-8、地下水池5-9；
所述地下水池5-9通过管路分别连接冷却水塔5-2、第三泵组5-6；
所述冷却水塔5-2的另一端通过管路分别连接外循环换热器5-5、第二泵组5-7、旁路调节阀5-8，所述第二泵组5-7、旁路调节阀5-8的另一端分别连接主换热器5-1、单向阀5-4；
所述第三泵组5-6的另一端通过管路分别连接第一泵组5-3、单向阀5-4、外循环换热器5-5；
所述第一泵组5-3连接主换热器5-1。
进一步的，所述总压控制系统4为基于ModbusTCP现场总线的罗克维尔PLC控制系统。
进一步的，所述压缩机转速控制单元3为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统。
进一步的，所述水循环控制系统5为基于ProfiNet的西门子PLC控制系统及其执行机构。
进一步的，所述数据采集单元6为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元6包括数据采集模块、数据预处理模块。
进一步的，所述数据采集单元6采集风洞的总温、水循环控制系统5的温度。
具体实施方式二
一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，依托于具体实施方式一所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统实现，包括如下步骤：
S1、运行数据采集单元6，数据采集单元6将实时采集的风洞的总温实测温度、计算的风洞的总温目标温度反馈给中央控制单元1；
S2、运行压缩机转速控制单元3，控制压缩机在风洞内形成风速一定的气流，压缩机转速控制单元3将压缩机运行功率反馈给中央控制单元1；
S3、运行总压控制系统4，控制中压球罐在风洞形成总压一定的气流，总压控制系统4将风洞总压反馈给中央控制单元1；
S4、运行水循环控制系统5，中央控制单元1根据风洞的总温实测温度、风洞的总温目标温度、压缩机运行功率及风洞总压控制水循环控制系统5，根据具体工况运行第三泵组5-6用以在管路中形成一定流量的冷水循环，运行第一泵组5-3用以在提高冷水循环速度，变频运行第二泵组5-7或者改变旁路调节阀5-8开度，得到风洞的总温控制温度对应流量，进行得到稳定水温用于连续式跨声速风洞的总温控制。
进一步的，步骤S4中风洞的总温控制温度对应流量的计算方法包括如下步骤：
S4.1、在风洞试验马赫数恒定后，设定气流沿风洞流道运转一圈后的总温升高量为，风洞内的空气质量流量/>的计算公式为：
；
其中，为风洞总压，M为试验段马赫数，/>为风洞压缩机入口温度；
S4.2、计算风洞内空气质量流量，计算公式为：
；
其中，为风洞的总温目标温度；
设置，式中：/>；
则风洞主换热器5-1换出的热量为：
；
其中，为空气定压比热容，/>为压缩机输入功率，/>为风洞主换热器热交换出的热量，/>为气流沿风洞流道运转一圈后的总温升高量，/>为气流沿风洞流转一周的时间；
S4.3、计算主换热器5-1的换热器换热系数为：
；
其中，S为主换热器5-1的换热面积，为对数平均温差；
设置对数平均温差计算公式为：
；
令，/>，/>为/>和/>中温度大的，/>为/>和/>中温度小的，其中，/>为循环水入口温度，/>为循环水当前出口温度，/>为风洞压缩机出口温度；
S4.4、计算为达到，换热器换出的热量/>的计算公式为：
；
根据步骤S4.3的公式计算出换热器出水温度，然后根据循环水能量守恒方程求出需要控制的目标水流量，循环水能量守恒方程为：
；
其中，为循环水出口温度目标温度，/>为水定压比热容。
进一步的，步骤S4中通过控制第二泵组5-7流量得到稳定水温的方法为所述通过控制第二泵组5-7流量得到稳定水温的过程是分三个阶段实现的，当系统处于自动控制总温过程中，实际水温与目标水温实时比较，当温差处于某个阶段内时，按照本段内PID参数输出第二泵组5-7出水流量目标值，进而实现第一泵组5-3出口水温控制。即：当温差绝对值大于1.5℃时，系统需快速反应，此时进入第一段PID控制逻辑，合理增大Kp值，缩短PID循环周期；当温差绝对值大于等于0.3℃同时小于等于1.5℃时，系统需快速稳定，此时进入第二段PID控制逻辑，适当减小Kp值，利于系统快速稳定；当温差绝对值大于0.1℃同时小于0.3℃时，系统进入微调状态，此时进入第三段PID控制逻辑，继续减小Kp值，延长PID循环周期，利于系统趋于稳定。
在上述方案中，分段方法和区间值可根据系统状态及控温范围灵活调整，系统死区为目标值±0.1℃，也可根据控温进度灵活修改；
具体实现方法包括如下步骤：
S4.5、判断对数平均温差的绝对值是否大于1.5℃，判断为否，则利用第二段PID稳定控温或第三段PID微调控温，判断为是，则进行下个步骤；
S4.6、判断对数平均温差的绝对值是否在0.3℃-1.5℃的范围内，判断为否，则利用第一段PID快速控温或第三段PID微调控温，判断为是，则进行下个步骤；
S4.7、判断对数平均温差的绝对值是否小于0.3℃，判断为否，则利用第一段PID快速控温或第二段PID稳定控温，判断为是，则利用第三段PID微调控温，完成第一泵组5-3出口水温控制。
进一步的，步骤S4中主压缩机功率、水温、总温三者之间的表达式为：
；
其中，为主压缩机功率，/>为总温与第一泵组5-3出口水温温差。
进一步的，所述第二泵组5-7为宽范围变频泵，易于扩大控温范围，提高控温精度。自动控温过程为双PID控制，即根据实际水温与目标水温PID控制第二泵组5-7出水流量，再根据第二泵组5-7的实际出水流量与目标出水流量PID控制第二泵组5-7运行频率；
进一步的，所述得到的稳定水温为第一泵组5-3出口位置，由高精度温度传感器测得数据，反馈至系统PLC从站采集模块，通过EtherNet/IP通讯方式发送至PLC主站，参与逻辑计算，进而控制系统运行；
进一步的，所述得到稳定水温的技术方法根据主压缩机功率大小有两种，当功率档高于5000KW时，运行第二泵组5-7实现第一泵组5-3出口水温控制；当功率低于5000KW时，停止第二泵组5-7水泵运行，通过控制调节阀开度，实现第一泵组5-3出口水温控制。
进一步的，所述通过控制第二泵组5-7流量得到稳定水温的过程是分三个阶段实现的，当系统处于自动控制总温过程中，实际水温与目标水温实时比较，当温差处于某个阶段内时，按照本段内PID参数输出第二泵组5-7出水流量目标值，进而实现第一泵组5-3出口水温控制。即：当温差大于1.5℃或小于-1.5℃时，系统需快速反应，合理增大Kp值，缩短PID循环周期；当温差大于等于-1.5℃同时小于等于-0.3℃或温差小于等于1.5℃同时大于等于0.3℃时，系统需快速稳定，适当减小Kp值，利于系统快速稳定；当温差大于-0.3℃同时小于0.3℃时，系统进入微调状态，继续减小Kp值，延长PID循环周期，利于系统趋于稳定。
在上述方案中，分段方法和区间值可根据系统状态及控温范围灵活调整，系统死区为目标值±0.1℃，也可根据控温进度灵活修改。
本实施方式可以实现连续式跨声速风洞的总温直接控制，温差—压缩机功率部分试验数据如表1所示：
表1 温差—压缩机功率部分试验数据
根据试验数据分析得到总温与水温温差和压缩机功率之间的线性关系，如图4所示，其中横坐标为压缩机功率，纵坐标为总温与水温温差，两者线性度趋近于1，因而实时总温控制得以实现，避免因系统温度不明确而二次控温造成试验效率的下降，实现直接控制总温在目标值±0.3℃以内。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，其特征在于，包括中央控制单元（1）、压缩机转速控制单元（3）、总压控制系统（4）、水循环控制系统（5）、数据采集单元（6）；
所述中央控制单元（1）通过以太网（2）分别连接压缩机转速控制单元（3）、总压控制系统（4）、水循环控制系统（5）、数据采集单元（6）；
所述水循环控制系统（5）中的执行机构包括主换热器（5-1）、冷却水塔（5-2）、第一泵组（5-3）、单向阀（5-4）、外循环换热器（5-5）、第三泵组（5-6）、第二泵组（5-7）、旁路调节阀（5-8）、地下水池（5-9）；
所述地下水池（5-9）通过管路分别连接冷却水塔（5-2）、第三泵组（5-6）；
所述冷却水塔（5-2）的另一端通过管路分别连接外循环换热器（5-5）、第二泵组（5-7）、旁路调节阀（5-8），所述第二泵组（5-7）、旁路调节阀（5-8）的另一端分别连接主换热器（5-1）、单向阀（5-4）；
所述第三泵组（5-6）的另一端通过管路分别连接第一泵组（5-3）、单向阀（5-4）、外循环换热器（5-5）；
所述第一泵组（5-3）连接主换热器（5-1）。
2.根据权利要求1所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，其特征在于，所述总压控制系统（4）为基于ModbusTCP现场总线的罗克维尔PLC控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，其特征在于，所述压缩机转速控制单元（3）为基于ModbusTCP现场总线罗克维尔PLC控制系统。
4.根据权利要求3所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，其特征在于，所述水循环控制系统（5）为基于ProfiNet的西门子PLC控制系统及其执行机构。
5.根据权利要求4所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，其特征在于，所述数据采集单元（6）为基于PXI总线的风洞数据采集系统，所述数据采集单元（6）包括数据采集模块、数据预处理模块。
6.根据权利要求5所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统，其特征在于，所述数据采集单元（6）采集风洞的总温、水循环控制系统（5）的温度。
7.一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，依托于权利要求1-6之一所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制系统实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1、运行数据采集单元（6），数据采集单元（6）将实时采集的风洞的总温实测温度、计算的风洞的总温目标温度反馈给中央控制单元（1）；
S2、运行压缩机转速控制单元（3），控制压缩机在风洞内形成风速一定的气流，压缩机转速控制单元（3）将压缩机运行功率反馈给中央控制单元（1）；
S3、运行总压控制系统（4），控制中压球罐在风洞形成总压一定的气流，总压控制系统（4）将风洞总压反馈给中央控制单元（1）；
S4、运行水循环控制系统（5），中央控制单元（1）根据风洞的总温实测温度、风洞的总温目标温度、压缩机运行功率及风洞总压控制水循环控制系统（5），根据具体工况运行第三泵组（5-6）用以在管路中形成一定流量的冷水循环，运行第一泵组（5-3）用以在提高冷水循环速度，变频运行第二泵组（5-7）或者改变旁路调节阀（5-8）开度，得到风洞的总温控制温度对应流量，进行得到稳定水温用于连续式跨声速风洞的总温控制。
8.根据权利要求7所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，其特征在于，步骤S4中风洞的总温控制温度对应流量的计算方法包括如下步骤：
S4.1、在风洞试验马赫数恒定后，设定气流沿风洞流道运转一圈后的总温升高量为，风洞内的空气质量流量/>的计算公式为：
；
其中，为风洞总压，M为试验段马赫数，/>为风洞压缩机入口温度；
S4.2、计算风洞内空气质量流量，计算公式为：
；
其中，为风洞的总温目标温度；
设置，式中：/>；
则风洞主换热器（5-1）换出的热量为：
；
其中，为空气定压比热容，/>为压缩机输入功率，/>为风洞主换热器热交换出的热量，/>为气流沿风洞流道运转一圈后的总温升高量，/>为气流沿风洞流转一周的时间；
S4.3、计算主换热器（5-1）的换热器换热系数为：
；
其中，S为主换热器（5-1）的换热面积，为对数平均温差；
设置对数平均温差计算公式为：
；
令，/>，/>为/>和/>中温度大的，/>为/>和中温度小的，其中，/>为循环水入口温度，/>为循环水当前出口温度，/>为风洞压缩机出口温度；
S4.4、计算为达到，换热器换出的热量/>的计算公式为：
；
根据步骤S4.3的公式计算出换热器出水温度，然后根据循环水能量守恒方程求出需要控制的目标水流量，循环水能量守恒方程为：
；
其中，为循环水出口温度目标温度，/>为水定压比热容。
9.根据权利要求8所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，其特征在于，步骤S4中通过控制第二泵组（5-7）流量得到稳定水温具体实现方法包括如下步骤：
S4.5、判断对数平均温差的绝对值是否大于1.5℃，判断为否，则利用第二段PID稳定控温或第三段PID微调控温，判断为是，则进行下个步骤；
S4.6、判断对数平均温差的绝对值是否在0.3℃-1.5℃的范围内，判断为否，则利用第一段PID快速控温或第三段PID微调控温，判断为是，则进行下个步骤；
S4.7、判断对数平均温差的绝对值是否小于0.3℃，判断为否，则利用第一段PID快速控温或第二段PID稳定控温，判断为是，则利用第三段PID微调控温，完成第一泵组（5-3）出口水温控制。
10.根据权利要求9所述的一种用于连续式跨声速风洞的总温控制方法，其特征在于，步骤S4中主压缩机功率、水温、总温三者之间的表达式为：
；
其中，为主压缩机功率，/>为总温与第一泵组（5-3）出口水温温差。
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