大流量高精度熱氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討論文

　　空氣加熱器用于實(shí)現(xiàn)氣體溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，其使用集束式加熱棒進(jìn)行加熱，并采用上、下兩個(gè)加熱腔體的結(jié)構(gòu)，在保證足夠加熱功率的同時(shí)，增加了氣體加熱室的行程，從而實(shí)現(xiàn)了氣體溫度的大范圍、高精度連續(xù)可調(diào)。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：大流量高精度熱氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!

　　大流量高精度熱氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討全文如下：

　　【摘要】 針對(duì)不同飛行器模型在不同情況下進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),需提供流量、壓力、溫度連續(xù)可調(diào)的熱氣源,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種大流量、高精度熱氣源系統(tǒng)。通過多支路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制參數(shù)優(yōu)化,解決了大流量下高精度控制問題,在1.5kg/s流量下,達(dá)到1.6g/s控制精度;通過控制算法參數(shù)優(yōu)化,解決了大流量下流量突變對(duì)配氣系統(tǒng)的沖擊問題;通過對(duì)系統(tǒng)控制流程分解,實(shí)現(xiàn)了3變量到2變量的轉(zhuǎn)換,降低了控制系統(tǒng)維數(shù),解決了氣體流量、壓力、溫度聯(lián)合控制問題。調(diào)試結(jié)果表明:系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果,可以滿足不同型號(hào)飛行器模型在不同情況下的試驗(yàn)需求。 更多還原

　　【關(guān)鍵詞】 結(jié)冰風(fēng)洞; 熱氣源; MODBUS;

　　引言

　　當(dāng)飛機(jī)穿越含有過冷水滴的云層時(shí)，飛機(jī)部件的迎風(fēng)表面會(huì)結(jié)冰，改變了飛機(jī)迎風(fēng)面的氣動(dòng)外形，從而改變了飛機(jī)的氣動(dòng)特性和飛行性能，尤其是穩(wěn)定性和操縱性的突然惡化會(huì)直接導(dǎo)致飛行事故，因此飛行器的防(除)冰對(duì)飛行安全顯得尤為重要。世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的飛行器適航條例中對(duì)結(jié)冰適航都有嚴(yán)格規(guī)定，為驗(yàn)證防(除)冰系統(tǒng)的有效性，必須進(jìn)行模擬結(jié)冰試驗(yàn)和自然結(jié)冰條件下的結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)。而結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)需要一種大流量、高精度熱氣源發(fā)生裝置，用于向進(jìn)行結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的飛行器模型提供壓力、流量、溫度連續(xù)可調(diào)的熱氣源，以滿足不同型號(hào)飛行器模型在不同情況下的試驗(yàn)需求。針對(duì)此，本文提出了大流量、高精度熱氣源系統(tǒng)，解決了大流量下高精度控制問題和氣體流量、壓力、溫度聯(lián)合控制問題，可以為結(jié)冰試驗(yàn)飛行器模型提供所需要的氣體，以確保在結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)，飛行器模型上的防(除)冰系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　1　熱氣源系統(tǒng)組成

　　熱氣源系統(tǒng)組成框。系統(tǒng)工作原理如下：氣源經(jīng)入口進(jìn)入低溫控制回路，實(shí)現(xiàn)氣體壓力和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過止回閥進(jìn)入空氣加熱器進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，最后，從高溫控制回路輸出壓力、流量、溫度連續(xù)可調(diào)的大流量、高精度熱氣源。

　　1.1　低溫控制回路

　　低溫控制回路安裝于系統(tǒng)最前端，連接氣源入口，用于實(shí)現(xiàn)氣體壓力和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，其控制原理如圖2所示。低溫控制回路包括5條2英寸大流量支路、1條3/8英寸小流量支路、入口分流排和出口匯流排。5條2英寸大流量支路用于實(shí)現(xiàn)大流量控制，1條3/8英寸小流量支路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)大流量時(shí)的流量精度細(xì)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)熱氣源的大流量、高精度控制。每條2英寸大流量支路的結(jié)構(gòu)相同，按照氣體流向依次安裝有過濾器、流量傳感器、遙控減壓閥、比例流量控制閥以及兩通電磁閥。過濾器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)入口氣源的雜質(zhì)過濾，以保護(hù)后續(xù)元器件;流量傳感器用于實(shí)現(xiàn)氣體流量的實(shí)時(shí)測(cè)量，其安裝于減壓閥前端，可有效防止紊流對(duì)測(cè)量精度造成的影響;遙控減壓閥用于實(shí)現(xiàn)氣體壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)，由于支路流量較大，因此采用氣控式遙控減壓閥，其動(dòng)作受電子比例減壓閥的控制;比例流量控制閥用于實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，由于比例流量閥不能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路的完全關(guān)斷，因此設(shè)置了兩通電磁閥，用于控制所在支路的開通和關(guān)斷。3/8英寸小流量支路與2英寸大流量支路的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于3/8英寸小流量支路直接使用電子比例減壓閥實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　1.2　空氣加熱器及其溫度控制柜

　　空氣加熱器用于實(shí)現(xiàn)氣體溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)，其使用集束式加熱棒進(jìn)行加熱，并采用上、下兩個(gè)加熱腔體的結(jié)構(gòu)，在保證足夠加熱功率的同時(shí)，增加了氣體加熱室的行程，從而實(shí)現(xiàn)了氣體溫度的大范圍、高精度連續(xù)可調(diào)。

　　溫度控制柜用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣加熱器的加熱控制，其內(nèi)部采用可控硅作為功率控制單元，可實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)可調(diào)。由于加熱器總功率達(dá)700kW，因此溫度控制柜內(nèi)部采用分組模式，每50kW 為一組，共分14組。加熱時(shí)，根據(jù)目標(biāo)流量值選擇需要啟用的組數(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫度控制性能的最優(yōu)化。

　　1.3　高溫控制回路

　　高溫控制回路安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、手動(dòng)截止閥、2個(gè)電控截止閥和安全閥，并設(shè)置了放氣旁路，其控制原理見圖4。其中，放氣旁路用于熱氣源的預(yù)調(diào)節(jié)，待達(dá)到設(shè)定的壓力、流量和溫度后，再切換到輸出通道，供模型使用。輸出通道用于向飛行器模型供氣，放氣旁路用于預(yù)調(diào)節(jié)過程，使用放氣旁路進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)時(shí)，電控截止閥1關(guān)閉、閥2打開，待出口壓力、流量和溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開電控截止閥1、關(guān)閉閥2，從而實(shí)現(xiàn)放氣旁路到輸出通道的切換。飛行器模型防(除)冰試驗(yàn)完成后，打開電控截止閥2、關(guān)閉電控截止閥1，從而實(shí)現(xiàn)了輸出通道到放氣旁路的切換。安全閥用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的安全保護(hù)，當(dāng)出口壓力達(dá)到安全壓力時(shí)，安全閥將動(dòng)作，從而通過放氣旁路進(jìn)行泄壓，防止發(fā)生危險(xiǎn)。

　　2　熱氣源系統(tǒng)控制原理

　　2.1　流量控制和壓力控制

　　控制器通過模擬量輸入模塊實(shí)時(shí)采集流量傳感器的流量值，并與設(shè)定的流量值比較，比較結(jié)果經(jīng)運(yùn)算后通過模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)比例流量閥的開啟度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量的連續(xù)控制。壓力控制原理與流量控制基本相同，區(qū)別在于采集的是壓力傳感器的壓力值，經(jīng)比較后控制比例減壓閥的開啟度。由于氣體壓力經(jīng)加熱后會(huì)發(fā)生變化，故本系統(tǒng)壓力傳感器安裝于空氣加熱器出口處，以實(shí)現(xiàn)對(duì)出口壓力的精確控制。

　　2.2　溫度控制

　　安裝于氣源控制箱內(nèi)的PLC通過MODBUS總線實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制柜的遠(yuǎn)程控制。溫度控制柜實(shí)時(shí)采集空氣加熱器出口溫度傳感器的溫度值，并與控制器設(shè)定的溫度值相比較，比較結(jié)果經(jīng)運(yùn)算后輸出PWM波控制可控硅導(dǎo)通角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣加熱器的加熱控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)連續(xù)控制。本系統(tǒng)中，溫度控制柜作為MODBUS從站，PLC為主站。具體溫度控制由安裝于溫度控制柜內(nèi)的溫控儀表實(shí)現(xiàn)，PLC通過MODBUS總線實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控儀的遠(yuǎn)程控制，包括啟動(dòng)加熱、停止加熱、參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)溫度讀取等操作。

　　2.3　多變量聯(lián)合控制

　　本系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量耦合系統(tǒng)。首先，氣體流量和壓力存在耦合關(guān)系，一方的變化將對(duì)另一方產(chǎn)生影響;其次，在加熱過程中，隨著溫度升高，出口壓力也會(huì)慢慢增大，從而造成3個(gè)變量相互耦合的情況，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。本文根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套通過控制流程解耦的方法，可以有效實(shí)現(xiàn)從3變量到2變量的轉(zhuǎn)換，降低控制系統(tǒng)維數(shù)，并達(dá)到理想的控制效果。

　　根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可知，溫度的變化只對(duì)出口壓力造成影響，而溫度只與系統(tǒng)流量有關(guān)，因此可將整個(gè)調(diào)節(jié)過程分為3步：①先將流量和壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定值;②將流量和壓力切換為手動(dòng)控制，啟動(dòng)溫度自動(dòng)控制;③待溫度達(dá)到目標(biāo)值后，再進(jìn)行流量和壓力的細(xì)調(diào)節(jié)。

　　由于氣體流量和壓力耦合度很高，相互影響很明顯，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大流量范圍的精確調(diào)節(jié)，需在調(diào)節(jié)過程中改變系統(tǒng)負(fù)載，即調(diào)節(jié)出口壓力，常見做法是在出口處安裝比例減壓閥。流量和壓力2變量調(diào)節(jié)可按如下步驟進(jìn)行：①將減壓閥初始開啟度手動(dòng)調(diào)節(jié)到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值(本系統(tǒng)為40%)，出口比例流量閥全開;②將流量自動(dòng)調(diào)節(jié)到目標(biāo)流量;③流量穩(wěn)定后，將其切換到手動(dòng)模式，慢慢調(diào)節(jié)出口比例減壓閥，并同步觀察出口壓力變化情況，直至其穩(wěn)定在目標(biāo)值的90%左右;④將流量切換到自動(dòng)調(diào)節(jié)模式;⑤再將壓力切換到自動(dòng)模式。從以上步驟可以看出，2變量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)思路是先依次進(jìn)行1變量調(diào)節(jié)，使流量值和壓力值接近目標(biāo)值，再啟動(dòng)2變量進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)。變量耦合度越高，細(xì)調(diào)節(jié)范圍越窄，細(xì)調(diào)節(jié)過程中需關(guān)注各變量狀態(tài)，防止因配氣系統(tǒng)、負(fù)載等外部干擾的影響而造成系統(tǒng)震蕩。

　　3　熱氣源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主控單元為西門子S7-300系列PLC，軟件采用結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言SCL編碼實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)過程充分采用模塊化設(shè)計(jì)理念。

　　4　熱氣源系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

　　4.1　最大流量下精度調(diào)試

　　進(jìn)行流量單變量調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定目標(biāo)流量為75Nm3/min(1.5kg/s)，其系統(tǒng)階躍響應(yīng)可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為3min，穩(wěn)態(tài)誤差為0.019Nm3/min(0.38g/s)，達(dá)到了預(yù)期效果。配氣系統(tǒng)(為本系統(tǒng)供氣)響應(yīng)時(shí)間為30s，本系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滿足其抗沖擊的要求。

　　4.2　多變量調(diào)試

　　進(jìn)行流量、壓力、溫度3變量調(diào)試，其結(jié)果可以看出，進(jìn)行多變量調(diào)試時(shí)，穩(wěn)態(tài)壓力控制精度為0.004MPa，穩(wěn)態(tài)流量控制精度為0.00g/s，穩(wěn)態(tài)溫度控制精度為-4℃，達(dá)到了預(yù)期效果。

　　4.3　系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

　　本系統(tǒng)可達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

　　氣體流量(kg/s)：0～1.6;

　　流量控制精度(g/s)： 1.6;

　　氣體壓力(MPa)： 0～0.3(相對(duì));

　　壓力控制精度(MPa)： ±0.005;

　　氣體溫度(℃)： 常溫～400;

　　溫度控制精度(℃)： ±5。

　　5　結(jié)論

　　本文提出的大流量、高精度熱氣源系統(tǒng)，通過多支路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制參數(shù)優(yōu)化，解決了大流量下高精度控制問題;通過控制算法參數(shù)優(yōu)化，解決了大流量下流量突變對(duì)配氣系統(tǒng)的沖擊問題;通過對(duì)系統(tǒng)控制流程的分解，實(shí)現(xiàn)了3變量到2變量的轉(zhuǎn)換，解決了氣體流量、壓力、溫度聯(lián)合控制問題。調(diào)試結(jié)果表明：系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果，可以滿足不同型號(hào)飛行器模型在不同情況下的試驗(yàn)需求。