本发明是一种风洞螺旋桨滑流气源系统控制方法，所述控制方法所采用的控制装置包括一个储气罐(1)，储气罐(1)以下依次连接气动截止阀(2)、一级减压装置(3)、初级电加热装置(4)、次极电加热装置(5)、二级减压装置(6)，经二级减压装置(6)减压后的气体吹动螺旋桨(7)转动，其中，一级减压装置(3)和二级减压装置(6)均由大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)并联构成，在二级减压装置(6)的前、后分别设置压力传感器，本发明技术方案使用二次减压装置、分级热交换装置，通过前馈‑反馈控制，解决了手动控制无法及时准确提供有效的压力、流量的问题。
1.一种风洞螺旋桨滑流气源系统控制方法，所述控制方法所采用的控制装置包括一个储气罐(1)，储气罐(1)以下依次连接气动截止阀(2)、一级减压装置(3)、初级电加热装置(4)、次级电加热装置(5)、二级减压装置(6)，经二级减压装置(6)减压后的气体吹动螺旋桨(7)转动，其中，一级减压装置(3)和二级减压装置(6)均由大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)并联构成，在二级减压装置(6)的前、后分别设置压力传感器，其特征在于：所述控制方法的具体步骤如下：步骤一、试验前的一级减压装置(3)的压力调节
将给定的进入二级减压装置(6)之前的气体压力值作为保压压力设定值，打开气动截止阀(2)和一级减压装置(3)的小气动调节阀(9)，将保压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)前的压力数值进行比较，调节小气动调节阀(9)，使两个数值一致；
将二级减压装置(6)输出的流量分为大流量和小流量两种，所述大流量是指气体质量流量Qm为5～20kg/s，小流量是指气体质量流量Qm小于5kg/s，以下分别介绍这两种流量的控制模式：所述大流量控制模式为：打开一级减压装置(3)的大气动调节阀(8)，将给定的一级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)前的压力数值进行比较，调节一级减压装置(3)的大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)，使两个数值一致；
打开二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)，将给定的二级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)后的压力数值进行比较，调节二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)、小气动调节阀(9)，使两个数值一致，其中，二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)采用前馈—反馈PID控制，所述前馈—反馈PID控制是指前馈和反馈共同作用二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的调节，前馈的作用是快速预置二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的阀门开度，反馈的作用是动态微调二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的阀门开度，前馈是根据给定的二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前、后压差△P和二级减压装置(6)后输出的试验用高压空气的气体质量流量Qm计算得出，计算过程如下：首先，计算高压空气的气体密度ρ，计算公式为：
P—二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前气体压力，Pa；
T—二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前气体温度，K；
其次，根据二级减压装置(6)后输出的试验用气体质量流量Qm计算高压空气体积流量Qv，计算公式为：式中：Qv—气体体积流量，m3/h；
最后，根据公式(1)、(2)及给定的二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前、后压差△P计算二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)阀门开度Cv，计算公式如下：式中：k—流量系数，取值1.12
所述小流量控制模式为：打开二级减压装置(6)的小气动调节阀(9)，将给定的二级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)后的压力数值进行比较，调节二级减压装置(6)的小气动调节阀(9)，使两个数值一致。
一种风洞螺旋桨滑流气源系统控制方法
技术领域
[0001] 本发明是一种风洞螺旋桨滑流气源系统控制方法，属于自动化控制技术领域。
背景技术
[0002] 对于风洞滑流气源控制系统而言，国内尚无成熟应用。对于传统的风洞滑流气源控制系统来说，控制方式通过自力式减压装置手动实现气体和流量的稳定控制，此方式仅可在小压力低流量情况下进行，无法满足高压力、大流量的现实需要。传统的风洞滑流气源系统通过人工手动方式操作，对压缩气体及加热设备的能源消耗情况无法监视和控制，产生了极大的能源浪费。
发明内容
[0003] 本发明正是针对上述现有技术存在的不足而设计提供了一种风洞螺旋桨滑流气源系统控制方法，其目的是在螺旋桨大流量、小流量实验模式下，保证实验持续时间约5min。因为气罐每次充气时间却耗费7～8小时。因此快速的使压力、流量达到稳定，对实验数据的积累和人力、财力节省有重要意义。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0005] 一种风洞螺旋桨滑流气源系统控制方法，其特征在于：所述控制方法所采用的控制装置包括一个储气罐(1)，储气罐(1)以下依次连接气动截止阀(2)、一级减压装置(3)、初级电加热装置(4)、次极电加热装置(5)、二级减压装置(6)，经二级减压装置(6)减压后的气体吹动螺旋桨(7)转动，其中，一级减压装置(3)和二级减压装置(6)均由大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)并联构成，在二级减压装置(6)的前、后分别设置压力传感器，所述控制方法的具体步骤如下：
[0006] 步骤一、试验前的一级减压装置(3)的压力调节
[0007] 将给定的进入二级减压装置(6)之前的气体压力值作为保压压力设定值，打开气动截止阀(2)和一级减压装置(3)的小气动调节阀(9)，将保压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)前的压力数值进行比较，调节小气动调节阀(9)，使两个数值一致；
[0008] 步骤二、试验前的二级减压装置(6)的压力调节
[0009] 将二级减压装置(6)输出的流量分为大流量和小流量两种，所述大流量是指气体质量流量Qm为5～20kg/s，小流量是指气体质量流量Qm小于5kg/s，以下分别介绍这两种流量的控制模式：
[0010] 所述大流量控制模式为：打开一级减压装置(3)的大气动调节阀(8)，将给定的一级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)前的压力数值进行比较，调节一级减压装置(3)的大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)，使两个数值一致；
[0011] 打开二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)，将给定的二级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)后的压力数值进行比较，调节二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)、小气动调节阀(9)，使两个数值一致，其中，二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)采用前馈—反馈PID控制，所述前馈—反馈PID控制是指前馈和反馈共同作用二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的调节，前馈的作用是快速预置二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的阀门开度，反馈的作用是动态微调二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的阀门开度，前馈是根据给定的二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前、后压差△P和二级减压装置(6)后输出的试验用高压空气的气体质量流量Qm计算得出，计算过程如下：
[0012] 首先，计算高压空气的气体密度ρ，计算公式为：
[0013]
[0014] 式中：ρ—高压空气的气体密度，kg/m3；
[0015] P—二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前气体压力，Pa；
[0016] T—二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前气体温度，K；
[0017] R—气体常数，287J/(kg*K)；
[0018] 其次，根据二级减压装置(6)后输出的试验用气体质量流量Qm计算高压空气体积流量Qv，计算公式为：
[0019]
[0020] 式中：Qv—气体体积流量，m3/h；
[0021] Qm—气体质量流量，kg/s；
[0022] ρ—高压空气气体密度，kg/m3；
[0023] 最后，根据公式(1)、(2)及给定的二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前、后压差△P计算二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)阀门开度Cv，计算公式如下：
[0024]
[0025] 式中：k—流量系数，取值1.12
[0026] Qv—气体体积流量，m3/h；
[0027] ρ—高压空气气体密度，kg/m3；
[0028] ρ0—水的密度，1000kg/m3；
[0029] △P—阀门前后压差，Mpa；
[0030] △P0—0.1Mpa；
[0031] 该系统经过反复调试得到Cv值系数k为1.12；
[0032] 所述小流量控制模式为：打开二级减压装置(6)的小气动调节阀(9)，将给定的二级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)后的压力数值进行比较，调节二级减压装置(6)的小气动调节阀(9)，使两个数值一致。
[0033] 本发明技术方案的特点是使用二次减压装置、分级热交换装置，通过前馈-反馈控制，解决了手动控制无法及时准确提供有效的压力、流量的问题。
附图说明
[0034] 图1为采用本发明所述方法进行控制的风洞螺旋桨滑流气源系统的原理结构示意图
[0035] 图2为实现本发明所述方法的控制系统的组成及结构示意图
具体实施方式
[0036] 以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
[0037] 参见附图1所示，采用本发明所述方法进行控制的风洞螺旋桨滑流气源系统包括一个储气罐(1)，储气罐(1)以下依次连接气动截止阀(2)、一级减压装置(3)、初级电加热装置(4)、次极电加热装置(5)、二级减压装置(6)，经二级减压装置(6)减压后的气体吹动螺旋桨(7)转动，其中，一级减压装置(3)和二级减压装置(6)均由大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)并联构成，在二级减压装置(6)的前、后分别设置压力传感器，所述控制方法的具体步骤如下：
[0038] 步骤一、试验前的一级减压装置(3)的压力调节
[0039] 将给定的进入二级减压装置(6)之前的气体压力值作为保压压力设定值，打开气动截止阀(2)和一级减压装置(3)的小气动调节阀(9)，将保压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)前的压力数值进行比较，调节小气动调节阀(9)，使两个数值一致；
[0040] 步骤二、试验前的二级减压装置(6)的压力调节
[0041] 将二级减压装置(6)输出的流量分为大流量和小流量两种，所述大流量是指气体质量流量Qm为5～20kg/s，小流量是指气体质量流量Qm小于5kg/s，以下分别介绍这两种流量的控制模式：
[0042] 所述大流量控制模式为：打开一级减压装置(3)的大气动调节阀(8)，将给定的一级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)前的压力数值进行比较，调节一级减压装置(3)的大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)，使两个数值一致；
[0043] 打开二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)和小气动调节阀(9)，将给定的二级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)后的压力数值进行比较，调节二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)、小气动调节阀(9)，使两个数值一致，其中，二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)采用前馈—反馈PID控制，所述前馈—反馈PID控制是指前馈和反馈共同作用二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的调节，前馈的作用是快速预置二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的阀门开度，反馈的作用是动态微调二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)的阀门开度，前馈是根据给定的二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前、后压差△P和二级减压装置(6)后输出的试验用高压空气的气体质量流量Qm计算得出，计算过程如下：
[0044] 首先，计算高压空气的气体密度ρ，计算公式为：
[0045]
[0046] 式中：ρ—高压空气的气体密度，kg/m3；
[0047] P—二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前气体压力，Pa；
[0048] T—二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前气体温度，K；
[0049] R—气体常数，287J/(kg*K)；
[0050] 其次，根据二级减压装置(6)后输出的试验用气体质量流量Qm计算高压空气体积流量Qv，计算公式为：
[0051]
[0052] 式中：Qv—气体体积流量，m3/h；
[0053] Qm—气体质量流量，kg/s；
[0054] ρ—高压空气气体密度，kg/m3；
[0055] 最后，根据公式(1)、(2)及给定的二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)前、后压差△P计算二级减压装置(6)的大气动调节阀(8)阀门开度Cv，计算公式如下：
[0056]
[0057] 式中：k—流量系数，取值1.12
[0058] Qv—气体体积流量，m3/h；
[0059] ρ—高压空气气体密度，kg/m3；
[0060] ρ0—水的密度，1000kg/m3；
[0061] △P—阀门前后压差，Mpa；
[0062] △P0—0.1Mpa；
[0063] 该系统经过反复调试得到Cv值系数k为1.12。
[0064] 所述小流量控制模式为：打开二级减压装置(6)的小气动调节阀(9)，将给定的二级稳压压力设定值与测量得到的二级减压装置(6)后的压力数值进行比较，调节二级减压装置(6)的小气动调节阀(9)，使两个数值一致。
[0065] 参见附图2所示，实现上述方法的控制系统包括的上位机为2台西门子工控机，二者冗余设置，采用两台西门子S7-3152PN/DP PLC作为核心控制器，PLC通过交换机与西门子上位机通讯，接收上位机命令并将末端设备状态反馈上位机。PLC通过数字量I/O模块控制气动截止阀开闭，通过模拟量模块控制气动调节阀调节和采集现场传感器数据。
[0066] 人机交互界面通过西门子WINCC软件编程实现，主要用于监控各类阀门状态、传感器数值，手自动控制阀门开闭及开度，实现滑流气源压力控制，同时具有故障报警、数据记录等功能。末端设备包括气动截止阀、气动调节阀、电加热器、温度传感器、压力传感器、质量流量传感器等设备，所有设备通过硬线接入下位机PLC控制器。
[0067] 与现有技术相比，本发明方法通实现了对螺旋桨滑流气源的气体的稳定控制，充分满足了操作员的试验要求。适用于航空、航天、船舶试验设备相关领域，在风洞螺旋桨滑流气源工艺过程控制方面，填补了国内空白，具有极为广阔的推广价值。
