0.6 m暂冲式跨超声速风洞控制系统设计与实现

褚卫华，林辰龙，谢明伟

（中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所，四川绵阳 621000）

0.6 m暂冲式跨超声速风洞控制系统设计与实现

褚卫华，林辰龙，谢明伟

（中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所，四川绵阳 621000）

针对0.6 m暂冲式跨超声速风洞结构组成复杂、试验部段定位和同步控制精度要求高、运行方式多样和运行安全要求严格的特点，研究了0.6 m暂冲式风洞控制系统总体设计思想、主要部段多轴联动控制实现方案与控制策略、风洞运行安全联锁实现方式，保证了0.6 m暂冲式跨超声速风洞试验效率、控制精度和运行安全，该控制系统设计思想对各类暂冲风洞控制系统设计具体重要借鉴意义。

风洞；流场；总压；控制策略

0 引言

0.6 m暂冲式跨超声速风洞是一种引射下吹式暂冲型三音速增压风洞，风洞结构见图1，具体构成包括气源、主进气管路（包括主管路快速阀、主管路调压阀、旁路快速阀、旁路调压阀）、大开角段、稳定段、收缩段、挠性壁喷管段、试验段、超扩段、过渡补偿段、引射器管路（包括引射器快速阀、引射器调压阀）、亚扩段、排气消声段。0.6 m暂冲式跨超声速风洞控制存在以下特点：

风洞工作模式多且控制时序实现复杂，0.6 m暂冲风洞包括超声速试验和跨声速试验两种类型，而超声速试验又包括下吹式、增压式、引射启动下吹式、下吹引射式运行方式，为了减少关车对风洞造成的冲击，不同试验条件又采用了不同的关车方式。

风洞控制对象多而复杂风洞控制对象主要包括流场控制和风洞运动机构控制，特别是试验过程中控制系统需要控制主进气管路阀门、引射器进气管路阀门、迎角机构控制系统和栅指段同步工作，并不断监测各子系统工作状态完成试验任务，这要求整个系统网络配置实时性高且有高度安全性。

运动机构大多为多轴联动，需要高精度同步控制。

安全联锁内容复杂0.6 m暂冲风洞安全联锁包括运动机构极限位置安全联锁、试验超压安全联锁、设备故障状态安全联锁、运行时序安全联锁等内容，并且在任何情况下都要求迎角回零关车，关车系统要求多重冗余设计。

图10 .6 m暂冲式跨超声速风洞结构总图

1 控制系统总体设计与总线配置

0.6 m暂冲跨超声速风洞控制系统按照总体功能设计成上位监控部分、现场核心控制部分、安全联锁与状态监控部分和风洞运动机构控制部分。

上位监控部分包括上位试验运行管理计算机、上位风洞状态监控计算机、上位数据采集计算机、上位数据处理计算机。上位试验运行管理计算机主要完成风洞试验控制参数下传，完成试验准备、试验开始、试验停止等指令下达，并实时显示与试验相关的压力、位置等相关状态信息；上位风洞状态监控计算机是常规超声速试验段扩开角、超扩段扩开角、充气密封、快速连接远程控制界面，实时显示这些设备的状态参数，并在异常情况下显示报警信息。

现场核心控制部分统主要功能是控制在试验过程中与流场控制和模型姿态控制相关的阀门和运动定位机构，实现试验过程中总压、引射器集气室压力等高精度控制，按照控制时序要求完成迎角机构和栅指精确定位。为了保证流场控制实时性，现场核心控制系统选用美国NI公司生产的PXI RT实时嵌入式控制器。

安全联锁与状态监控部分主要监测风洞试验准备和运行阶段控制设备状态和热力参数，对异常状态进行报警，并确保试验过程中现场核心控制部分出现故障情况下，能够安全关车。为了保证安全联锁系统可靠性，安全联锁与状态监控控制器选用德国西门子公司生产的S7－300系列可编程控制器。

风洞运动机构控制部分根据控制对象的复杂性选择的驱动与控制器不同，迎角机构和栅指段驱动电机选用自带运动控制功能的德国伦茨驱动器，非试验过程中运动机构，包括常超扩段扩开角等驱动电机和驱动器、顶升系统、拉紧机构选用日本三菱控制与驱动产品，挠性喷管型面驱动机构需要48轴的运动联动，选用了德国西门子控制与驱动SIMOTION D产品。

在总线配置方面，0.6 m暂冲跨超声速风洞控制系统采用基于现场总线和网络化的开放式集散系统，功能分散，指挥集中，风洞控制系统网络配置见图2。上位试验运行管理计算机、上位风洞状态监控计算机、上位数据采集计算机、上位数据处理计算机、PXI现场核心控制系统、安全联锁与状态监控PLC系统、PXI测量系统、挠性壁喷管段型面控制系统之间采用工业以太网通讯方式。PXI现场核心控制系统与试验段迎角机构控制系统、栅指段控制系统之间选择CAN通讯方式。安全联锁与状态监控PLC系统和拉紧机构控制系统、充气密封控制系统之间选择工业以太网通讯方式。

图20 .6 m暂冲式跨超声速风洞控制系统网络配置图

2 主要控制系统实现方式和控制策略

2.1 挠性壁喷管段控制

0.6 m暂冲跨超声速风洞采用的是多支点全挠性喷管，左右侧壁板平行，上下柔板对称布置。在柔板的背气流面上布置许多铰链支撑点并与执行机构相连，通过控制执行机构的行程来控制柔板的弯曲形状使之与喷管理论气动型面相吻合，以得到不同试验马赫数的喷管型面，喷管段型面壁结构见图3。0.6 m暂冲风洞喷管型面预置执行机构包括14组电动缸和3组螺旋升降机，各套执行机构的驱动电机为永磁同步伺服电机，每台电动缸上安装1个磁致直线位移传感器，实现型面预置过程中电动缸定位和联动控制需要。

整个挠性壁喷管控制系统包括喷管型面控制计算机、上壁板型面控制器、下壁板型面控制器、喷管型面控制人机界面。上位试验运行管理计算机、上位风洞状态监控计算机、喷管型面控制计算机、上壁板型面控制器、下壁板型面控制器、喷管型面控制人机界面之间通过以太网通讯，挠性壁喷管段型面控制系统构成见图4。喷管型面预置主要关键技术包括：

图3 挠性喷管段结构图

1）多轴联动控制试验前根据试验马赫数要求控制柔壁各支点驱动电机按照要求运动关系协调运动，完成喷管型面预置，并保证成型过程中机构运行安全。

2）安全联锁在喷管型面控制计算机上，同时显示型面支点位置、壁板应变和驱动器工作状态，异常状态下有报警指示。

由于西门子提供的SIMOTION D系列运动控制器能够完成从简单速度轴控制到复杂多轴电子凸轮插补控制，实现上百根轴高精度同步控制功能，也具备一般PLC逻辑控制，因此上壁板型面和下壁板型面多轴联动控制选择了西门子SIMOTION D445－2DP／PN控制器，电机和驱动部分选择了与之配套的西门子S120系统，电机采用同步伺服电机，电机自带绝对编码器。SIMOTION D通过Profinet总线实现CU320驱动控制单元扩展，电动缸安装的直线位移传感器用于测量柔壁各支点位置，在上下壁板成型过程中，由SIMOTION D445－2DP／PN控制器和各支点电机驱动器、直线位移传感器组成柔壁成型联动控制闭环系统，联动控制采用根据当前与目标型面动态变主轴和凸轮关系曲线的方法实现，为了保证各轴联动位置精度，凸轮曲线主轴每次选择最长运动支点作为主轴。

2.2 迎角与栅指机构控制方案

迎角机构控制系统主要功能是实现模型迎角α精确定位，检测迎角机构上／下限位、迎角驱动器故障、迎角驱动器就绪等信号，保证在通讯异常状态下，通过紧急回零按钮能实现回零关车。迎角机构采用伺服电机＋减速器＋蜗轮蜗杆副方式驱动弯刀支板运动，具体见图5。

由于常规试验段只控制迎角α定位运动，考虑到控制系统可靠性和经济性，迎角控制没有配置专门的控制器，选择具有定位和逻辑控制功能的9400系列驱动器，常规试验段迎角机构控制原理见图6。迎角系统定位由驱动器运动控制单元、驱动电机、电机绝对编码器构成，迎角位置由电机编码器换算得到。PXI现场核心控制系统与驱动器控制单元通过CAN总线连接，上位试验运行管理计算机下达的定位指令和参数，通过以太网下传到PXI现场核心控制系统，PXI现场核心控制系统再将运动控制指令与参数通过CAN总线下达到电机驱动器控制单元，同时，迎角控制部分的状态也通过CAN总线上传到PXI现场核心控制系统。迎角上下极限位置开关接入驱动器数字输入口，当迎角运动到极限位置后，电机停止继续运动，只能向返回安全位置的方向运动。迎角上下极限位置具有软限位保护，软极限位置可以通过上位机设置。迎角上下极限位置信号要上传到安全联锁与状态监测PLC、测控间操作平台。

图4 挠性喷管段控制框图

图5 迎角机构结构图

风洞试验过程中，要求栅指段两个栅指小车同步运动，栅指小车控制没有配置专门的控制器也选择了具有简单定位和逻辑控制功能的伦茨9400驱动器，栅指小车控制原理见图7。选择一个栅指小车电机驱动器控制单元作为主控单元，另一个电机驱动器控制单元作为从控单元。当选择栅指单动时，各栅指在各自驱动器控制下进行定位，当选择同步运动时，从控制单元在主控单元控制下共同完成定位运动。

2.3 安全联锁处理方案

为确保0.6 m暂冲跨超声速风洞安全运行，系统配置了紧急停车及安全联锁系统。安全联锁不同于风洞核心控制，当参数越限、机械设备故障、系统自身故障或能源中断时，安全联锁系统自动产生一系列预先定义的动作，使得风洞设备与操作人员处于安全状态。安全联锁系统设计遵循了以下设计原则：

独立原则：安全联锁系统与风洞现场PXI核心控制系统独立设置，并且安全联锁采用的检测元件、变送器、执行机构单独配置，其可靠性、可用性和可维护性都根据安全联锁系统总体要求选择，重要变送器按三取二配置。

图6 常规试验段迎角机构控制原理图

分级原则：安全联锁系统安全级别高于风洞现场PXI核心控制系统，正常情况下，安全联锁系统处于静态的，不需要人为干预，实时在线监测装置的安全性。当风洞运行出现紧急情况时，安全联锁系统直接发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

图7 栅指段控制图

故障安全原则：安全联锁系统具有容错、冗余特性，所有执行阀门保证在故障状态下处于安全状态，快速阀在断电情况下安全关闭切段气路，调压阀在断电情况下锁控阀切断油路，调压阀停止运动等。

0.6 m暂冲跨超声速风洞安全联锁包括运动机构极限位置安全联锁、试验超压安全联锁、设备故障状态安全联锁、运行时序安全联锁等内容。

1）运动机构极限位置安全联锁。主调压阀门系统、引射调压阀门系统、挠性喷管型面调节系统、超扩段调节系统等运动机构都设置极限位置软件保护和极限位置硬件保护。极限位置值大小为：

软件极限位置＜硬件极限位置

当运动机构到达软件极限位置后，通过软件控制停止机构进一步向极限位置方向运动；硬件极限位置与运动机构驱动电机伺服驱动器连接，当运动机构到达硬件极限位置后，驱动器禁止电机进一步向极限位置运动。

2）试验过程安全联锁。在试验过程中，系统出现异常后有报警和关车两种处理方式。关车保护发生在以下几种情况：

（1）稳定段总压过高；

（2）引射器集气室压力过高；

（3）烧结网格压降超限。

超压保护共分三级：

（1）PXI现场核心控制系统软件保护；

（2）安全联锁与状态监控PLC软件保护；

（3）电接点压力表超限硬关车保护。

压力极限值a）＜b）＜c）。

当稳定段总压大于PXI现场核心控制系统设置的稳定段总压上限值时，PXI现场核心控制系统按照预先要求的关车时序安全关车；当稳定段总压大于安全联锁与状态监控PLC设置的稳定段总压上限值时，安全联锁与状态监控PLC将风洞运行控制权限切换过来，安全联锁与状态监控PLC按照预先要求的关车时序安全关车；当稳定段总压大于电接点压力表设定极限值时，直接关闭主调压和引射调压管路的快速阀。

引射器集气室压力过高、烧结网格压降超限安全联锁保护过程与稳定段总压保护方式一致。

3）试验过程中重要设备故障状态安全联锁。在试验过程中，如果主调压阀驱动器、旁路调压阀驱动器、引射调压阀驱动器、迎角电机驱动器、栅指驱动器、PXI现场核心控制系统出现异常状态则由PXI系统执行安全关车；如果安全联锁与状态监控PLC系统、挠性喷管系统出现异常状态，则报警并请求关车，是否执行关车由操作人员决定。

4）运行时序安全联锁。在试验过程中关车方式有安全关车和紧急关车3种方式：

安全关车：必须在迎角回零的情况下，按照关车时序要求由PXI系统关车，安全关车指令由两种下达方式：

（1）通过上位试验运行管理计算机下达；

（2）直接按下测控间操作平台上的紧急回零按钮。

PLC关车：在PXI现场核心控制系统无法完成关车，由安全联锁与状态监控PLC按关车要求完成关车。

紧急关车：直接断电，关闭主调压和引射调压管路的快速阀。

2.4 智能与串级控制相结合的总压控制策略

对于稳定段总压控制，受控变量是稳定段总压，操纵变量是主调压阀开度，由于稳定段容积大，检测与控制点之间有一定距离，总压控制存在滞后现象，为了改善控制特性，0.6 m暂冲式跨超声速风洞总压需要采用PID串级控制［1］。

串级控制一般有两个控制环串接而成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，串级控制原理图见图8，传递函数是：

图8 串级控制系统方框图

和单控制环相比串级控制具有如下特性：

1）由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，缩短了调解时间，提高了系统快速性。

2）在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。

3）由于增加了副回路，使串级控制系统具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。

0.6 m暂冲跨超声速风洞总压串级控制原理见图9，控制算法有两个回路组成，主回路是一个定值控制系统，用于实现目标总压控制，副回路是主调压阀位置控制，由于副回路具有较小的纯滞后和时间常数，副回路需要采用快速的响应比例调解器。主调压阀调解器的任务是保证稳定段总压稳定并满足精度要求，主回路总压控制采用智能PID控制，在风洞流场控制过程中，根据风洞目标马赫数、目标总压不同，以及在不同误差范围内控制规律的变化，以智能的方式调节PID参数［2-6］。

图9 总压串级控制构成框图

3 结论

0.6 m暂冲式跨超声速风洞是一种功能齐全、试验运行具有代表性的一座暂冲性风洞，整个控制系统设计具有以下特点：

风洞流场核心控制系统、安全联锁与状态监控系统和测量系统设计成为一个统一、协调、有效的整体。风洞流场核心控制系统和安全联锁与状态监控系统控制单元相互冗余，关键状态监测点相互独立，风洞运行中在任何异常状态下都能安全关车；风洞流场核心控制系统与测量系统工作协调同步。

现场总线与工业以太网综合网络配置既保证了试验实时性又保证了监测的有效性整个控制网络基于现场总线和网络化的开放式集散系统。

挠性喷管多轴联动采用虚主轴从轴变凸轮曲线的方法，并结合动态变主虚轴的方式保证多轴运动控制的协调性和运动定位的精确性。对于迎角、栅指、超扩段等运动机构，采用带运动功能驱动器直接控制方式，保证控制系统的经济性。

总压控制策略采用串级与智能能控制相结合的方式解决了暂冲风洞控制阀门与检测点距离远造成的控制之后问题。

总之，0.6 m超声速风洞是在总结现有暂冲风洞控制系统设计和建设的成功经验的基础上设计的，确保了暂冲风洞控制系统设计稳定高效、精准可靠、性能卓越，对以后暂冲风洞控制系统设计具有重要指导意义。

［1］褚卫华，汤更生，王 帆.2 m×2 m超声速风洞流场控制策略研究与实现［J］.实验流体力学，2012，26（5）：98-102.

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［3］张 奎，雷 勇.无刷直流电机智能PID控制系统建模与仿真［J］.测控技术，2015，34（4）：81-84.

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［6］刘金锟.智能控制［M］.北京：电子工业出版社，2005.

Design and Realization of Control System for 0.6 m Intermittent Transonic and Supersonic Wind Tunnel

Chu Weihua，Lin Chenlong，Xie Mingwei

（Facility Design and Instrumentation Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China）

In the 0.6 m intermittent transonic and supersonic wind tunnel，the composition of structure was complex，high location accuracy and high synchronization accuracy were required，the running mode was various and the strictly operation safety was required.To meet the requirements above，the overall design idea，multi－axis control scheme and control strategy，and the implementation of safety interlock were researched.The operation safety，efficiency and accuracy of the 0.6 m intermittent transonic and supersonic wind tunnel were guaranteed.Furthermore，the design idea of control system is significantly to the control system design of all kinds of intermittent wind tunnel.

wind tunnel；flow field；total pressure；control strategy

1671-4598（2016）08-0069-05

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.019

：V235.21＋3

：A

2016-02-26；

：2016-03-23。

褚卫华（1968-），男，山西翼城人，研究员，主要从事控制系统设计方向的研究。