風洞高壓供氣系統(tǒng)及流量精確控制技術(shù)

康洪銘, 陳輔政, 宋 晉, 唐 領(lǐng)

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

引言

進氣道、流動控制、動力模擬、推力矢量等風洞試驗為我國戰(zhàn)斗機、運輸機、轟炸機等飛行器進氣道的設(shè)計和優(yōu)化,進發(fā)匹配的研究和評估提供重要的試驗參數(shù)[1-2]。隨著試驗技術(shù)朝著精細化方向的發(fā)展,高壓供氣系統(tǒng)作為進氣道等風洞試驗的關(guān)鍵設(shè)備,發(fā)揮著舉足輕重的作用,將直接影響到試驗數(shù)據(jù)的準確性[3-4]。

目前常用的模擬調(diào)節(jié)閥綜合誤差普遍偏高,約為0.5%,實際有效的可調(diào)比通常只有30～60[5-6]。另外,模擬調(diào)節(jié)閥還存在閥門死區(qū)、控制滯后、密封泄漏等不足,因此很難滿足控制精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、可靠性強等試驗要求。近年來,基于脈沖寬度調(diào)制PWM、脈沖編碼調(diào)制PCM等數(shù)字閥,作為新式的流量控制閥門發(fā)展迅猛,在各行各業(yè)發(fā)揮了重要的作用[7-11],但仍存在一定的不足。其中,PWM數(shù)字閥中的開關(guān)電磁閥一直在高頻切換,密封件磨損容易造成泄漏,閥門的流通能力普遍偏低,并且產(chǎn)生大量的高頻噪聲。PCM數(shù)字閥是一種有級控制,輸出的流量是離散的,小口徑噴嘴的加工誤差難以避免,在閥位剛好處于進位或退位時極易發(fā)生振蕩,不同流通系數(shù)的電磁閥通徑不一致,其響應(yīng)時間就有差異,會影響電磁閥開關(guān)的同步性,難以保證控制精度。

為解決上述問題,在FL-12風洞設(shè)計了一種流量精確控制的高壓供氣系統(tǒng),能夠克服傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥和數(shù)字閥的缺陷,進一步提高流量的控制范圍和精度,為風洞進氣道等試驗提供重要保障。

1 工作原理

高壓供氣系統(tǒng)采用了兩級調(diào)節(jié)的方案,其工作原理如圖1所示。第一級采用ER5000控制器和先導比例閥驅(qū)動2臺薄膜式減壓閥將13～22 MPa的高壓氣源減壓至6～10 MPa,其調(diào)節(jié)壓力根據(jù)需求設(shè)定,同時在保證有足夠的流通能力的前提下,壓力能保持恒定。第二級采用PCM數(shù)字閥和等百分比流量特性的針型閥組成的流量調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)流量的精確控制。

圖1 高壓供氣系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of high pressure gas supply

在第二級流量調(diào)節(jié)過程中,以PCM數(shù)字閥作為基準流量,調(diào)節(jié)針型閥的開度,從而對輸出流量進行精確控制。因此,數(shù)字閥不需要設(shè)計眾多的閥位和喉道面積足夠小的噴嘴,在一定的流量調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi),所有電磁閥的開關(guān)狀態(tài)保持不變,可避免頻繁切換帶來的控制振蕩?？紤]到針型閥在小開度和全開這兩個階段的調(diào)節(jié)性能欠佳,因此在實際應(yīng)用時,將閥門開度范圍控制在30%～80%區(qū)間內(nèi),該范圍是針型閥最佳的控制區(qū)間,性能最好[12]。數(shù)字閥和針型閥均采用臨界流文丘里噴嘴,控制兩者各自的喉道面積,共同實現(xiàn)流量的高精確、寬范圍的調(diào)節(jié)。

為防止試驗過程中流量的寬范圍調(diào)節(jié)等因素造成高壓減壓閥的閥后壓力產(chǎn)生較大波動,在減壓閥與流量調(diào)節(jié)裝置之間增加了大容量的空氣緩沖器,可有效進行濾波,提高流量控制的穩(wěn)定性。為調(diào)節(jié)氣流的出口溫度,在流量調(diào)節(jié)裝置后端增加2臺氣動調(diào)節(jié)閥,將氣流分為2條支路,其中一條支路串有換熱器可加熱氣流,通過控制兩條支路的氣流比例從而快速調(diào)節(jié)混合后的氣流溫度。

流量計主要由蜂窩器、阻尼網(wǎng)、喉道、總壓探頭、靜壓探頭等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,由六邊形蜂窩器和雙層阻尼網(wǎng)構(gòu)成的整流器,可以將凌亂的氣流理順,改善流場質(zhì)量,提高測量精度。由于要兼顧不同測量范圍的精度需求,以及在不同試驗狀態(tài)下要滿足喉道達到音速的條件,因此設(shè)計了多個不同喉道面積的流量計進行切換和匹配,可保證在不同區(qū)間內(nèi)都具有較好的測量精度。

圖2 文丘里流量計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Venturi flowmeter structure diagram

2 關(guān)鍵設(shè)備

2.1 高壓減壓閥

高壓減壓閥的工作原理如圖3所示。通過遠程控制器將壓力信號設(shè)定值發(fā)送給電子式壓力控制器ER5269,把電信號轉(zhuǎn)化為壓力信號,再通過先導比例閥26-2065將壓力放大至6～10 MPa,然后分別輸出至2個薄膜式減壓閥26-1261的控制氣室,該壓力調(diào)節(jié)閥芯與閥座的間隙,使閥后壓力上升或者下降,同時調(diào)節(jié)閥反饋氣室施加與控制氣室相反的作用,當兩者作用平衡時閥后壓力穩(wěn)定。

圖3 高壓減壓閥原理圖Fig.3 Principle diagram of high pressure reducing valve

由于減壓閥26-1261后端有大容量的空氣緩沖器,壓力調(diào)節(jié)會存在遲滯現(xiàn)象,因此減壓閥采用外部引壓的方式,在空氣緩沖器頂部選取測壓點作為調(diào)節(jié)閥的反饋壓力,同時通過壓力傳感器實時采集壓力信號,利用遠程控制器進行PID控制,可精確調(diào)節(jié)閥門的出口壓力。為保證系統(tǒng)和設(shè)備安全,在減壓閥前配套了高壓氣動球閥可快速切斷上游壓力。

2.2 PCM數(shù)字閥

PCM數(shù)字閥支路的結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括電磁閥、高壓軟管、文丘里噴嘴、連接件和密封件等。通過遠程自動切換電磁閥的開關(guān)狀態(tài),控制各個支路氣流的通斷,組合得到需要的流量。當所有電磁閥全開時,流經(jīng)全部噴嘴的流量為最大流量,流經(jīng)最低位噴嘴的流量為最小流量。

圖4 數(shù)字閥支路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Digital valve branch structure diagram

數(shù)字閥的噴嘴采用帶擴散管的臨界流文丘里噴嘴,相比標準噴嘴而言,可顯著提高出口的臨界壓力,避免較大壓力損失。根據(jù)文獻[13],噴嘴擴散段與喉道的面積比值定為4,當噴嘴出口壓力低于入口壓力的89%,即可滿足臨界狀態(tài)條件,此時噴嘴喉道的流速可達到音速,在理想狀態(tài)下,流經(jīng)噴嘴的流量可由噴嘴入口壓力、噴嘴入口溫度和喉道面積計算得到,其計算公式如式(1)所示:

(1)

式中,P0—— 噴嘴入口壓力,Pa

T0—— 噴嘴入口溫度,K

A*—— 喉道面積,m2

PCM數(shù)字閥由四個二進制排列組合的支路構(gòu)成。在入口壓力10 MPa、入口溫度20 ℃、總流量7.5 kg/s的設(shè)計條件下,按照4位二進制計算,可以得到各噴嘴的喉道面積,如表1所示。

表1 數(shù)字閥各噴嘴喉道面積分配表Tab.1 The throatarea distribution table of digital valve

2.3 針型閥

針型閥的結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要包括腔體、作動筒、孔板、套筒、喉道、閥芯等部分。通過閥芯的直線運動改變針型閥喉道的節(jié)流面積,從而實現(xiàn)針型閥的流量控制。通過閥芯的直線運動改變針型閥喉道的節(jié)流面積,從而實現(xiàn)針型閥的流量控制。因此,閥芯的曲面設(shè)計和有效行程直接關(guān)系到流量的分辨率和控制精度。另外,為提高閥芯運行的穩(wěn)定性,在閥芯的上游采用了圓筒孔板進行整流,可有效降低腔體內(nèi)氣流的不均勻度。為避免作動筒等部件安裝在管道內(nèi)從而增加安裝和維修難度,針型閥入口和出口進行了錯位設(shè)計,作動筒安裝在管道外,通過套筒與閥芯尾部相連,并用雙層O形圈進行密封。

圖5 針型閥結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of needle valve

閥門相對流量與閥芯相對位移之間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性,如式(2)所示。相比拋物線和直線等其他流量特性,等百分比特性的調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定、效果更好[14-15]。當閥門流量較小時流量變化小,當閥門流量較大時流量變化大。因此,選用等百分比的流量特性在不同的開度上具有相同的調(diào)節(jié)精度,非常適合針型閥的設(shè)計要求。

(2)

式中,qV/qVmax—— 調(diào)節(jié)閥某開度與全開條件下流量的比值

l/L—— 調(diào)節(jié)閥某開度與全開條件下長度的比值

R—— 調(diào)節(jié)閥的理想可調(diào)比

由于針型閥的節(jié)流面積為喉道面積與在喉道處閥芯截面積之差,因此按照等百分比流量特性,可將閥芯的曲面曲線設(shè)計為:

(3)

式中,D—— 閥門喉道直徑,mm

r—— 閥芯半徑,mm

針型閥設(shè)計的最大流量為1 kg/s,由式(1)可以計算得到喉道直徑為7.34 mm。針型閥閥芯的有效行程不應(yīng)過小,以保證其具備較高的分辨率,但行程過大會大幅增加閥門整體長度。在實際應(yīng)用中,經(jīng)綜合考慮選取喉道直徑10倍的長度作為閥芯有效行程。

3 控制策略

3.1 流量控制原理

高壓供氣系統(tǒng)控制原理如圖6所示。遠程控制器分別給定高壓減壓閥的調(diào)節(jié)壓力信號和試驗需要的流量信號,壓力調(diào)節(jié)器實現(xiàn)減壓閥調(diào)節(jié)壓力的閉環(huán)控制,流量調(diào)節(jié)器精確控制數(shù)字閥各閥位的開閉狀態(tài)和針型閥閥芯的行程位置。當試驗需要系統(tǒng)提供穩(wěn)定的出口壓力時,可將壓力折算至流量,通過控制流量達到控制壓力的目的。

圖6 供氣系統(tǒng)控制原理圖Fig.6 Gas supply system control schematic diagram

在流量控制中,首先直接給定流量值或由壓力轉(zhuǎn)換成流量值,然后計算出其與流量計測得的實際流量的差值,再經(jīng)流量調(diào)節(jié)器輸出控制值,最后根據(jù)針型閥調(diào)節(jié)區(qū)間為30%～80%的原則,確定PCM數(shù)字閥和針型閥各自的流量。當流量給定值低于0.8 kg/s,數(shù)字閥不動作,此時只控制針型閥的開度;當流量給定值大于0.8 kg/s,數(shù)字閥則依據(jù)不同控制區(qū)間對每個電磁閥進行開關(guān)控制,并在此基礎(chǔ)上控制針型閥的開度,數(shù)字閥不再進行進階或退階操作。如果試驗要求的流量值低于0.3 kg/s,為保證針型閥也能處于最佳的調(diào)節(jié)區(qū)間,可通過降低高壓減壓閥的輸出壓力來實現(xiàn)。由于針型閥在相同閥位的情況下,前端壓力降低,流量會正比例減小,因此可以滿足小流量的精度要求。

3.2 流量控制算法

通過分析高壓供氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和流量特性曲線,可將其傳遞函數(shù)簡化為帶純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性函數(shù),其時間常數(shù)與供氣管道的長度、容積和后端的換熱器、過濾器、流量計等因素有關(guān)。由于流量調(diào)節(jié)范圍較寬,同時壓力和流速等因素對傳遞函數(shù)的參數(shù)影響較大,試驗過程中負載的變化也會帶來較大的擾動,因此很難準確建立控制模型。

為滿足流量快速、精確和寬范圍的試驗要求,系統(tǒng)設(shè)計了自整定非線性PID控制算法,在一定范圍內(nèi),比例、積分和微分三個控制參數(shù)可實現(xiàn)自整定。該控制算法三個參數(shù)的定義如下:

(1) 比例增益參數(shù)kp:當系統(tǒng)偏差較大時,kp應(yīng)增大,提高響應(yīng)速度;當系統(tǒng)偏差較小時,kp應(yīng)減小,降低超調(diào)量。因此,kp的非線性函數(shù)可表達為:

kp=kp1+kp2[exp(kp3e(t))+exp(-kp3e(t))]

(4)

其中,kp1,kp2,kp3為正實數(shù),kp的取值為[kp1,kp1+kp2],kp的變化速率由kp3決定。

(2) 積分增益參數(shù)ki:當系統(tǒng)偏差較大時,ki不能過大,避免積分飽和,進而影響動態(tài)性能和穩(wěn)定性;當系統(tǒng)偏差較小時,ki應(yīng)適當增大,消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此,ki的非線性函數(shù)可表達為:

(5)

其中,ki1,ki2為正實數(shù),ki的最大值為ki1,ki的變化速率由ki2決定。

(3) 微分增益參數(shù)kd:當系統(tǒng)負偏差偏大時,在不降低響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上,kd應(yīng)當緩慢增大,可有效抑制超調(diào)的產(chǎn)生;當系統(tǒng)正偏差較大時,kd應(yīng)當逐步減小,并對kd應(yīng)該進行一定限制。因此,kd的非線性函數(shù)可表達為:

(6)

其中,kd1,kd2,kd3,kd4為正實數(shù),kd的取值為[kd1,kd1+kd2],kd的變化速率由kd4決定。

該算法參數(shù)較多,需要大量的實操經(jīng)驗和調(diào)試能力。若參數(shù)設(shè)置合理,可具有較快的響應(yīng)速度和較強的調(diào)節(jié)能力,從而顯著提高控制精度和動態(tài)性能。

4 測試

該高壓供氣系統(tǒng)在FL-12風洞進行安裝調(diào)試后,進行了全面的性能測試。該供氣系統(tǒng)的流量動態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線由圖7所示,其流量調(diào)節(jié)范圍達到0.1～8 kg/s,調(diào)節(jié)時間控制在15 s以內(nèi),超調(diào)量小,幾乎無控制振蕩現(xiàn)象。流量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線由圖8所示,流量控制的絕對精度為±3 g/s,相對控制精度為0.04%。

圖7 流量動態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線Fig.7 Flow dynamic regulating characteristic curve

圖8 流量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性曲線Fig.8 Flow steady regulating characteristic curve

5 結(jié)論

(1) 該高壓供氣系統(tǒng)的設(shè)計是成功的,具有流量調(diào)節(jié)范圍寬、控制精度高、動態(tài)特性好等特點,目前已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多的進氣道、動力模擬等風洞試驗,為我國進氣道和氣動布局的設(shè)計和優(yōu)化提供了可靠的試驗數(shù)據(jù)和有力的支撐;

(2) 采用兩級調(diào)節(jié)方案,綜合利用了高壓減壓閥的精確調(diào)壓能力、PCM數(shù)字閥的流量拓展能力,以及針型閥在中間區(qū)域的流量控制能力,能夠有效彌補采用單一的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥、PWM數(shù)字閥和PCM數(shù)字閥等帶來的不足;

(3) 針型閥的調(diào)節(jié)區(qū)間限定在30%～80%,該區(qū)間閥門調(diào)節(jié)性能最好,可避免在小開度和全開階段帶來的影響。另外,采用等百分比流量特性可保證在不同閥芯位置處都有較高的流量控制精度;

(4) 流量控制性能不再受限于不同口徑電磁閥開閉時間差帶來的響應(yīng)時間差異,以及不同喉道加工精度造成的控制偏差。如果要進一步擴寬流量調(diào)節(jié)范圍,則只需要增加數(shù)字閥閥位,可具有較大的應(yīng)用前景。