风沙环境风洞测控系统设计

吕运国

【摘 要】 风沙环境风洞测控系统是以即工业控制计算机为核心，通过PLC完成系统对风机的控制指令输出、反馈信号的输入、数据的采集等；通过数据采集卡完成系统对实验段各截面流场数据的采集；通过伺服控制系统完成系统对实验段移测架和转盘的控制；系统的软件在VB6.0的编程环境下编制，实现了风洞风速的闭环控制、流场品质的测量、实验件方向的控制等。

【关键词】 风洞 风速 数据采集 伺服系统

风沙环境风洞是一座直流下吹式低速风洞。试验段尺寸：宽×高×长=1.5m×1m×12m；风速范围：最大风速40m/s；收缩比1：4；这里主要是其测控系统的设计。

1 测控系统框图（见图1）

2 测控系统方案

根据直流式低速边界层风洞的技术及使用要求，该风洞风速调节精度较高。对风洞的动力系统和测量系统提出较高的要求，即在3m/s以上风速时，风洞的动力系统和测量系统能实现风速稳定、连续调节和风速的测量。

2.1 系统组成及特点

风洞测控系统主要分为：微机测控系统、动力控制系统、伺服控制系统、测量传感器等。

（1）微机测控系统；微机测控系统包含工控机、高速A/D采集卡、打印机等。微机系统作为测控系统的核心，主要作用为：数据的采集、处理、管理、以及对系统各部分间的控制。为保证系统能在复杂的实验环境下安全、稳定、可靠地工作并最终实现实验目的，上位机采用具有主流配置的工业控制计算机。为了采集实验段内各个截面中附面层中多个点上的压力分布，系统采用工业级16位32通道超高速数据采集卡，确保试验数据测量精度及采集的实时性。通过高速采集卡采集回的数据通过上位机软件处理后保存在相应的数据库文件中。（2）动力控制系统；动力控制系统主要由变频电机和变频调速器，可编程控制器（PLC）和人机界面组成。系统通过变频调速器对变频电机的转速，转矩进行控制，从而实现对风速的连续控制。而各种参数，包括变频调速器的设定频率、风速的显示、以及对伺服电机的控制等操作均由人机界面完成。人机界面通过与PLC通讯完成变频调速器对电机进行控制和调速。风速由风速传感器和皮托管测量完成后，通过PLC的A/D模块或上位机的AD采集卡采集和处理，然后人面界面读取PLC中的风速值，也可以通过上位机软件界面读取当前风速或压力值以及实验时所需要的各项参数。实验中可对所测得的数据存入数据库，以待实验后进行分析和处理。PLC和人机界面是动力系统的控制单元，主要用于动力系统的控制、风洞风速的平滑调节、稳风速的控制及动力系统工作参数设置、工作状态的显示等。（3）伺服控制系统；上位机通过伺服控制系统实现对转盘或移测架的控制。伺服系统采用的是全数字式交流伺服系统，与以往交流伺服不同之处在于，它以16位微处理器为控制核心，采用数字式速度、位置反馈方式，使系统性能大为提高，可完成精确的速度、位置控制。数字式交流伺服系统具有控制精度高、低频特性好、频矩特性好、过载能力强、运行性能稳定、速度响应快等优点。（4）测量传感器；该系统所用传感器包括：高精度微差压传感器、测量风速的风速传感器、测量环境的温湿传感器等。

2.2 系统功能

（1）稳风速功能；由于系统采用了矢量控制变频调速装置，利用光栅码盘与变频器之间形成闭环控制，使该动力系统在整个风速范围内，具有很高的稳风速性能，能够更快的实现风速的稳定调节，实现风速精度要求。（2）转盘及移测架控制功能；转盘和移测架的控制均是通过伺服控制系统完成的，因伺服控制系统具有高精度、低频特性好等特性，所以可以很好地完成对转盘和移测架的控制； 转盘可顺或逆时针方向转动。移测架可以向前和向后两方向运动。移测架和左右运动是通过手动控制的。（3）数据采集和处理功能；系统可以通过上位机AD采集卡、PLC的AD模块等能实时采集由传感器传送来的风速、压力分布等参数。并通过上位机软件对数据进行处理。（4）状态显示、报警功能；系统能在上位机软件、人机界面上显示系统工作状态，并能对故障信息报警。给出声光报警信号。（5）监控系统；该系统具有监控功能，可通过现场的四个彩色摄像头对所需要的位置进行实时监控，监控画面可以通过现场的液晶显示器中观测。（6）模拟自然风沙环境；该系统中，可通过实验段前端的漏沙器，给实验段中连续漏入实验所需要的沙土等，实验段中可放置需要试验的模型或产品。当风机通过变频器启动后，达到一定风速的风通过漏沙部位时可带动沙土扬起，以达到模拟自然环境中风沙的效果。

2.3 系统软件

上位机软件主要用于风速、压力及试验相关数据的采集和处理，以及对风速的实时调节等。系统软件采用以Windows为平台的VB6.0软件编制。其功能及特点为：直观、方便、能实时显示系统当前的试验状态；具有参数设置功能，可对传感器参数、试验状态等设置；控制功能，可对控制单元发送控制指令以实现对变频调速器和伺服系统的控制；存储、打印功能，软件具有数据库管理功能，很方便地对试验数据进行存储、查询及打印。

3 结语

设计完成了风沙环境风洞的系统控制、数据的采集和处理。系统的实现方式简单、控制精度好、人机交互方便且简单、使用和维护方便、实用性强；经多次实验证明，系统运行稳定、测量数据准确、达到了设计指示。

参考文献：

[1]杨晶.VB6.0程序设计.机械工业出版社，2004.1.

[2]王勋年.低速风洞试验.国防工业出版社，2002.7.endprint

【摘 要】 风沙环境风洞测控系统是以即工业控制计算机为核心，通过PLC完成系统对风机的控制指令输出、反馈信号的输入、数据的采集等；通过数据采集卡完成系统对实验段各截面流场数据的采集；通过伺服控制系统完成系统对实验段移测架和转盘的控制；系统的软件在VB6.0的编程环境下编制，实现了风洞风速的闭环控制、流场品质的测量、实验件方向的控制等。

【关键词】 风洞 风速 数据采集 伺服系统

风沙环境风洞是一座直流下吹式低速风洞。试验段尺寸：宽×高×长=1.5m×1m×12m；风速范围：最大风速40m/s；收缩比1：4；这里主要是其测控系统的设计。

1 测控系统框图（见图1）

2 测控系统方案

根据直流式低速边界层风洞的技术及使用要求，该风洞风速调节精度较高。对风洞的动力系统和测量系统提出较高的要求，即在3m/s以上风速时，风洞的动力系统和测量系统能实现风速稳定、连续调节和风速的测量。

2.1 系统组成及特点

风洞测控系统主要分为：微机测控系统、动力控制系统、伺服控制系统、测量传感器等。

（1）微机测控系统；微机测控系统包含工控机、高速A/D采集卡、打印机等。微机系统作为测控系统的核心，主要作用为：数据的采集、处理、管理、以及对系统各部分间的控制。为保证系统能在复杂的实验环境下安全、稳定、可靠地工作并最终实现实验目的，上位机采用具有主流配置的工业控制计算机。为了采集实验段内各个截面中附面层中多个点上的压力分布，系统采用工业级16位32通道超高速数据采集卡，确保试验数据测量精度及采集的实时性。通过高速采集卡采集回的数据通过上位机软件处理后保存在相应的数据库文件中。（2）动力控制系统；动力控制系统主要由变频电机和变频调速器，可编程控制器（PLC）和人机界面组成。系统通过变频调速器对变频电机的转速，转矩进行控制，从而实现对风速的连续控制。而各种参数，包括变频调速器的设定频率、风速的显示、以及对伺服电机的控制等操作均由人机界面完成。人机界面通过与PLC通讯完成变频调速器对电机进行控制和调速。风速由风速传感器和皮托管测量完成后，通过PLC的A/D模块或上位机的AD采集卡采集和处理，然后人面界面读取PLC中的风速值，也可以通过上位机软件界面读取当前风速或压力值以及实验时所需要的各项参数。实验中可对所测得的数据存入数据库，以待实验后进行分析和处理。PLC和人机界面是动力系统的控制单元，主要用于动力系统的控制、风洞风速的平滑调节、稳风速的控制及动力系统工作参数设置、工作状态的显示等。（3）伺服控制系统；上位机通过伺服控制系统实现对转盘或移测架的控制。伺服系统采用的是全数字式交流伺服系统，与以往交流伺服不同之处在于，它以16位微处理器为控制核心，采用数字式速度、位置反馈方式，使系统性能大为提高，可完成精确的速度、位置控制。数字式交流伺服系统具有控制精度高、低频特性好、频矩特性好、过载能力强、运行性能稳定、速度响应快等优点。（4）测量传感器；该系统所用传感器包括：高精度微差压传感器、测量风速的风速传感器、测量环境的温湿传感器等。

2.2 系统功能

（1）稳风速功能；由于系统采用了矢量控制变频调速装置，利用光栅码盘与变频器之间形成闭环控制，使该动力系统在整个风速范围内，具有很高的稳风速性能，能够更快的实现风速的稳定调节，实现风速精度要求。（2）转盘及移测架控制功能；转盘和移测架的控制均是通过伺服控制系统完成的，因伺服控制系统具有高精度、低频特性好等特性，所以可以很好地完成对转盘和移测架的控制； 转盘可顺或逆时针方向转动。移测架可以向前和向后两方向运动。移测架和左右运动是通过手动控制的。（3）数据采集和处理功能；系统可以通过上位机AD采集卡、PLC的AD模块等能实时采集由传感器传送来的风速、压力分布等参数。并通过上位机软件对数据进行处理。（4）状态显示、报警功能；系统能在上位机软件、人机界面上显示系统工作状态，并能对故障信息报警。给出声光报警信号。（5）监控系统；该系统具有监控功能，可通过现场的四个彩色摄像头对所需要的位置进行实时监控，监控画面可以通过现场的液晶显示器中观测。（6）模拟自然风沙环境；该系统中，可通过实验段前端的漏沙器，给实验段中连续漏入实验所需要的沙土等，实验段中可放置需要试验的模型或产品。当风机通过变频器启动后，达到一定风速的风通过漏沙部位时可带动沙土扬起，以达到模拟自然环境中风沙的效果。

2.3 系统软件

上位机软件主要用于风速、压力及试验相关数据的采集和处理，以及对风速的实时调节等。系统软件采用以Windows为平台的VB6.0软件编制。其功能及特点为：直观、方便、能实时显示系统当前的试验状态；具有参数设置功能，可对传感器参数、试验状态等设置；控制功能，可对控制单元发送控制指令以实现对变频调速器和伺服系统的控制；存储、打印功能，软件具有数据库管理功能，很方便地对试验数据进行存储、查询及打印。

3 结语

设计完成了风沙环境风洞的系统控制、数据的采集和处理。系统的实现方式简单、控制精度好、人机交互方便且简单、使用和维护方便、实用性强；经多次实验证明，系统运行稳定、测量数据准确、达到了设计指示。

参考文献：

[1]杨晶.VB6.0程序设计.机械工业出版社，2004.1.

[2]王勋年.低速风洞试验.国防工业出版社，2002.7.endprint

【摘 要】 风沙环境风洞测控系统是以即工业控制计算机为核心，通过PLC完成系统对风机的控制指令输出、反馈信号的输入、数据的采集等；通过数据采集卡完成系统对实验段各截面流场数据的采集；通过伺服控制系统完成系统对实验段移测架和转盘的控制；系统的软件在VB6.0的编程环境下编制，实现了风洞风速的闭环控制、流场品质的测量、实验件方向的控制等。

【关键词】 风洞 风速 数据采集 伺服系统

风沙环境风洞是一座直流下吹式低速风洞。试验段尺寸：宽×高×长=1.5m×1m×12m；风速范围：最大风速40m/s；收缩比1：4；这里主要是其测控系统的设计。

1 测控系统框图（见图1）

2 测控系统方案

根据直流式低速边界层风洞的技术及使用要求，该风洞风速调节精度较高。对风洞的动力系统和测量系统提出较高的要求，即在3m/s以上风速时，风洞的动力系统和测量系统能实现风速稳定、连续调节和风速的测量。

2.1 系统组成及特点

风洞测控系统主要分为：微机测控系统、动力控制系统、伺服控制系统、测量传感器等。

（1）微机测控系统；微机测控系统包含工控机、高速A/D采集卡、打印机等。微机系统作为测控系统的核心，主要作用为：数据的采集、处理、管理、以及对系统各部分间的控制。为保证系统能在复杂的实验环境下安全、稳定、可靠地工作并最终实现实验目的，上位机采用具有主流配置的工业控制计算机。为了采集实验段内各个截面中附面层中多个点上的压力分布，系统采用工业级16位32通道超高速数据采集卡，确保试验数据测量精度及采集的实时性。通过高速采集卡采集回的数据通过上位机软件处理后保存在相应的数据库文件中。（2）动力控制系统；动力控制系统主要由变频电机和变频调速器，可编程控制器（PLC）和人机界面组成。系统通过变频调速器对变频电机的转速，转矩进行控制，从而实现对风速的连续控制。而各种参数，包括变频调速器的设定频率、风速的显示、以及对伺服电机的控制等操作均由人机界面完成。人机界面通过与PLC通讯完成变频调速器对电机进行控制和调速。风速由风速传感器和皮托管测量完成后，通过PLC的A/D模块或上位机的AD采集卡采集和处理，然后人面界面读取PLC中的风速值，也可以通过上位机软件界面读取当前风速或压力值以及实验时所需要的各项参数。实验中可对所测得的数据存入数据库，以待实验后进行分析和处理。PLC和人机界面是动力系统的控制单元，主要用于动力系统的控制、风洞风速的平滑调节、稳风速的控制及动力系统工作参数设置、工作状态的显示等。（3）伺服控制系统；上位机通过伺服控制系统实现对转盘或移测架的控制。伺服系统采用的是全数字式交流伺服系统，与以往交流伺服不同之处在于，它以16位微处理器为控制核心，采用数字式速度、位置反馈方式，使系统性能大为提高，可完成精确的速度、位置控制。数字式交流伺服系统具有控制精度高、低频特性好、频矩特性好、过载能力强、运行性能稳定、速度响应快等优点。（4）测量传感器；该系统所用传感器包括：高精度微差压传感器、测量风速的风速传感器、测量环境的温湿传感器等。

2.2 系统功能

（1）稳风速功能；由于系统采用了矢量控制变频调速装置，利用光栅码盘与变频器之间形成闭环控制，使该动力系统在整个风速范围内，具有很高的稳风速性能，能够更快的实现风速的稳定调节，实现风速精度要求。（2）转盘及移测架控制功能；转盘和移测架的控制均是通过伺服控制系统完成的，因伺服控制系统具有高精度、低频特性好等特性，所以可以很好地完成对转盘和移测架的控制； 转盘可顺或逆时针方向转动。移测架可以向前和向后两方向运动。移测架和左右运动是通过手动控制的。（3）数据采集和处理功能；系统可以通过上位机AD采集卡、PLC的AD模块等能实时采集由传感器传送来的风速、压力分布等参数。并通过上位机软件对数据进行处理。（4）状态显示、报警功能；系统能在上位机软件、人机界面上显示系统工作状态，并能对故障信息报警。给出声光报警信号。（5）监控系统；该系统具有监控功能，可通过现场的四个彩色摄像头对所需要的位置进行实时监控，监控画面可以通过现场的液晶显示器中观测。（6）模拟自然风沙环境；该系统中，可通过实验段前端的漏沙器，给实验段中连续漏入实验所需要的沙土等，实验段中可放置需要试验的模型或产品。当风机通过变频器启动后，达到一定风速的风通过漏沙部位时可带动沙土扬起，以达到模拟自然环境中风沙的效果。

2.3 系统软件

上位机软件主要用于风速、压力及试验相关数据的采集和处理，以及对风速的实时调节等。系统软件采用以Windows为平台的VB6.0软件编制。其功能及特点为：直观、方便、能实时显示系统当前的试验状态；具有参数设置功能，可对传感器参数、试验状态等设置；控制功能，可对控制单元发送控制指令以实现对变频调速器和伺服系统的控制；存储、打印功能，软件具有数据库管理功能，很方便地对试验数据进行存储、查询及打印。

3 结语

设计完成了风沙环境风洞的系统控制、数据的采集和处理。系统的实现方式简单、控制精度好、人机交互方便且简单、使用和维护方便、实用性强；经多次实验证明，系统运行稳定、测量数据准确、达到了设计指示。

参考文献：

[1]杨晶.VB6.0程序设计.机械工业出版社，2004.1.

[2]王勋年.低速风洞试验.国防工业出版社，2002.7.endprint