一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法

摘要

一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，由降温控制系统通过挤推喷射液氮的方式实施降温，基于控制集液环上电磁阀的开关组合实现喷射流量的控制，进而实现温度精确控制。集液环上安装液氮喷射电磁阀和喷嘴，同时用于液氮填充，集液环上电磁阀组分为上游电磁阀组和下游电磁阀组。上游电磁阀组位于压缩机和换热器之间，并距离压缩机末端约2米位置，下游电磁阀组距离压缩机末端约4米位置。喷嘴安装于电磁阀末端，通过控制电磁阀开关实现喷嘴对应流量的液氮喷射。本发明通过控制电磁阀开启组合，进而控制喷注制冷剂的流量和喷射位置，实现了风洞的降温控制，具有控制精度高、温度均匀性好和控制简单，可操作性好的特点。

权利要求

1.一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，降温控制准备：

Ⅰ确定降温控制系统控制需求；获取降温控制系统的温度目标Ts和控制精度Ta；

Ⅱ获取需实施控制的不同流量类型的电磁阀数量和流量；

根据各电磁阀的流量分组，将流量相同的电磁阀分为一组，并分别以L组标记，其中的L为电磁阀流量；各组中电磁阀的数量为N组；下标的“组”为根据流量的分组，以ABCD……标记；所述的分组中，LA＜LB＜LC＜LD……；

Ⅲ获取电磁阀流量和PID控制器输出的对应关系；将所有参与喷射控制的电磁阀的流量求和，得到所有电磁阀全开时的最大流量LT＝LA×NA+LB×NB+LC×NC+LD×ND，单位为kg/s；

PID输出值为0～100.0，将PID输出等同为降温电磁阀的喷射流量输出，而电磁阀的喷射流量范围为0kg/s～LTkg/s，进而得到单位PID输出值对应的喷射流量LE＝LT/100.0，单位为kg/s；所述的PID控制器为比例Proportion-积分Integral-微分Derivative控制器，LT为所有电磁阀全开时的最大流量，LE为每一个PID单位下对应喷射流量；

Ⅳ确定电磁阀和控制算法中数组元素的对应关系；将每个电磁阀看做一个数组元素，按照控制需求进行数组分组和排序；为保证降温均匀性，分组排序时需参照电磁阀实际布局位置，尽量按照位置对称的方式进行排序，以保证程序控制时，先后开启的两个电磁阀在空间位置上对称，按照上述要求，将电磁阀按照流量从小到大和各电磁阀的安装位置分为多个数组，标记为arri,i＝1,2,3,4……；各数组中，存放同流量的电磁阀元素；所述的各数组分别与各L组对应；每个数组中的各电磁阀元素分别与每个L组中的电磁阀对应；

Ⅴ液氮加注、液氮输送管路的清洗与填充；在实施降温自动控制前需将液氮填充入液氮储罐；同时需完成液氮输送管路的清洗、预冷和持续填充工作，以保证电磁阀开启后液氮流量达到实际电磁阀设计要求；所述的清洗是指对液氮输送管路的杂质进行清洗，通过开启液氮储罐出口DN25阀实施，液氮储罐内液氮带动液氮输送管路中的杂质经放空阀排出，清洗1～2分钟，然后关闭DN25阀；所述的填充是指向液氮输送管路阀填充液氮，通过开启液氮储罐出口DN40阀实施，至液氮输送管路末端集液环监测到液氮填满为止，然后关闭DN40阀；试验中的持续填充通过开启液氮储罐出口DN125阀实施，以保证液氮喷射流量；液氮储罐出口三个阀门并联连接；

步骤2，降温自动控制：具体过程是：

Ⅰ检测启动指令；系统自检，当系统无故障时，检测风洞主控计算机远程指令，当检测到“试验开始”和“目标温度”，且目标温度值有效时，启动电磁阀，开始组合控制；

Ⅱ根据误差和误差变化量分段调整PID控制参数；

设定前一个控制周期误差TE0；所设定的前一个控制周期误差TE0仅用于首次计算误差变化量，后续的前一控制周期误差TE0由当前误差赋值得到；

获取安装于稳定段的温度测点的当前时刻温度Tr、目标温度Ts，并将当前时刻温度Tr与目标温度Ts的差值TE1＝Tr-Ts，TE1作为当前误差；

计算当前误差TE1与前一个控制周期误差TE0的差值TE＝TE1-TE0，TE作为误差变化量；当前时刻的当前误差TE1在下一控制周期内即变成了TE0，用于循环计算误差变化量；根据得到的误差和误差变化量分段调整PID控制参数：根据TE1大小进行电磁阀开闭环组合控制，共分成5个误差区间，误差区间1～误差区间5互相排斥；

所述的电磁阀元素值置为1即代表电磁阀开，置为0即代表电磁阀关；

采用PID控制器中的PI控制；PI控制器输出值为Uu，在误差区间3的基础上，根据误差和误差变化量分段调整比例系数KP和积分系数Ki；共分成6段，且各段相互排斥；

所述的Tr为当前温度,Ts为目标温度,TE1为当前误差值,TE0为前一控制周期误差值,TE为误差变化量，Uu为控制器输出值；

Ⅲ根据PI输出值Uu的范围将控制程序输出和电磁阀开关进行对应；

当PI输出值Uu大于等于0.0且小于等于(LA×NA)×100/LT，通过公式

获取当前开启A组电磁阀的数量fA(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

当PID输出Uu大于(LA×NA)×100/LT且小于等于(LA×NA+LB×NB)×100/LT，首先通过公式 获取当前开启B组电磁阀的数量fB(N),判断fB(N)和NB大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置1，当fB(N)

然后通过公式 获取当前需开启A组电磁阀的数量fA(N),

判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

当PID输出Uu大于(LA×NA+LB×NB)×100/LT且小于等于(LA×NA+LB×NB+LC×NC)×100/LT，首先通过公式 获取当前开启C组电磁阀的数量fC(N),判断fC(N)和NC大小，当fC(N)≥NC，arr3数组全部置1，当fC(N)

(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

当PID输出Uu大于(LA×NA+LB×NB+LC×NC)×100/LT且小于等于100.0，首先通过公式获取当前开启D组  电磁阀的数量fD(N)，判断fD(N)和ND大小，当fD(N)≥ND，arr4数组全部置1，当fD(N)

0；然后通过公式 获取当前需开启C组电磁阀的数量fC

(N),判断fC(N)和NC大小，当fC(N)≥NC,arr3数组全部置1，当fC(N)

断fB(N)和NB大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置1，当fB(N)

fA(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

所述fA(N)～fD(N)为需开启的各组电磁阀数量的函数，int()为数学上的取整函数；

Round()为四舍五入并取整函数；

Ⅳ风洞主控计算机调度下的降温控制；风洞降温运行过程中，风洞主控计算机实时对风洞总压、总温、马赫数流场参数进行检测、计算，并协调相应的控制系统对流场参数进行控制调整；降温过程中降温控制系统实时接收风洞主控计算机发送的调度指令，当检测到“暂停”指令时，保持电磁阀开关组合不变，由风洞主控计算机协调其它控制系统进行其它流场参数控制；待接收到主控计算机“继续”指令时，继续按照步骤2进行温度的闭环控制；

至此，完成了第一个循环周期的降温自动控制过程；

循环所述检测启动指令、根据误差和误差变化量分段调整PID控制参数、根据PI输出值Uu的范围将控制程序输出和电磁阀开关进行对应、风洞主控计算机调度下的降温控制的过程，进行第二个循环周期的降温自动控制的过程，直至检测到试验结束指令，停止降温自动控制的过程；

Ⅴ数据采集；比较连续5个控制周期内获取的温度偏差TE1，当偏差均在误差要求范围，即|TE1|≤|Ta|时，开始数据采集；

Ⅵ安全联锁保护；在实施步骤1和步骤2的过程中需要实时对影响设备运行安全的信号进行监控，包括稳定段总温、液氮喷注段洞壁温度、电磁阀喷前压力、压缩机轴温、氧含量、控制系统运行状态、急停、网络通信状态，当监控到上述信号异常时，结合现场运行工况判断其安全风险，由指挥长确定是否停止降温试验，并将所有喷射电磁阀关闭。

2.如权利要求1所述基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，其特征在于，所述的5个误差区间分别为：误差区间1：当TE1≥8.0℃，全部电磁阀置为1；

误差区间2：当3.6℃

误差区间3：当-2.4℃≤TE1≤3.6℃，进入PID闭环控制程序，采用分段变参数PI控制算法，即根据误差和误差变化量分段调整比例系数KP和积分系数Ki，所述的PI控制即比例Proportion-积分Integral控制；

误差区间4：当-3℃≤TE1<-2.4℃，按照数组流量从大到小从开启，直至开启流量达到电磁阀全开时的最大流量LT的0.2倍，以抵消压缩机热量平衡；

误差区间5：当TE1<-3℃，全部电磁阀置0。

3.如权利要求1所述基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，其特征在于，在上游圆周表面布置所述的各电磁阀时，逆时针定义该上游电磁阀组圆周表面的3点方向为0°，12点方向为90°，9点方向为180°，6点方向为270°；所述的A组电磁阀( 1) 有3个，分别处于圆周表面的90°、225°和315°位置，并分别标记为11、12、13；所述的B组电磁阀( 2) 有3个，分别处于圆周表面的135°、270°和45°位置，并分别标记为21、22、23；所述的C组电磁阀( 3) 有6个，分别处于圆周表面的112.5°、292.5°、157.5°、337.5°、202.5°和22.5°位置，并分别标记为

31、32、33、34、35、36；所述的D组电磁阀( 4) 有4个，分别处于圆周表面的180°、0°、247.5°和

67.5°位置，并分别标记为41、42、43、44。

4.如权利要求1所述基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，其特征在于，在下游圆周表面布置所述的各电磁阀时，逆时针定义该下游电磁阀组圆周表面的3点方向为0°，12点方向为90°，9点方向为180°，6点方向为270°；所述的A组电磁阀( 1) 有3个，分别处于圆周表面的135°、270°和45°位置，分别标记为14、15、16；所述的B组电磁阀( 2) 有2个，分别处于圆周表面的180°和0°位置，分别标记为24、25；所述的C组电磁阀( 3) 有8个，分别处于圆周表面的112.5°、292.5°、157.5°、337.5°、202.5°、22.5°、247.5°和67.5°位置，并分别标记为

37、38、39、310、311、312、313、314；所述的D组电磁阀( 4) 有3个，分别处于圆周表面的90°、225°和315°位置，并分别标记为45、46、47。

5.如权利要求3或4所述基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，其特征在于，在所述上游圆周表面布置的各电磁阀和在下游圆周表面布置的各电磁阀中，与数组的对应关系为：arri[j]与电磁阀标记ij一一对应；所述的j为圆周截面上同一流量电磁阀的序号，j＝1,

2,3,……；所述的arri[j]表示第i个数组的第j个元素。

说明书

一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，属于风洞温度控制技术领域。

背景技术

[0002] 连续式风洞采用压缩机提供动力源，建立所需要的马赫数，连续式风洞按照运行温度范围可分为常规风洞、低温风洞和降温风洞几种。常规连续式风洞多配置换热器系统，通过其维持风洞的气流温度稳定；降温风洞和低温风洞有的配置液氮/液氨喷射系统，通过降低气流温度以拓展风洞的试验雷诺数范围。以液氮喷射为例，低温风洞运行温度可低至160℃以下，其液氮喷射系统一般由液氮储罐、液氮泵、供液阀组、调节阀、电磁阀、喷嘴以及相关管路组成，通过控制和喷嘴连接的电磁阀开闭、主管路的调节阀开度以及液氮泵的流量来实现温度调节。降温风洞降温运行时温度一般不低于-50℃，降温运行仅仅为风洞多个运行工况中的一种，相比低温风洞其结构配置简单、精度要求稍低、液氮消耗量少，部分风洞也通过配置液氮喷射系统来实现，但和低温风洞结构有所不同，包括液氮储罐、泵、配气阀组、挤推阀组、供液阀组、电磁阀、喷嘴以及相关管路。降温风洞的液氮喷射系统也称为降温系统，其实现原理可以简单描述为：试验前通过泵和配气阀组将一部分液氮转化成气氮，作为挤推液氮的驱动气源和气控阀门的驱动气源，试验过程中通过开启挤推阀组和供液阀组挤推液氮储罐内的液氮，并通过调节多种不同流量类型的电磁阀的流量来实现降温的精确控制。在降温风洞中合理的电磁阀组合对实现温度的精确控制具有非常重要的作用，针对电磁阀的组合控制问题，文献《AIAA 92-3930.1992.6,Control of Large Cryogenic Tunnels》简要描述了国外大型低温风洞NTF的温度控制原理，其电磁阀数量较少且流量均相同，温度控制时通过8种电磁阀组合方式实现从小流量到全流量的液氮喷射，其电磁阀数量较少无法实现流量的小阶梯变化，同时还需要调节调压阀以精确控制电磁阀喷前压力，控制环节多。文献《中国空气动力学会测控专业委员会第六届五次全国学术交流会论文集，
2014.8.某风洞喷雾系统设计和压力精确控制研究》描述了国内结冰风洞喷雾系统的设计方法，但其电磁阀开启位置和数量在试验之前是确定的，试验中不涉及电磁阀自动组合控制问题，而且电磁阀开启前后必须调节调压阀以精确控制电磁阀喷前压力，控制环节也较多。

[0003] 降温风洞电磁阀数量较多、可组合方式多，公开的文献和专利中目前尚无基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法的描述。

发明内容

[0004] 为克服现有降温风洞中存在的未采用电磁阀组合控制，以及在已采用电磁阀组合控制其他类风洞中存在的必须调节调压阀以精确控制电磁阀喷前压力，增加了控制环节的不足，本发明提出了一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法。

[0005] 本发明的具体过程是：

[0006] 步骤1，降温控制准备。

[0007] Ⅰ确定降温控制系统控制需求。获取降温控制系统的温度目标Ts和控制精度Ta。

[0008] Ⅱ获取需实施控制的不同流量类型的电磁阀数量和流量。

[0009] 根据各电磁阀的流量分组，将流量相同的电磁阀分为一组，并分别以L组标记，其中的L为电磁阀流量；各组中电磁阀的数量为N组；下标的“组”为根据流量的分组，以ABCD……标记。所述的分组中，LA＜LB＜LC＜LD……。

[0010] Ⅲ获取电磁阀流量和PID控制器输出的对应关系。将所有参与喷射控制的电磁阀的流量求和，得到所有电磁阀全开时的最大流量LT＝LA×NA+LB×NB+LC×NC+LD×ND，单位为kg/s。PID输出值为0～100.0，将PID输出等同为降温电磁阀的喷射流量输出，而电磁阀的喷射流量范围为0kg/s～LTkg/s，进而得到单位PID输出值对应的喷射流量LE＝LT/100.0，单位为kg/s。所述的PID控制器为比例Proportion-积分Integral-微分Derivative控制器，LT为所有电磁阀全开时的最大流量，LE为每一个PID单位下对应喷射流量。

[0011] Ⅳ确定电磁阀和控制算法中数组元素的对应关系。将每个电磁阀看做一个数组元素，按照控制需求进行数组分组和排序。为保证降温均匀性，分组排序时需参照电磁阀实际布局位置，尽量按照位置对称的方式进行排序，以保证程序控制时，先后开启的两个电磁阀在空间位置上对称，按照上述要求，将电磁阀按照流量从小到大和各电磁阀的安装位置分为多个数组，标记为arri,i＝1,2,3,4……。各数组中，存放同流量的电磁阀元素。所述的各数组分别与各L组对应；每个数组中的各电磁阀元素分别与每个L组中的电磁阀对应。

[0012] 在上游圆周表面布置所述的各电磁阀时，逆时针定义该上游电磁阀组圆周表面的3点方向为0°，12点方向为90°，9点方向为180°，6点方向为270°。所述的A组电磁阀1有3个，分别处于圆周表面的90°、225°和315°位置，并分别标记为11、12、13。所述的B组电磁阀2有3个，分别处于圆周表面的135°、270°和45°位置，并分别标记为21、22、23。所述的C组电磁阀3有6个，分别处于圆周表面的112.5°、292.5°、157.5°、337.5°、202.5°和22.5°位置，并分别标记为31、32、33、34、35、36。所述的D组电磁阀4有4个，分别处于圆周表面的180°、0°、247.5°和67.5°位置，并分别标记为41、42、43、44。

[0013] 在下游圆周表面布置所述的各电磁阀时，逆时针定义该下游电磁阀组圆周表面的3点方向为0°，12点方向为90°，9点方向为180°，6点方向为270°。所述的A组电磁阀1有3个，分别处于圆周表面的135°、270°和45°位置，分别标记为14、15、16；所述的B组电磁阀2有2个，分别处于圆周表面的180°和0°位置，分别标记为24、25；所述的C组电磁阀3有8个，分别处于圆周表面的112.5°、292.5°、157.5°、337.5°、202.5°、22.5°、247.5°和67.5°位置，并分别标记为37、38、39、310、311、312、313、314；所述的D组电磁阀4有3个，分别处于圆周表面的90°、225°和315°位置，并分别标记为45、46、47。

[0014] 在所述上游圆周表面布置的各电磁阀和在下游圆周表面布置的各电磁阀中，与数组的对应关系为：arri[j]与电磁阀标记ij一一对应。所述的j为圆周截面上同一流量电磁阀的序号，j＝1,2,3,……。所述的arri[j]是第i个数组的第j个元素。

[0015] Ⅴ液氮加注、液氮输送管路的清洗与填充。在实施降温自动控制前需将液氮填充入液氮储罐；同时需完成液氮输送管路的清洗、预冷和持续填充工作，以保证电磁阀开启后液氮流量达到实际电磁阀设计要求。所述的清洗是指对液氮输送管路的杂质进行清洗，通过开启液氮储罐出口DN25阀实施，液氮储罐内液氮带动液氮输送管路中的杂质经放空阀排出，一般清洗1～2分钟，然后关闭DN25阀；所述的填充是指向液氮输送管路阀填充液氮，通过开启液氮储罐出口DN40阀实施，至液氮输送管路末端集液环监测到液氮填满为止，然后关闭DN40阀。试验中的持续填充通过开启液氮储罐出口DN125阀实施，以保证液氮喷射流量。液氮储罐出口三个阀门并联连接。

[0016] 步骤2，降温自动控制。具体过程是：

[0017] Ⅰ检测启动指令。系统自检，当系统无故障时，检测风洞主控计算机远程指令，当检测到“试验开始”和“目标温度”，且目标温度值有效时，启动电磁阀，开始组合控制。

[0018] Ⅱ根据误差和误差变化量分段调整PID控制参数。

[0019] 设定前一个控制周期误差TE0。所设定的前一个控制周期误差TE0仅用于首次计算误差变化量，后续的前一控制周期误差TE0由当前误差赋值得到。

[0020] 获取安装于稳定段的温度测点的当前时刻温度Tr、目标温度Ts，并将当前时刻温度Tr与目标温度Ts的差值TE1＝Tr-Ts，TE1作为当前误差。

[0021] 计算当前误差TE1与前一个控制周期误差TE0的差值TE＝TE1-TE0，TE作为误差变化量。当前时刻的当前误差TE1在下一控制周期内即变成了TE0，用于循环计算误差变化量。

[0022] 根据得到的误差和误差变化量分段调整PID控制参数：

[0023] 根据TE1大小进行电磁阀开闭环组合控制，共分成5个误差区间，误差区间1～误差区间5互相排斥。

[0024] 误差区间1：当TE1≥8.0℃，全部电磁阀置为1。

[0025] 误差区间2：当3.6℃

[0026] 误差区间3：当-2.4℃≤TE1≤3.6℃，进入PID闭环控制程序，采用分段变参数PI控制算法，即根据误差和误差变化量分段调整比例系数KP和积分系数Ki，所述的PI控制即比例Proportion-积分Integral控制。

[0027] 误差区间4：当-3℃≤TE1<-2.4℃，按照数组流量从大到小从开启，直至开启流量达到电磁阀全开时的最大流量LT的0.2倍，以抵消压缩机热量平衡。

[0028] 误差区间5：当TE1<-3℃，全部电磁阀置0。

[0029] 所述的电磁阀元素值置为1即代表电磁阀开，置为0即代表电磁阀关。

[0030] 采用PID控制器中的PI控制。PI控制器输出值为Uu，在误差区间3的基础上，根据误差和误差变化量分段调整比例系数KP和积分系数Ki。共分成6段，且各段相互排斥。

[0031] 所述的Tr为当前温度,Ts为目标温度,TE1为当前误差值,TE0为前一控制周期误差值,TE为误差变化量，Uu为控制器输出值。

[0032] Ⅲ根据PI输出值Uu的范围将控制程序输出和电磁阀开关进行对应。

[0033] 当PI输出值Uu大于等于0.0且小于等于(LA×NA)×100/LT，通过公式获取当前开启A组电磁阀的数量fA(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，
arr1数组全部置1，当fA(N)

[0034] 当PID输出Uu大于(LA×NA)×100/LT且小于等于(LA×NA+LB×NB)×100/LT，首先通过公式 获取当前开启B组电磁阀的数量fB(N),判断fB(N)和NB大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置1，当fB(N)(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

[0035] 当PID输出Uu大于(LA×NA+LB×NB)×100/LT且小于等于(LA×NA+LB×NB+LC×NC)×100/LT，首先通过公式 获取当前开启C组电磁阀的数量fC(N),判断fC(N)
和NC大小，当fC(N)≥NC，arr3数组全部置1，当fC(N)磁阀的数量fB(N),判断fB(N)和NB大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置1，当fB(N)获取当前开启A组电磁阀的数量fA(N),
判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

[0036] 当PID输出Uu大于(LA×NA+LB×NB+LC×NC)×100/LT且小于等于100.0，首先通过公式 获取当前开启D组电磁阀的数量fD(N)，判断fD(N)和ND大小，当fD(N)≥ND，arr4数组全部置1，当fD(N)然后通过公式 获取当前需开启C组电磁阀的数量fC(N),
判断fC(N)和NC大小，当fC(N)≥NC,arr3数组全部置1，当fC(N)获取当前需开启B组电磁阀的数量fB(N),判断fB(N)和NB大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置
1，当fB(N)fA(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

[0037] 所述fA(N)～fD(N)为需开启的各组电磁阀数量的函数，int()为数学上的取整函数。Round()为四舍五入并取整函数。

[0038] Ⅳ风洞主控计算机调度下的降温控制。风洞降温运行过程中，风洞主控计算机实时对风洞总压、总温、马赫数流场参数进行检测、计算，并协调相应的控制系统对流场参数进行控制调整。降温过程中降温控制系统实时接收风洞主控计算机发送的调度指令，当检测到“暂停”指令时，保持电磁阀开关组合不变，由风洞主控计算机协调其它控制系统进行其它流场参数控制；待接收到主控计算机“继续”指令时，继续按照步骤2进行温度的闭环控制。

[0039] 至此，完成了第一个循环周期的降温自动控制过程。

[0040] 循环所述检测启动指令、根据误差和误差变化量分段调整PID控制参数、根据PI输出值Uu的范围将控制程序输出和电磁阀开关进行对应、风洞主控计算机调度下的降温控制的过程，进行第二个循环周期的降温自动控制的过程，直至检测到试验结束指令，停止降温自动控制的过程。

[0041] Ⅴ数据采集。比较连续5个控制周期内获取的温度偏差TE1，当偏差均在误差要求范围，即|TE1|≤|Ta|时，开始数据采集。

[0042] Ⅵ安全联锁保护。在实施步骤1和步骤2的过程中需要实时对影响设备运行安全的信号进行监控，包括稳定段总温、液氮喷注段洞壁温度、电磁阀喷前压力、压缩机轴温、氧含量、控制系统运行状态、急停、网络通信状态，当监控到上述信号异常时，结合现场运行工况判断其安全风险，由指挥长确定是否停止降温试验，并将所有喷射电磁阀关闭。

[0043] 本发明通过控制电磁阀开启组合，进而控制喷注制冷剂的流量和喷射位置，以实施风洞的降温控制。其主要效果有：

[0044] 1、控制精度高、温度均匀性好。基于电磁阀的智能组合控制方法，通过设计PI控制器，将PI输出和电磁阀流量进行关联，根据闭环控制时PI输出大小来控制电磁阀开启数量及开启时机，从而实现了利用单个电磁阀开关开环控制，来实现多个电磁阀组合流量闭环控制，且PI控制器采用分段变参数方法，根据温度偏差、温度偏差变化量不同实时调整PI控制参数，进而调整输出流量，改变电磁阀开启数量，精度高，超调小。同时喷射时按照对称布局的先后顺序，并按照大流量至小流量逐次递进的方式，喷入的流量突变小，温度场均匀性好。

[0045] 2、控制简单，可操作性好。系统控制对象为电磁阀，均为开关控制，控制简单，实现容易。

[0046] 本发明在西北工业大学NF-6风洞降温系统中进行了验证，实验结果表明，采用本发明的技术方案实现了-20℃的风洞降温稳定运行，总温控制精度|ΔTΦ|≤2K，稳定段温度分布均匀性|ΔTΦ|≤2K。

附图说明

[0047] 图1a是液氮喷注段集液环上游电磁阀组布局示意图，图1b液氮喷注段集液环下游电磁阀组布局示意图。

[0048] 图2a是集液环上游电磁阀分组排序图，图2b集液环下游电磁阀分组排序图。

[0049] 图3是降温风洞的温度控制过程。

[0050] 图4是本发明的流程图。

[0051] 图中：1.A组电磁阀；2.B组电磁阀；3.C组电磁阀；4.D组电磁阀；5.集液环上游电磁阀组；6.集液环下游电磁阀组。

具体实施方式

[0052] 本实施例是一种基于电磁阀组合的降温风洞温度控制方法，由降温控制系统通过挤推喷射液氮的方式实施降温，主要基于控制图1中集液环上电磁阀的开关组合实现喷射流量的控制，进而实现温度精确控制。图1为风洞顺气流方向的侧视图，所述集液环上安装液氮喷射电磁阀和喷嘴，同时用于液氮填充，集液环上电磁阀组包括两部分，分成上游电磁阀组和下游电磁阀组。图1a中的上游电磁阀组位于压缩机和换热器之间，具体安装于靠近压缩机侧，距离压缩机末端约2米位置，图1b的下游电磁阀组距离压缩机末端约4米位置，集液环安装位置由气动条件设计得到。喷嘴安装于电磁阀末端，通过控制电磁阀开关实现喷嘴对应流量的液氮喷射。

[0053] 本实施例的具体过程是：

[0054] 步骤1，降温控制准备。

[0055] Ⅰ确定降温控制系统控制需求。首先获取降温控制系统的温度目标Ts和控制精度Ta，本实施例中Ts＝-20℃，Ta＝±2℃。

[0056] Ⅱ获取需实施控制的不同流量类型的电磁阀数量和流量。

[0057] 根据各电磁阀的流量分组，将流量相同的电磁阀分为一组，并分别以L组标记，其中的L为电磁阀流量，各组中电磁阀的数量为N组；下标的“组”为根据流量的分组，以ABCD……标记。本实施例中，共有32个电磁阀，根据各电磁阀的流量分为四组，分别为ABCD组。所述的分组中，LA＜LB＜LC＜LD。

[0058] 其中：

[0059] A组电磁阀1的流量LA＝0.02kg/s，数量NA＝6；B组电磁阀2的流量LB＝0.12kg/s，数量NB＝5；C组电磁阀3的流量LC＝0.6kg/s，数量NC＝14；D组电磁阀4的流量LD＝0.73kg/s，数量ND＝7。所述的L为电磁阀流量，N为电磁阀数量，A、B、C、D分别代表不同流量的电磁阀类型。

[0060] Ⅲ获取电磁阀流量和PID控制器输出的对应关系。将所有参与喷射控制的电磁阀的流量求和，得到所有电磁阀全开时的最大流量LT＝LA×NA+LB×NB+LC×NC+LD×ND＝14.23kg/s。PID输出值为0～100.0，将PID输出等同为降温电磁阀的喷射流量输出，而电磁阀的喷射流量范围为0kg/s～14.23kg/s，进而得到单位PID输出值对应的喷射流量LE＝LT/
100.0＝0.1423kg/s。所述的PID控制器为比例Proportion-积分Integral-微分Derivative控制器的缩写；LT为所有电磁阀全开时的最大流量；LE为每一个PID单位下对应喷射流量。

[0061] Ⅳ确定电磁阀和控制算法中数组元素的对应关系。将图1中每个电磁阀看做一个数组元素，按照控制需求进行数组分组和排序，进而得到图2的电磁阀分组排序图，图2a为集液环上游电磁阀组5，图2b为集液环下游电磁阀组6。为保证降温均匀性，分组排序时需参照电磁阀实际布局位置，尽量按照位置对称的方式进行排序，以保证程序控制时，先后开启的两个电磁阀在空间位置上对称。按照上述要求，将图1中的电磁阀按照流量和安装位置分为4个数组，分别记为arr1、arr2、arr3和arr4。

[0062] arr1数组存放流量为0.02kg/s的D组电磁阀元素，数量为6，数组内元素的排列顺序为：arr1[1]、arr1[2]、arr1[3]、……arr1[6]，分别对应图2中标记为11、12、13、……16的电磁阀。

[0063] arr2数组存放流量为0.12kg/s的B组电磁阀元素，数量为5，数组内元素的排列顺序为：arr2[1]、arr2[2]、arr2[3]、arr2[4]、arr2[5]，分别对应图2中标记为21、22、23、24、25的电磁阀。

[0064] arr3数组存放流量为0.6kg/s的C组电磁阀元素，数量为14，数组内元素的排列顺序为：arr3[1]、arr3[2]、arr3[3]、……arr3[14]，分别对应图2中标记为31、32、33、……314的电磁阀。

[0065] arr4数组存放流量为0.73kg/s的D组电磁阀元素，数量为7，数组内元素的排列顺序为：arr4[1]、arr4[2]、arr4[3]、……arr4[7]，分别对应图2中标记为41、42、43、……47的电磁阀。

[0066] 所述的元素即为电磁阀。

[0067] 图2a中圆周表面布置所述的各电磁阀时，逆时针定义该上游电磁阀组5圆周表面的3点方向为0°，12点方向为90°，9点方向为180°，6点方向为270°。所述的A组电磁阀1有3个，分别处于圆周表面的90°、225°和315°位置，并分别标记为11、12、13。所述的B组电磁阀2有3个，分别处于圆周表面的135°、270°和45°位置，并分别标记为21、22、23。所述的C组电磁阀3有6个，分别处于圆周表面的112.5°、292.5°、157.5°、337.5°、202.5°和22.5°位置，并分别标记为31、32、33、34、35、36。所述的D组电磁阀4有4个，分别处于圆周表面的180°、0°、247.5°和67.5°位置，并分别标记为41、42、43、44。

[0068] 图2b中圆周表面布置所述的各电磁阀时，逆时针定义该下游电磁阀组6圆周表面的3点方向为0°，12点方向为90°，9点方向为180°，6点方向为270°。所述的A组电磁阀1有3个，分别处于圆周表面的135°、270°和45°位置，分别标记为14、15、16；所述的B组电磁阀2有2个，分别处于圆周表面的180°和0°位置，分别标记为24、25；所述的C组电磁阀3有8个，分别处于圆周表面的112.5°、292.5°、157.5°、337.5°、202.5°、22.5°、247.5°和67.5°位置，并分别标记为37、38、39、310、311、312、313、314；所述的D组电磁阀4有3个，分别处于圆周表面的90°、225°和315°位置，并分别标记为45、46、47。

[0069] Ⅴ液氮加注、液氮输送管路的清洗与填充。在实施降温自动控制前需将液氮填充入液氮储罐，本实施例中液氮加注量为7吨,由气动专业设计得到；同时需完成液氮输送管路的清洗、预冷和持续填充工作，以保证电磁阀开启后液氮流量达到实际电磁阀设计要求。所述的清洗是指对液氮输送管路的杂质进行清洗，通过开启液氮储罐出口DN25阀实施，液氮储罐内液氮带动液氮输送管路中的杂质经放空阀排出，一般清洗1～2分钟，然后关闭DN25阀；所述的填充是指向液氮输送管路阀填充液氮，通过开启液氮储罐出口DN40阀实施，至液氮输送管路末端集液环监测到液氮填满为止，然后关闭DN40阀。试验中的持续填充通过开启液氮储罐出口DN125阀实施，以保证液氮喷射流量。液氮储罐出口三个阀门并联连接。

[0070] 步骤2，降温自动控制。具体过程是：

[0071] Ⅰ检测启动指令。系统自检，当系统无故障时，检测风洞主控计算机远程指令，当检测到“试验开始”和“目标温度”，且设定的目标温度值有效时，启动电磁阀，开始组合控制。

[0072] Ⅱ根据误差和误差变化量分段调整PID控制参数。

[0073] 计算误差和误差变化量：

[0074] 设定前一个控制周期误差TE0。所设定的前一个控制周期误差TE0仅用于首次计算误差变化量，后续的前一控制周期误差TE0由当前误差赋值得到。

[0075] 获取安装于稳定段的温度测点的当前时刻温度Tr、目标温度Ts，并将当前时刻温度Tr与目标温度Ts的差值TE1＝Tr-Ts，TE1作为当前误差。

[0076] 计算当前误差TE1与前一个控制周期误差TE0的差值TE＝TE1-TE0，TE作为误差变化量。当前时刻的当前误差TE1在下一控制周期内即变成了TE0，用于循环计算误差变化量。

[0077] 根据得到的误差和误差变化量分段调整PID控制参数：

[0078] 根据TE1大小进行电磁阀开闭环组合控制，共分成5个误差区间，误差区间1～误差区间5互相排斥。

[0079] 所述的5个误差区间分别为：

[0080] 误差区间1：当TE1≥8.0℃，全部电磁阀置为1；

[0081] 误差区间2：当3.6℃

[0082] 误差区间3：当-2.4℃≤TE1≤3.6℃，进入PID闭环控制程序，采用分段变参数PI[0083] 控制算法，即根据误差和误差变化量分段调整比例系数KP和积分系数Ki，所述的[0084] PI控制即比例Proportion-积分Integral控制；

[0085] 误差区间4：当-3℃≤TE1<-2.4℃，按照数组流量从大到小从开启，直至开启流量达到电磁阀全开时的最大流量LT的0.2倍，以抵消压缩机热量平衡；

[0086] 误差区间5：当TE1<-3℃，全部电磁阀置0。

[0087] 所述的电磁阀元素值置为1即代表电磁阀开，置为0即代表电磁阀关。

[0088] 本实施例中采用PID控制器中的PI控制。PI控制器输出值为Uu，在误差区间3的基础上，根据误差和误差变化量分段确定比例系数KP和积分系数Ki。共分成6段，且相互排斥，具体为：

[0089] 当1.5℃

[0090] 当-1.0℃≤TE1≤1.5℃且TE<0.0℃时,KP＝30、Ki＝0.7；

[0091] 当-2.4℃≤TE1<-1.0℃且TE<0.0℃时,KP＝25,Ki＝0.5；

[0092] 当-2.4℃≤TE1<-1.0℃且TE≥0.0℃时,KP＝20,Ki＝0.6；

[0093] 当-1.0℃≤TE1≤1.5℃且TE≥0.0℃时,KP＝25,Ki＝0.7

[0094] 当1.5℃

[0095] 本实施例中6段的划分及KP、Ki的值结合实际调试过程获得。所述的Tr为当前温度,Ts为目标温度,TE1为当前误差值,TE0为前一控制周期误差值，TE为误差变化量，Uu为控制器输出值。

[0096] Ⅲ根据PI输出值Uu的范围将控制程序输出和电磁阀开关进行对应。

[0097] 当0.0≤Uu≤0.8433时，通过公式 获取当前开启A组电磁阀的数量fA(N),判断fA(N)和NA大小：当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1；当fA(N)

[0098] 当0.8433获取当前需开启A组电磁阀的数量fA(N),判断fA(N)和NA
大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1；当fA(N)

[0099] 当5.06获取当前需开启B组电磁阀的数量fB(N),判断fB(N)和NB
大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置1，当fB(N)当前开启A组电磁阀的数量，fA(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

[0100] 当64.09获取当前需开启C组电磁阀的数量fC(N),判断fC(N)和NC大小，当fC
(N)≥NC，arr3数组全部置1，当fC(N)电磁阀的数量fB(N),判断fB(N)和NB大小，当fB(N)≥NB，arr2数组全部置1，当fB(N)获取当前需开启A组电磁
阀的数量fA(N),判断fA(N)和NA大小，当fA(N)≥NA，arr1数组全部置1，当fA(N)

[0101] 所述fA(N)～fD(N)为需开启的各组电磁阀数量的函数，int()为数学上的取整函数。Round()为四舍五入并取整函数。

[0102] Ⅳ风洞主控计算机调度下的降温控制。风洞降温运行过程中，风洞主控计算机实时对风洞总压、总温、马赫数流场参数进行检测、计算，并协调相应的控制系统对流场参数进行控制调整。降温过程中降温控制系统实时接收风洞主控计算机发送的调度指令，当检测到“暂停”指令时，保持电磁阀开关组合不变，由风洞主控计算机协调其它控制系统进行其它流场参数控制；待接收到主控计算机“继续”指令时，继续按照步骤2进行温度的闭环控制。

[0103] 至此，完成了第一个循环周期的降温自动控制过程。

[0104] 循环所述检测启动指令、根据误差和误差变化量分段调整PID控制参数、根据PI输出值Uu的范围将控制程序输出和电磁阀开关进行对应、风洞主控计算机调度下的降温控制的过程，进行第二个循环周期的降温自动控制的过程，直至检测到试验结束指令，停止降温自动控制的过程。

[0105] Ⅴ数据采集。比较连续5个控制周期内获取的温度偏差TE1，当偏差均在误差要求范围，即±2℃内时，开始数据采集。

[0106] 在实施上述步骤1和步骤2的过程中需要实时对影响设备运行安全的信号进行监控，包括稳定段总温、液氮喷注段洞壁温度、电磁阀喷前压力、压缩机轴温、氧含量、控制系统运行状态、急停、网络通信状态，当监控到上述信号异常时，结合现场运行工况判断其安全风险，由指挥长确定是否停止降温试验，并将所有喷射电磁阀关闭。

[0107] 本实施例是以32个电磁阀并根据各电磁阀的流量分为四组为例对本发明的技术方案进行描述的，当电磁阀的数量和流量变化，并且分组亦变化时，按本实施例的方法类推，即可实现基于不同数量电磁阀组合的降温风洞温度控制。