一种脉冲风洞运行控制系统及脉冲风洞运行控制方法

摘要

本发明涉及一种脉冲风洞运行控制系统及脉冲风洞运行控制方法，系统包括PLC模块、驱动段充气阀门、驱动段放气阀门、驱动段压力传感器、1/2阀门、双膜段放气阀门、双膜段压力传感器、被驱动段充气阀门、被驱动段放气阀门、被驱动段压力测量模块、被驱动段抽真空阀门、试验段放气阀门、试验段抽真空阀门、试验段压力传感器、真空机组；通过PLC模块实现了风洞试验过程的自动控制，采用分布式控制方式，所有操作在测控间完成，不需要进入现场进行作业，隔离了高压气源，保证了人员运行安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲风洞运行控制系统及脉冲风洞运行控制方法，属于高超声速脉冲风洞系统的气路运行控制及状态监测领域。

背景技术

脉冲型风洞是指在极短时间(几十毫秒至1秒)内产生脉冲试验气流的风洞(《GJB4296风洞试验术语和符号》)。脉冲风洞主要由驱动段、双膜段、被驱动段、单夹膜、喷管及试验段等部分构成。实验过程主要需求参数为马赫数、雷诺数、总温、总压。马赫数通过更换喷管实现，为保证喷管前后压比，实验过程需要将试验段抽至低压状态；雷诺数通过被驱动段气体压力、驱动段气体压力控制；总温、总压通过驱动气体压力控制；为控制驱动气体破膜压力，设置了双膜片夹膜机构，以形成梯度压力，待高压气体压力达到预定破膜压力时迅速释放夹膜机构内部压力，使膜片破裂。

常见气源走向及厂房布局如图1所示。风洞实验大部分控制工作由实验人员手工操作完成，全部高压气源均需引入到控制间进行人工操控，整个气源线路长、压力高、易出故障、不利于维护，存在极大的安全隐患。其次，常规控制方式采用手动操作阀门，肉眼观察记录状态信息的过程，运行控制重复性差且数据记录有偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种脉冲风洞运行控制系统及脉冲风洞运行控制方法，实现风洞试验的自动化运行。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种脉冲风洞运行控制系统，包括PLC模块、驱动段充气阀门、驱动段放气阀门、驱动段压力传感器、1/2阀门、双膜段放气阀门、双膜段压力传感器、被驱动段充气阀门、被驱动段放气阀门、被驱动段压力测量模块、被驱动段抽真空阀门、试验段放气阀门、试验段抽真空阀门、试验段压力传感器、真空机组；

所述驱动段充气阀门用于在PLC模块的控制下控制驱动段的充气，所述驱动段放气阀门用于在PLC模块的控制下控制驱动段的放气，所述驱动段压力传感器用于检测驱动段的压力P1，并发送给PLC模块；

所述1/2阀门在PLC模块的控制下控制双膜段的充气，双膜段放气阀门用于在PLC模块的控制下控制双膜段的放气，所述双膜段压力传感器用于测量双膜段的压力P2，并发送给PLC模块；

被驱动段充气阀门在PLC模块的控制下控制被驱动段充气，被驱动段放气阀门在PLC模块的控制下控制被驱动段放气，被驱动段抽真空阀门在PLC模块的控制下控制被驱动段与真空机组连通，被驱动段压力测量模块在PLC模块的控制下测量被驱动段的压力P3；

试验段放气阀门在PLC模块的控制下控制试验段的放气，试验段抽真空阀门在PLC模块的控制下控制试验段与真空机组连通，试验段压力传感器在PLC模块的控制下测量试验段的压力P4；

真空机组在PLC模块的控制下对于其连通的被驱动段或试验段抽真空；

PLC模块控制所述驱动段充气阀门开启为驱动段充气，接收所述驱动段压力传感器用于检测的压力P1；PLC模块控制所述1/2阀门开启为双膜段充气，接收所述双膜段压力传感器用于检测的压力P2，当P1-P2的差值大于驱动段压力设定值的一半时，控制所述驱动段充气阀门关闭，直至P1-P2的差值小于等于P1设定值的一半时，重新开启驱动段充气阀门；

当气源压力Psource>15MPa时，P1到达设定值的α倍时控制驱动段充气阀门关闭，停止充气，0.95<α<0.97，当气源压力10MPa<Psource<15MPa时，P1到达设定值的β倍时控制驱动段充气阀门关闭，停止充气，0.97<β<0.99，当气源压力Psource<10MPa时，控制开启压缩机为气源充气；驱动段充气停止后，等待驱动段气体压力平衡后，判断检测的压力P1是否符合要求，如果检测的压力P1与设定值之间的差值小于1％或者P1大于设定值则认为符合要求，充气完成，如果不符合要求，则开启驱动段充气阀门N秒后关闭驱动段充气阀门，直至检测的压力P1符合要求；

PLC模块控制被驱动段抽真空阀门开启，控制真空机组对被驱动段抽真空，接收所述被驱动段压力传感器用于检测的压力P3，当检测的压力P3达到设定压力值时，PLC模块控制抽真空阀门关闭，控制所述被驱动段充气阀门开启为被驱动段充气；当气源压力Psource>10MPa时，P3到达设定值的α1倍时控制驱动段充气阀门关闭，停止充气，0.97<α1<0.99；当气源压力Psource<10MPa时，控制开启压缩机为气源充气；驱动段充气停止后，等待驱动段气体压力平衡后，判断检测的压力P3是否符合要求，如果检测的压力P3与设定值之间的差值小于1％或者P3大于设定值则认为符合要求，充气完成，如果不符合要求，则开启驱动段充气阀门N秒后关闭驱动段充气阀门，直至检测的压力P3符合要求；

PLC模块控制试验段抽真空阀门开启，控制真空机组对试验段抽真空，PLC模块接收试验段压力传感器发送试验段的压力P4，当试验段的压力P4达到设定压力值时，PLC模块控制试验段抽真空阀门关闭；

PLC模块检测P1、P2、P3、P4均满足要求后，关闭所有阀门；

当试验开始时，PLC模块控制双膜段放气阀门开启，驱动段的气体冲破双膜段的膜片进入被驱动段，再冲破单膜片进入试验段；指定时间后开启驱动段放气阀门、被驱动段放气阀门和试验段放气阀门，完成试验。

优选的，被驱动段压力测量模块包括高压压力测量管路、低压压力测量管路、第一阀门、第二阀门、高压传感器、低压传感器和真空传感器；所述第一阀门控制高压压力测量管路与被驱动段连通，所述第二阀门控制低压压力测量管路与高压压力测量管路连通，高压传感器测量高压压力测量管路内的压力P31，低压传感器和真空传感器测量低压压力测量管路内的压力，压力测量值分别为P32和P33；

PLC模块控制被驱动段抽真空阀门开启后，控制第一阀门开启，高压传感器测量高压压力测量管路内的压力P31，并发送给PLC模块，PLC模块采用P31作为被驱动段的压力P3；当压力P31小于于等于低压传感器的量程上限时，PLC模块控制开启第二阀门，低压传感器测量低压压力测量管路内的压力P32，并发送给PLC模块，PLC模块采用P32作为被驱动段的压力P3；当压力P32小于等于真空传感器的量程上限时，开启真空传感器测量低压压力测量管路内的压力P33，并发送给PLC模块，PLC模块采用P33作为被驱动段的压力P3；当压力P3达到设定压力值时，PLC模块控制抽真空阀门和第二阀门关闭，PLC模块采用P31作为被驱动段的压力P3。

优选的，所述PLC模块包括第一PLC、第二PLC和第三PLC；所述第一PLC接收第三PLC的控制指令，控制驱动段充气阀门、驱动段放气阀门、1/2阀门、双膜段放气阀门、被驱动段充气阀门、被驱动段放气阀门、第一阀门、第二阀门、试验段放气阀门的开启和关闭，接收驱动段压力传感器、双膜段压力传感器、试验段压力传感器发送的压力数据，并发送给第三PLC；所述第二PLC接收第三PLC的控制指令，控制被驱动段抽真空阀门、试验段抽真空阀门、真空机组的开启和关闭，并将真空机组运行状态参数定时发送给第三PLC；所述第三PLC接收外部发送的试验参数指令、试验准备指令、试验开始指令并发送给第一PLC，将控制被驱动段抽真空阀门、试验段抽真空阀门、真空机组的开启和关闭指令发送给第二PLC。

优选的，当设定充气压力高于被驱动段低压传感器量程时，PLC模块控制被驱动段充气阀门开启时，被驱动段抽真空阀门和第二阀门关闭并锁死，无法手动开启。

优选的，当试验段充气过程中压力P1到达设定值的0.8倍时，PLC模块控制抽真空阀门和第二阀门关闭并锁死，无法手动开启。

优选的，低压传感器和真空传感器测量压力值超过自身量程时，PLC模块发出报警信号。

同时提供一种利用所述脉冲风洞运行控制系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)PLC模块控制对试验段抽真空，直至设定压力值；

(2)在(1)抽真空过程中，PLC模块控制对被驱动段进行压力调节，直至达到设定压力值；

(3)在(1)(2)步骤完成后，PLC模块控制对驱动段和双膜段充气，直至驱动段和双膜段压力均达到设定压力值；

(4)PLC模块判断被驱动段、试验段、驱动段和双膜段的压力是否均满足要求，如果满足要求关闭所有阀门，开始试验，如果不满足要求，则自步骤(3)开始计时15分钟，等待15分钟后仍未满足要求，申请人工干预；

(5)PLC模块开启双膜段放气阀，试验气流自驱动段、双膜段、被驱动段流向试验段，进行试验，双膜段破裂1s后试验结束；PLC控制开启所有放气阀。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用分布式控制方式，所有操作在测控间完成，不需要进入现场进行作业，隔离了高压气源，保证了人员运行安全。

(2)本发明采用PLC进行数据采集记录，能够实现控制参数的显示与准确记录，提高了运行数据的可信度和运行状态的可重复性。

(3)本发明采用PLC进行充放气操作，通过设定值与目标值的实时对比方式，针对不同充气压力采取不同策略，提高了充气准确度，减少人员操作强度。

(4)针对被驱动段等压力变化范围较大部件，采取真空计、低压传感器及高压传感器结合的方式，分段自动切换显示当前值，提高了数据采集及控制精度。

附图说明

图1为常见风洞气路及运行原理图；

图2为分段式压力测量示意图；

图3为脉冲风洞运行原理图；

图4为风洞运行控制系统原理框图；

图5为本发明试验流程图。

具体实施方式

本发明的脉冲风洞运行控制系统包括PLC模块、驱动段充气阀门、驱动段放气阀门、驱动段压力传感器、1/2阀门、双膜段放气阀门、双膜段压力传感器、被驱动段充气阀门、被驱动段放气阀门、被驱动段压力测量模块、被驱动段抽真空阀门、试验段放气阀门、试验段抽真空阀门、试验段压力传感器、真空机组。实现如下功能：

1、分段式压力测量及数据记录

被驱动段连接高压压力测量管路，通过阀门1控制测量气路通断，阀门1后的高压压力测量管路上连接低压压力测量管路，通过阀门2控制低压压力测量管路测量气路通断。

如图2所示，被驱动段视试验需要压力从几十帕到几百千帕均有可能。如果采用固定量程传感器，势必会存在测量精度不足的情况。本发明采用三种传感器组合使用，高压传感器P31(0～2MPa)、低压传感器P32(0～150KPa)、真空传感器P33(0～3KPa，抗压大于150KPa)测量被驱动段的压力P3，因此，为了提高试验测量精度，设计了采用三种传感器分段测量的形式。当对被驱动段进行抽气或充气操作时，先开启阀门1，将被驱动段的的气体引入到，开启高压传感器P31开始有读数，然后按照下述规则判定。

抽气过程中当P31>Pset1时，代表当前压力值较高，当前压力值采用高压传感器P31测量，为P3＝P31；Pset1设置为低压传感器的量程上限，例如可以设置为150KMpa。

当P31<Pset1时，代表当前压力值较小，开启阀门2，通过判定P32获取当前压力值；

当P32>Pset2时，当前压力值为P3＝P32，否则当前压力值为P3＝P33；Pset2设置为真空传感器的量程上限，例如可以设置为3KPa。

充气过程中关闭阀门2，采用高压传感器P31测量被驱动段的压力P3。

上述判定及阀门的通断均通过PLC控制，存储与显示值均为压力P3。

按照20Hz采样率进行所有数据采集，当试验开始时，被驱动段靠近单夹膜位置的总压传感器会有突然的压力上升，此时即为瞬间试验状态，记录此时各采样点压力值作为试验参数参与后续数据计算。采用此种采样存储方式能够较为准确地记录试验状态，避免人工读数带来的误差。

2、自动压力调节

由图3可知，风洞运行过程主要控制参数为驱动段气体压力P1，双膜段内部压力P2，被驱动气体压力P3，试验段压力P4。风洞运行控制系统即是为实现上述参数调整及各部分状态控制而设计的。

(1)驱动段气体压力P1调节：

驱动段气体压力调节主要通过开关驱动段充气阀来完成。由于管路口径限制及充气过程压力传感器反应速度限制，如果仅采用直接阈值设定法对充气阀进行控制容易导致压力过冲现象。如果过冲较大，通过放气阀不易控制压力下降。因此要求充气过程可控。根据气源压力Psource与被驱动段体积之间的关系，总结充气规律如下：

当Psource>15MPa时，P1到达设定值的α倍时停止充气(0.95<α<0.97)；

当Psource<15MPa且Psource>10MPa时，P1到达设定值的β倍时停止充气(0.97<β<0.99)；

当Psource<10MPa时，认定气压不足，需要开启压缩机充气。

充气阶段停止后，驱动段气体压力平衡后(约30s)，对比P1与设定值之间的差值小于1％或者P1大于设定值则认定充气完成。否则开启点充模式，即开启充气阀2s后关闭再进行判定直至充气结束。

(2)双膜段气体压力P2调节：

双膜段内直接由1/2阀取驱动段气体进行充气，最终获得P2＝1/2P1，其充压速率无法通过1/2阀门直接调节。如果被驱动段充气速率过快，而1/2阀充气速率无法满足条件导致P1与P2之间压差较大，极易引起双膜段膜片提前破裂，导致试验失败，且极易造成真空机组与低压传感器损坏。

因此，采取设定分段充气方式，当二者压差大于设定值Perror(取1/2P1设定值)时关闭驱动段充气阀，停止充气，待二者P1:P2压力比接近2:1时重新开始充气。例如：设定P1充气至10MPa,则(P1-P2)>5MPa时，控制所述驱动段充气阀门关闭，直至(P1-P2)≤5MPa时，重新开启驱动段充气阀门。

(3)被驱动段气体压力P3调节：

被驱动段气体压力调节通过充气阀、真空泵两种方式进行调节。当设定压力值小于一个大气压或者需要更换被驱动段内气体条件时，需要开启真空泵进行抽气。抽气过程直接控制真空泵的启停和真空阀的开关来实现。

充气过程与驱动段气体压力P1调节类似，也采取分段式充气。

当Psource>10MPa时，P3到达设定值的α1倍时停止充气(0.97<α1<0.99)；

当Psource<10MPa时，认定气压不足，需要开启压缩机充气。

驱动段充气停止后，等待驱动段气体压力平衡后，判断检测的压力P3是否符合要求，如果检测的压力P3与设定值之间的差值小于1％或者P3大于设定值则认为符合要求，充气完成，如果不符合要求，则开启驱动段充气阀门N秒后关闭驱动段充气阀门，直至检测的压力P3符合要求；

(4)试验段气体压力P4调节：

抽真空时，开启传感器所在气路阀门和抽真空阀门，对试验段进行抽真空，当压力小于设定值时且持续10s以上时，完成抽真空，关闭抽真空阀门，；实时监测当前真空度是大于设定值，大于则重新开启抽真空阀门抽真空处理。

控制方法，包括如下步骤：

(1)PLC模块控制对试验段抽真空，直至设定压力值；

(2)在(1)抽真空过程中，PLC模块控制对被驱动段P3进行压力调节，直至达到设定压力值；

(3)在(1)(2)步骤完成后，PLC模块控制对驱动段和双膜段充气，直至驱动段和双膜段压力均达到设定压力值；

(4)PLC模块判断被驱动段、试验段、驱动段和双膜段的压力是否均满足要求，如果满足要求关闭所有阀门，开始试验，如果不满足要求，则自步骤(3)开始计时15分钟，等待完毕后仍未满足要求，弹出手动试验对话框申请人工干预；

(5)PLC模块开启双膜段放气阀，试验气流自驱动段、双膜段、被驱动段流向试验段，进行试验。双膜段破裂1s后试验结束；PLC控制开启所有放气阀，试验结束。

当P1～P4段压力均满足要求后，关闭所有的阀门。

开启双膜段放气阀门，使P2迅速下降，P1与P2压差迅速扩大，使膜片破裂，完成实验。试验持续时间1s，2s后开启所有放气阀门。

试验段在试验过程中需要保证低压状态，通过直接控制真空泵的启停和真空阀的开关来实现。

如图4所示，采用分布式的控制方式，控制系统由一台设置在气控间的主控计算机通过工业以太网与主控PLC连接。主控PLC与设备间现场PLC通讯可实现本地、远程手动控制功能，这样既可以在气控间远程操作也可以切换到本地模式在现场进行控制。系统实现阀门操作与真空泵操作自动化功能，并具有实时数据监测、超压保护等功能。整个控制方案提高了气源控制的自动化程度，同时系统具有良好的扩展性。

高压气路被全部移动至人员活动较少的试验现场，有效实现了高压气源与人员的隔离。经运行人员反馈，系统运行稳定可靠，操作简便快捷，较大程度提高了风洞运行效率。同时由于气动阀门放气重复性较好，与人工操作相比，有效提升了风洞运行精度。

系统操作方式分为远程监控和本地操作两种，二者通过测控间主控程序进行切换。测控间位于试验段正上方三楼，操作台及主控电脑位于其中。

3、远程监控

系统主要运行在远程监控模式，即操作人员通过测控间操作台按钮或者运行于工控机上的控制画面来操作各个部件。

运行在远程监控方式下，设置于风洞线旁边的触摸屏仅用于显示当前状态，不能进行任何操作输入。远程监控模式下，又可以通过操作台的选择开关使系统运行于手动、半自动、自动三种不同方式，各方式切换过程中阀门状态不变。

(1)手动模式

系统运行于远程监控方式，操作台选择手动模式。此模式下系统所有控制均通过操作台实体按钮进行，各个按钮对应各个开关，由操作人员点选按钮进行操作，后台程序中不设置安全连锁。

(2)半自动模式

半自动模式下，依靠试验台上的实体按钮进行操作，但简化操作按钮数量并进行了相应的安全联锁设置，保证试验的顺利进行。

(3)自动模式

自动模式下，在设定操作状态之后(驱动段压力、被驱动段压力)，点选“开始”按钮，自动完成驱动段充气操作，并给出提示信息，待操作人员确认后进行下一步操作，并依试验流程依此进行。对于自动模式，在试验进程中操作人员可根据实际情况取消该模式，并能方便进行后续手动操作。

4、本地操作

在主控程序中设定本地操作后，主控程序及操作台按钮均失去操作输入功能，仅做状态显示。系统通过设置在双膜段附近的本地触摸屏进行操作。触摸屏显示当前主要压力参数，能操作所有阀门开关并实时显示其当前状态。

如图5所示，列出了一次试验的全部操作流程。

(1)点击“试验开始”按钮，设定或者确认参数确定试验参数。

设定驱动段压力(MPa)、被驱动段压力(MPa)以及破膜阈值系数(限定0-1，默认0.8)。其他参数仅做显示。

(2)真空机组按照设定设备状态，向真空机组发送抽真空指令；

点击“开始抽真空”确认按钮，试验段真空泵系统开启指令，打开抽真空阀门，打开“真空表阀门”

(3)按照试验要求，被驱动段抽气或是充气或是抽真空后充试验气体；

被驱动段弹出两个选项，充试验气或空气。

选择充试验气，开启被驱动段“真空泵阀、，开启被驱动段“测压总阀”，开启“测真空阀”，达到预设真空度后关闭真空泵。打开“试验气体阀”充试验气体，根据设定压力决定，是否关闭“测真空阀”。保持“测压总阀”。充气完毕后，关闭“试验气体阀”。

选择充空气，打开“试验气体阀”充试验气体，根据设定压力决定，是否关闭“测真空阀”。保持“测压总阀”。充气完毕后，关闭“试验气体阀”。

(3)驱动段充入指定压力的试验气体；

驱动段“充气阀”打开，“测压阀”关闭，待充到试验压力后，关闭“充气阀”。

(4)开始试验前确保被驱动段和驱动段上的气动阀门处于关闭状态；

自动检查“被驱动段放气阀”和“驱动段放气阀”是否为关闭状态，提示“是否破膜”

(5)主夹膜放气，主夹膜和单夹膜的膜片破裂。经喷管后形成试验气体；

检查完毕，弹出“是否破膜”对话框，选择是，打开“主夹膜放气阀”。

(6)被驱动段放气，真空机组关闭，放空；

打开“被驱动段放气阀”、“驱动段放气阀”，关闭真空机组相应阀门，开启“试验段放气阀”。

(7)试验完毕

保持放气阀开启，其他阀门关闭。

5、试验报表

试验报表功能主要记录当前操作者，试验破膜时间以及对应的驱动段、双膜段和被驱动段的破膜时压力值。此功能记录点有两个判定方式：一是按下双膜段放气按钮时刻；二是没有按下按钮但自动破膜时刻，此时需要通过判断双膜段压力下降大于设定值X。

试验报表应具有自动导出功能，具体格式参照给定的参考文件。

所有压力传感器应当具有标定零点功能。

6、联锁要求

(1)破膜后被驱动段和驱动段压力相同，通过驱动段上高量程压力传感器(0～20MPa)判定压力超过1.5MPa时，被驱动段测量气路阀门1不能开启(防止在破膜后没有充分放气就打开测量气路阀门，导致传感器损坏)。

(2)被驱动段充气阀开启时，被驱动段真空和低压测量气路中阀门不能开启，无法手动开启。

(3)试验要求驱动段状态为X MPa，当驱动段充气达到0.8X MPa时，(此时已完成P3，P4压力调节)被驱动段测量气路阀门处于关闭，抽真空支路气动阀关闭。(防止膜片制造误差引起提前破膜)。

(4)被驱动段低压传感器超量程时，被驱动段测量气路阀门2关闭，并发出警报。

(5)驱动段和被驱动段及试验段设有多个传感器测量同一位置的，应当先开启大量程传感器，再根据实际值的变化通过切换阀门操作来选择显示适宜量程的传感器输出。

所有输入信息均设定范围限制，所有显示值均设定报警限制。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。