直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法

摘要

本发明公开了一种直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法，所述动力系统包括：变频器和变频电机，变频器和变频电机通过主控PLC连接上位机；主控PLC和上位机作为动力系统的动力控制组件，同时，动力控制系统还通过主控PLC连接润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统；所述直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法是在动力控制系统上按如下过程进行控制：步骤1，当润滑油车工作正常则执行步骤2；步骤2，当变频器工作正常则执行步骤3；步骤3，开始直升机风洞试验，启动动力系统；步骤4，直升机风洞试验完成后动力系统停车；步骤5，当变频电机转速为零时，使变频器分闸后结束控制。本发明能够保障直升机风洞试验的安全性能。

说明书

技术领域

本发明涉及直升机风洞试验技术领域，尤其是一种直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法。

背景技术

直升机风洞试验是在风洞中使用动力电机驱动旋翼模型高速旋转，模拟直升机飞行，以测试桨叶性能等气动特性的试验。由于旋翼的高速(桨尖线速度大于210米/秒)导致了直升机试验的高风险，因此直升机风洞试验的安全保护策略构建具有很关键的意义，它关系到试验的安全、可靠运行。

在直升机风洞试验中，通过试验台动力系统提供旋转动力驱动旋翼高速运行，因此动力系统是直升机风洞试验是重要的安全保护作用点，主要体现在发生危险故障时能够及时停车，从而避免或减少试验损失。

以前的直升机动力控制系统控制主要基于变频器进行构建，通过串口通讯读取电机运行相关参数，其控制程序未与其它系统，如试验台减速箱润滑油运行状态，实时试验状态、其它系统运行状态等进行关联，因此在试验发生故障时，由于动力控制系统未能及时停车，导致损失加大等情况出现。

为了降低直升机风洞试验的风险，增加试验的安全性能，特构建了软硬结合的直升机风洞试验架构，其安全控制结构示意如图1所示。动力系统是试验安全保护处置的核心子系统，振动及温度监测系统实现对试验台传动及减速箱等机械部分的监测，运行信息管理系统完成试验天平物理量及电控系统的运行信息显示与管理，健康管理系统在试验过程中处于后台运行状态，收集需要的状态信息，完成对运行状态的评估，并通过信息通知试验管理系统，形成相应的试验控制流程及安全处理措施。试验后健康管理系统形成故障诊断报告及维修保养建议。从图中可见动力控制系统是直升机风洞试验安全控制的核心机构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法，所述动力系统包括：变频器和变频电机，变频器和变频电机通过主控PLC连接上位机；主控PLC和上位机作为动力系统的动力控制组件，同时，动力控制系统还通过主控PLC连接润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统；所述直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法是在动力控制系统上按如下过程进行控制：

步骤1，当润滑油车工作正常则执行步骤2；

步骤2，当变频器工作正常则执行步骤3；

步骤3，开始直升机风洞试验，启动动力系统；

步骤4，直升机风洞试验完成后动力系统停车；

步骤5，当变频电机转速为零时，使变频器分闸后结束控制。

进一步地，步骤1中判断润滑油车是否工作正常的过程，包括：

步骤1.1，启动润滑油车；

步骤1.2，当实时油箱温度大于预设油箱温度低限值时，执行步骤1.3；

步骤1.3，当润滑油车的PLC监测的台架传动轴的第一实时振动位移不大于第一预设振动位移时，执行步骤1.4，否则检查振动位移传感器；

步骤1.4，开启进油泵和进油阀；

步骤1.5，当实时进油压力大于预设进油压力时，执行步骤1.6，否则检查进油泵并调节进油阀；

步骤1.6，延时一段时间开启回油泵；

步骤1.7，当实时回油流量大于预设回油流量时，执行步骤1.8，否则检查回油管路；

步骤1.8，当电机冷却水的实时回水流量不大于预设回水流量时，执行步骤1.9，否则检查水冷管路；

步骤1.9，当回油温差不大于预设回油温差时，执行步骤1.10，否则，检查减速箱；

步骤1.10，当实时减速箱温度不大于预设减速箱温度时，执行步骤1.11，否则检查减速箱；

步骤1.11，当润滑油车的PLC监测的台架传动轴的第二实时振动位移不大于第二预设振动位移时，表示润滑油车正常，否则检查传动轴。

进一步地，步骤1.2，当实时油箱温度不大于预设油箱温度低限值时，通过加热油箱使油箱温度达到预设油箱温度高限值时停止加热。

进一步地，所述预设油箱温度低限值为27℃；所述预设油箱温度高限值为41℃。

进一步地，在步骤3开始直升机风洞试验后，通过监测润滑油车和变频电机的工作参数，控制动力系统的报警和紧急停车。

进一步地，所述通过监测润滑油车和变频电机的实时工作参数，控制动力系统的报警和紧急停车的过程为：

步骤3.1，当第一实时电机温度不大于预设常态电机温度时，启动变频电机并执行步骤3.2,否则检查电机水冷系统和变频电机；

步骤3.2，当实时电机电流不大于设定的电机电流报警阈值时，执行步骤3.3，否则根据设定的电机电流报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车，并检查变频电机功率数据以及变频电机相间绝缘；

步骤3.3，当实时旋翼转速与预设旋翼转速差不大于预设转速差值时，执行步骤3.4，否则检查气动载荷以及变频器参数；

步骤3.4，当试验台关键部位的实时特征振动不大于预设部位特征振动，执行步骤3.5，否则根据设定的部位特征振动报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车，并结合其他信号分析检查相关部件；

步骤3.5，当润滑油车工作参数正常则执行步骤3.6，否则根据润滑油车工作参数报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车；

步骤3.6，当第二实时电机温度不大于预设电机工作温度时，执行步骤4，否则根据设定的电机温度报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车，并检查变频电机功率数据以及变频电机相间绝缘。

进一步地，所述步骤3.2中根据设定的电机电流报警阈值和紧急停车阈值进行报警或紧急停车的方法为：

当判断实时电机电流大于设定的电机电流报警阈值且不大于设定的电机电流停车阈值时，进行报警；

当判断实时电机电流大于设定的电机电流停车阈值时，进行紧急停车；

其中，设定的电机电流报警阈值为变频电机额定工作电流的1.1倍，预设电机停车电流为变频电机额定工作电流的1.5倍。

进一步地，所述紧急停车的过程，包括：

步骤30.1，动力控制组件给动力系统紧急停车信号；

步骤30.2，动力控制组件给风洞速压控制系统紧急停车信号；

步骤30.3，动力控制组件给其他控制系统紧急停车信号。

进一步地，所述主控PLC与上位机之间采用基于libNoDaver的通讯方式。

进一步地，当出现通讯错误时，主控PLC按紧急停车进行处理，并通过上位机进行报警。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过PLC建立直升机风洞试验安全控制架构，综合了动力控制系统、动力系统、润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统的运行状态等，通过监测、限值等手段保障直升机风洞试验不误判，不延时的安全性能。

2、本发明采用基于libNoDaver的通讯方式建立PLC通讯，使上位机与主控PLC通讯速度提高了一个数量级，构建了实时安全保护的通讯基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为直升机风洞试验安全控制结构。

图2为本发明的动力控制系统的结构示意图。

图3为本发明的直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法的流程框图。

图4为本发明的润滑油车安全工作流程框图。

图5为本发明的动力系统变频电机安全工作流程框图。

图6为本发明的紧急停车安全控制流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法，所述动力系统，如图2所示，包括：变频器和变频电机，变频器和变频电机通过主控PLC连接上位机；主控PLC和上位机作为动力系统的动力控制组件，同时，动力控制组件还通过主控PLC连接润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统；本发明利用PLC建立上位机与动力系统、润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统的通讯，通过PLC控制模块和数据采集模块对动力系统、润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统进行开关量(布尔量)和模拟量的数据采集，以及通过24VI/O信号下达控制指令。其中，直升机风洞试验的其他系统可以包括：操纵控制系统、主轴倾斜系统、风洞速压控制系统、风洞转盘控制系统和振动监视系统等。

利用PLC建立的动力控制系统是基于TCP/IP协议构建的，通讯的可靠是整个动力控制系统可靠运行的保障，因此在系统程序设计上需要增加通讯相关的安全控制策略：当出现通讯错误时，主控PLC按紧急停车进行处理，并通过上位机进行报警。上位机与主控PLC之间的通讯可靠性主要体现在数据的及时性和通讯的可靠性上。由于直升机试验的动特性要求，运行数据的刷新频率不得低于5Hz。传统的上位机软件与PLC之间基于OPC方式的通讯模式达不到要求，其一次读写时间为500ms，且可靠性不好，因此本发明的主控PLC与上位机之间采用基于libNoDaver的通讯方式，其一次读写时间低到1ms。

如图3所示，所述直升机风洞试验中动力系统的安全控制方法是在动力控制系统上按如下过程进行控制：

步骤1，当润滑油车工作正常则执行步骤2；若润滑油车工作不正常，则对润滑油车进行检查；

步骤2，当变频器工作正常则执行步骤3；判断变频器是否工作正常可以根据设定的故障代码确诊故障原因；

步骤3，开始直升机风洞试验，启动动力系统；一般地，根据直升机风洞试验流程，旋翼必须先旋转，达到试验转速后再开始吹风，风速稳定后开始正式试验流程。一次吹风时间一般不得超过30分钟。

步骤4，直升机风洞试验完成后动力系统停车；一般地，完成一次吹风计划内容后，先停风，等风速低于10米后停止旋翼旋转。

步骤5，当变频电机转速为零时，使变频器分闸后结束控制。

在本实施例中，在润滑油车和变频器工作正常时，一般还可以再检查动力控制组件、动力系统、润滑油车以及直升机风洞试验的其他系统是否正常联网，从而进一步对其他系统是否工作正常进行检查。

如图4所示，步骤1中判断润滑油车是否工作正常的过程，包括：

步骤1.1，启动润滑油车；

步骤1.2，当实时油箱温度大于预设油箱温度低限值时，执行步骤1.3；进一步地，当实时油箱温度不大于预设油箱温度低限值时，通过加热油箱使油箱温度达到预设油箱温度高限值时停止加热。所述预设油箱温度低限值和预设油箱温度高限值根据实际应用进行设定，在本实施例中，所述预设油箱温度低限值为27℃；所述预设油箱温度高限值为41℃，若油箱油温低于27℃，润滑油车的减速器可能会漏油。

步骤1.3，当润滑油车的PLC监测的台架传动轴的第一实时振动位移不大于第一预设振动位移时，执行步骤1.4，否则表明润滑油车振动异常，可以通过检查振动位移传感器排除问题。一般地，第一预设振动位移可以设置为2.0mm。

步骤1.4，开启进油泵和进油阀；

步骤1.5，当实时进油压力大于预设进油压力时，执行步骤1.6，否则表明进油泵故障，可以通过检查进油泵并调节进油阀排除问题。一般地，预设进油压力可以设置为0.3MPa。

步骤1.6，延时一段时间开启回油泵；在本实施例中，延时10秒开启回油泵。

步骤1.7，当实时回油流量大于预设回油流量时，执行步骤1.8，否则表明回油管路异常，可以通过检查回油管路排除问题。一般地，预设回油流量可以设置为0.1L/min。

步骤1.8，当电机冷却水的实时回水流量不大于预设回水流量时，执行步骤1.9，否则表明电机冷却异常，可以通过检查水冷管路排除问题。一般地，预设回水流量可以设置为0.2L/min。

步骤1.9，当回油温差不大于预设回油温差时，执行步骤1.10，否则表明油车减速箱异常，可以通过检查减速箱排除问题。一般地，预设回油温差可以设置为10℃。

步骤1.10，当实时减速箱温度不大于预设减速箱温度时，执行步骤1.11，否则表明油车减速箱异常，可以通过检查减速箱排除问题。一般地，预设减速箱温度可以设置为60℃。

步骤1.11，当润滑油车的PLC监测的台架传动轴的第二实时振动位移不大于第二预设振动位移时，表示润滑油车正常，否则表明润滑油车的传动轴异常，可以通过检查传动轴排除问题。一般地，第二预设振动位移可以设置为1.0mm。

步骤1.12，直升机风洞试验完成后关闭进油泵和进油阀，并延时一段时间关闭回油泵。在本实施例中，延时20秒关闭回油泵。

进一步地，在步骤3开始直升机风洞试验后，通过监测润滑油车和变频电机的工作参数，控制动力系统的报警和紧急停车。

具体地，所述通过监测润滑油车和变频电机的工作参数，控制动力系统的报警和紧急停车的方法，如图5所示，包括：

步骤3.1，当第一实时电机温度不大于预设常态电机温度时，启动变频电机并执行步骤3.2,否则表明电机水冷系统或变频电机异常，可以通过检查电机水冷系统和变频电机排除问题，一般地，预设常态电机温度可以设置为30℃。

步骤3.2，当实时电机电流不大于设定的电机电流报警阈值时，执行步骤3.3，否则根据设定的电机电流报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车，并通过检查变频电机功率数据以及变频电机相间绝缘排除问题。具体地，当判断实时电机电流大于设定的电机电流报警阈值且不大于设定的电机电流停车阈值时，进行报警；当判断实时电机电流大于设定的电机电流停车阈值时，进行紧急停车；其中，设定的电机电流报警阈值为变频电机额定工作电流的1.1倍，预设电机停车电流为变频电机额定工作电流的1.5倍。

步骤3.3，当实时旋翼转速与预设旋翼转速差不大于预设转速差值时，执行步骤3.4，否则通过检查气动载荷，决定试验流程，并检查变频器参数排除问题。一般地，预设转速差值可以设置为5rpm。

步骤3.4，当试验台关键部位的实时特征振动不大于预设部位特征振动，执行步骤3.5，否则根据设定的部位特征振动报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车，并结合其他信号分析检查相关部件；部位特征振动由振动监视系统进行探测。

步骤3.5，当润滑油车工作参数正常则执行步骤3.6，否则根据润滑油车工作参数报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车；润滑油车的工作正常判断方法参照前述过程进行。

步骤3.6，当第二实时电机温度不大于预设电机工作温度时，执行步骤4，否则根据设定的电机温度报警阈值和停车阈值进行报警或紧急停车，并检查变频电机功率数据以及变频电机相间绝缘。

需要说明的是，由于直升机旋翼的特性，导致试验不能急刹，无论是紧急停车还是正常停车，变频电机转速都必须以正常加减速进行停车，否则容易造成桨叶模型损坏。但由于直升机试验的高风险，试验过程中经常需要使用紧急停车。正常停车是先将旋翼操纵从试验状态中配到适合停止吹风的状态，再停风，等风速低于10米后再停旋翼。而紧急停车是先停旋翼，再通知停风。

所述紧急停车的过程，如图6所示，包括：

步骤30.1，动力控制组件给动力系统紧急停车信号；

步骤30.2，动力控制组件给风洞速压控制系统紧急停车信号；

步骤30.3，动力控制组件给其他控制系统紧急停车信号。

在实际应用中，紧急停车除了动力控制系统检测相关工作参数符合停车阈值时进行，还设置有相应手动控制按钮，给试验现场操作人员和测控间操作人员进行紧急停车操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。