外文翻译译文-热校准风洞气体温度控制系统的设计与实现

热校准风洞气体温度控制系统的设计与实现ChaozhiCai,YunhuaLi,andSujunDong摘要：本文的设计与实现的热校准风洞的热气体温度控制系统。根据热校准风洞气体温度的控制要求，燃油供给系统基于变频调速控制技术和比例节流阀设计。为了提高控制系统的自动化水平，设计了计算机控制系统、包括PLC和工业的个人电脑。在此基础上分析了系统的动态特性，并建立系统的数学模型。解决系统的特点，DMC-PID串级控制法用于实现热校准风洞中气体温度的精确控制。一、简介热校准风洞(HCWT)是一种重要的实验系统，它是用于模拟热测试环境的高温和高速气流1。测试环境的高温和高速气流形成剧烈燃烧的高速气流和航空煤油在燃烧室一定的流量。高温、高速气流条件下的温度测试在航空航天技术领域是非常重要的，特别是在航空发动机的设计开发、检验和高温度传感器的动态校准。为了确保HCWT提供稳定的测试环境的温度，该气体需要HCWT的温度来有效地控制。考虑到在一定实验阶段内HCWT的气流速度是一个常数，所以气体的温度主要由燃料的流速决定。本文采用一种包括变频泵和比例节流阀来调节燃料热校准风洞中的流量，达到控制气体温度的要求，实现气体温度的控制方法。众所周知，温度是一个典型的过程控制参数，与一些典型的特征，例如大惯性、大滞后和时变性，因此精确地控制温度，存在一些困难;此外，HCWT的温度场由高速气体和煤油之间的化学反应（燃烧）产生的，这使得系统存在不确定性和外部干扰，并且较高的控制精度的要求和温度范围，使控制难度进一步增加。因此，它很难利用传统的控制方法达到令人满意的结果虽然最近开发的智能控制为过程控制带来了曙光，它的理论还不完善，是理论研究大于实际应用。因此，迫切需要一种控制方法是进行气体温度的精确控制。温度控制有着广泛的应用。Zhangetal.2开发了一种级联神经PID温度控制系统，用于控制过热蒸汽。Widdetal.3提出了基于物理模型通过均匀加料预测控制压缩点火燃烧的温度控制。Xuetal.4研究高温多相流风洞温度控制利用遗传算法整定PID参数，并解决长设置时间的PID参数，取得了良好的效果。Hanetal.5新增免疫遗传算法对BP神经网络PID控制器。Salahetal.6提出多回路模型的发动机热管理系统，并利用非线性控制方法实现温度控制。Kimetal.7研究了的气体通过使用增量模糊PI控制器精确控制燃气涡轮温度的数学模型难以建立。为实现HCWT的气体温度的精确控制，设计控制系统的气体温度为HCWT是本文包括燃料供给系统、现场PLC控制系统和远程PC控制系统。并在此基础上，在系统中的特性，如时延，难以建立精确的数学模型，DMC-PID串级控制规律，提出了实现HCWT的气体温度的精确控制。二、控制系统的工作原理该HCWT采用高速气流作为助燃剂，航空煤油为燃料在实验中，在燃烧的高温喷射流形成周围试样均匀和稳定温度场以及模拟高温测试环境试样中遇到高速气流。为了产生均匀、稳定的温度场，HCWT测试系统配备控制系统、燃油供给系统、空气流速系统和冷却系统等。HCWT气体温度控制系统的组成和工作原理如图1所示。整个系统由燃料供应子系统、控制子系统组成。燃料供应子系统包括电机泵、可变频率驱动器(VFD)、电液比例流量调节阀(EHPFV)、电磁阀、管道和齿轮流量计等。它提供航空煤油流量符合燃烧室的HCWT的要求。燃料供应子系统的操作程序如下：首先，启动系统和供应燃料点火器，然后，供应燃料燃烧室点火成功后，关闭点火燃料电路。控制子系统包括工业控制计算机(IPC)，可编程逻辑控制器(PLC)等。远程控制器IPC和PLC是域控制器。由流量计、流量信号发送到PLC和温度信号发送给温度采集的热电偶，然后这些信号将发送到IPC，通过485总线。考虑到PLC的操作能力是有限的，其具体的控制算法在IPC完成，然后IPC将向PLC发送控制命令，实现温度闭环控制VFD或EHPFV。图1HCWT的工作原理I系统设计HCWT气体温度控制系统的设计包括燃料供给系统、现场控制系统和远程IPC控制方案的设计。A.燃料供应系统的设计因为有很多类型HCWT，不同的HCWT有不同要求的温度控制，燃料流量有不同的要求。积算温度要求为每个风洞表明，HCWT组的温度控制范围是2002000，相应的燃料流量范围0.2-6.67L/min。对于燃料流量需求广泛，本文在燃料供应系统的设计中使用复杂的流量控制解决方案。即采用变频调速泵实现大流量的控制，并使用比例节流阀来实现小流量的控制。以下将介绍燃料供应系统的设计，从三个方面：功能，组成及工作原理。功能：提供燃料到三个不同风洞的燃烧室喷嘴，并确保燃料以满足测试要求的压力和流量速度。组成：设计的燃油供给系统的液压原理图图2所示。图中显示，它是由两个独立的燃料供应系统，即主要燃料供应系统和辅助燃料供应系统，可以提供燃料给主燃烧器和三个辅助燃烧室风洞。每个燃料供给系统由燃料箱、过滤器、泵、电液比例节流阀，电磁泄压阀、电磁阀、手动阀、止回阀、流量计、压力传感器、仪表和其他组件组成。图2燃油供给系统液压原理图工作原理：工作原理和控制主燃料供给系统和辅助燃料供应系统的过程是相同的，即变频泵控制和比例节流阀控制相结合的调节方案。燃料供给系统的工作原理是当流量设定的值较大(1.5L/min以上)，关闭EHPFV和由泵控制燃烧室的流量;流量设定的值时较小(1.5L/min以下)，在VFD的输出频率是一个恒定的值，并通过EHPFV安装在燃油电路的旁路控制流量的燃烧室。因为VFD和比例阀有更大的调节范围和更高的分辨率，可与闭环补偿流量来控制实现流量大规模和精确控制。液压原理图，图2所示，实际的燃料供应系统的实施。缸、泵、马达、机油过滤器，比例节流阀被安装在泵的房间里，如图3所示。电磁阀、流量计、压力传感器和手动截止阀分别安装在风洞实验的领域中，如图4所示。图3在水泵房设备图4在字段中的设备B.现场控制系统的设计现场控制系统采用PLC被广泛应用于工业控制系统作为控制器。PLC电气控制系统的主要作用是实现燃料供给系统，启动停止状态监控系统，报警和燃料流量的闭环控制。为了完成控制系统的安装，设计了燃料控制柜。控制系统的主要组件被安装在燃料控制柜：这些组件包括PLC及其扩展模块，按钮，灯，文本显示仪表，数字显示仪表，继电器，温度采集仪器仪表。此外，为了防止电磁干扰，一个VFD柜设计安装变频器和其他强大的电器元件。VFD柜和燃料控制柜由若干三芯电缆连接，并可以从PLC的控制信号传输到VFD。本文中的PLC模块是西门子S7-200，由于大量的信号在系统中，因此，设计的系统，选择多个PLC模块时，这些PLC模块包含一个主模块CPU226，两个EM222继电器输出模块，一个EM223数字量输入/输出模块，两个EM232模拟量输出模块和两个EM231模拟量输入的模块。燃料控制柜和VFD柜的实际画面显示于图5和图6所示。C.远程IPC控制程序的设计PLC控制系统有许多优点，如可靠性高，灵活的系统设计，易于控制，抗干扰能力强和较高的性价比等优点。但是，它也有缺点，其中之一是PLC控制系统的接口主要是由组成的按钮、开关、灯等，各种数据曲线不能实时显示。第二个是PLC的编程能力有限，所以一些复杂的控制算法不能由它实现。因此，在实现PLC控制系统的基础上，IPC控制系统的开发是为了继承和扩展PLC的功能。在本文中，远程监测和控制该HCWT的气体温度的系统开发中使用VC+作为一种开发语言MFC。图5燃油控制柜图6变频控制柜根据系统的要求，本文远程监测和控制系统需要以下功能：(1)读取数字PLC模块的输出状态，以获取在IPC系统的各种运行状态，确保正确显示的各种状态;（2）读取PLC的寄存器的值所对应流量、压力和频率，以确保在IPC正确显示的这些重要的物理参数;（3）发送命令到PLC，即写入一个值到PLC寄存器中，以便远程计算机控制系统可以控制PLC和实现其功能，如系统启停、点火、控制流量;（4）读取温度寄存器仪表的值，从而使风洞内的气体温度以曲线形式显示在IPC界面中；（5）实现了燃料流量和气体的温度的控制算法，并将算法输出值发送到PLC，以控制变频器或EHPFV，从而实现燃料流量和气体温度控制。远程监测与控制系统的主界面如图7所示。图7远程控制系统主界面系统建模A燃料供应系统的流量模型因为燃料供应系统有两种不同模式的操作，泵控制模式和EHPFV控制模式，因此，将分别建立每个模式下的数学模型。传递函数之间的泵的输出流量qp和输入的电压的VFDp，可以通过引用文献8-9泵控制模式下Kint是电压频率比;Kf是增益频率f与VFD的输入的控制电压Up之比；Dp是泵的位移，单位m3/r；JT是是电机轴的转动惯量，单位kg*m2;mp是电机极对数;R2是转子的等效电阻，单位；BT是电机轴的阻尼系数，单位N*m*s/rad。我们认为该比例阀为一阶惯性和比例放大器作为EHPFV控制模式下的比例部分，然后输出流量的比例阀qv和比例放大器的输入的电压uv之间的传递函数可以表示为Kpv是EHPFV的阀芯位移驱动系数，单位m*A-1;Cvd是EHPFV的流量系数；Kvi是EHPFV的放大器增益，单位A*V-1;W是EHPFV的地区梯度，单位m;Tp1是EHPFV的时间常数；oil是燃料密度，kg/m3;Pv是EHPFV的操作压，单位MPa。因为HCWT的燃烧室的燃料流量等于所述泵的输出流量减去EHPFV的输出流量，因此，燃料供给系统的整体流量模型可以表示为B.燃烧室的温度模型该HCWT可以作为集中的参数系统，根据能量守恒的定律，认为系统温度有秒的时间延迟，因此，气体的温度和燃料流量之间的传递函数可参照文献10。它可以表示为H是热值的燃料，J/kg;V是燃烧室的体积，m3;p是燃烧室的气体密度，kg/m3;Cp是燃烧室的气体比热容，J(kg*)；inair是输入空气的密度，kg/m3;qinair是输入空气的流量，m3/s；K是燃烧室壁的传热系数，W/（m2*）;A1是燃烧室壁换热面积，m2；water是冷却水的密度，kg/m3;qwater是冷却水的流量，m3/s;Cwater是冷却水的比热容，J/（kg*）;和是比例因子。三、控制器的设计A.控制系统方案整个系统的控制方案如图8所示。它是一个典型的串级控制系统。内环控制系统以流量作为控制目标和外环控制系统以温度为控制目标。外环控制系统的输出是输入的内部控制系统，形成了一种串级控制系统。图8系统的控制方案B.内部循环流量控制器的设计从第四节A的模拟结果来看，燃料供应系统的流量模型在两种控制模式，是一个简单的一阶惯性系统，因此，为了简单起见，本文选择其中应用最广泛的PID控制律在实践中使用该算法作为控制器内部循环流量。由于增量式PID控制规律应用在最广泛地的计算机控制系统，本文选取的增量式PID控制规律作为控制器，其方程可参照文献11。Kp、Ki、Kd是比例、积分、微分系数。从(5)和(6)，增量式PID算法作为计算机控制系统的执行是非常方便的，因为它只需要存储最后三个采样误差e(k)、e(k-1)和e（k-2）。C.外层循环温度控制器的设计从第四节B的模拟结果来看，该系统的温度模型是一个纯时滞的系统，模型不够精确，因为在建模过程中有一些假设。此外，该系统的温度模型也是不确定的系统参数；因为这些系统参数是不在相同的马赫数（风速）。该系统的两个特点增加了系统的控制难度。所以很难通过使用简单的PID控制规律获得了令人满意的控制效果。DMC（动态矩阵控制）是一种基于阶跃响应被控对象的模型预测控制算法。该方法有一些特性，例如大时滞、多变量、不确定性、强耦合和难以建立精确的数学模型，并已成功应用在许多工业过程控制系统12。因此，本文选择DMC法作为外回路温度控制器。DMC控制法由三部分组成，即模型预测，滚动优化和反馈校正。模型预测控制主要用于预测模型的未来输出。在第一阶段的模型预测，样品1，2，.，aN的阶跃响应需要系统获得。假设该系统将k的时间点yp0(k）作为初始输出值，u（k）是在k时间点处的控制增量，yp0(k）（k+i），0=i=P是未来P时间点的初始输出值，以及当在K时间点没有控制增量的范围。该当有M控制未来的P时间点增量M，系统在这样的预测下输出值uM（K），uM（K+1），.，uM（K+M-1），在K时间点可以表示为其中N是建模的时域;P是预测的时间域;M是控制的时域;yp0(k）是在未来的P时间点的系统的预测的输出；uM（K）是从这个时间点M控制增量;A称为动态矩阵，其元素是阶跃响应系统描述的动态特征系数。它可以表示为滚动优化主要根据最优性能指标用于计算控制增量。最优指标可以表示为在q和r加权系数，代表跟踪误差的抑制和增量的控制。输出控制增量可以得出上述最优指标反馈校正用来纠正模型预测误差。方法是：首先使用uM(k)的第一个元素来计算控制输出，并预测未来该系统的输出yn1(k)和该系统可以通过控制输出的实际的输出y(k+1)，然后可以由预测误差的第一个元素yn1(k)计算出，即yn1(k+1|k)(k)即1y(1k)。它可以表示为因此，使用加权系数我hi(i=1，2，.，N)，可以获得如下预测值的校正值：四、实验在本节中，实验研究已通过使用该控制系统和控制方法进行本文设计的HCWT。阶跃响应系数和DMC的相关参数在表I中给出。因为设计的燃料供应系统有两种不同的操作模式，即高温度和流量大情况下使用泵控制模式，在温度低和流量小情况下，使用比例节流阀控制方式。所述HCWT气体温度的控制是在两种模式分别实现。气体温度阶跃响应的结果从1100到1300（风洞的类型是900-1700风洞）在泵控制模式显示在图9中，气体温度从400到600（风洞的类型是400-900风洞）在比例节流阀控制模式下阶跃响应结果显示在图10。从实验结果中，可以看出：在泵模式中，系统的响应时间是大约15秒，温度的稳态误差大约为10，温度无超调；在阀模式中，该系统的响应时间是大约30秒，温度的稳态误差大约为10，温度无超调。响应时间的差异是由不同的控制模式和不同类型的两个实验风洞引起的。从整体实验的结果，可以看出，本文设计的DMC-PID串级控制方法，可以实现的HCWT气体的温度控制，控制精度是10左右。表一DMC的相关参数图9在泵控制模式下的实验结果图10在阀门控制模式的实验结果五、结论在本文中，首先，气体温度自动控制系统设计了根据控制要求的气体温度和热校准风洞的气体温度控制中的实际问题。控制系统的设计包括设计的燃料供给系统、现场控制系统和远程IPC控制程序的设计。然后建立了外环内环和温度模型中的流量模型，并分析了该系统的动态特性。在此基础上，根据系统模型的特点提出了DMC-PID串级控制方案。最后，该实验结果是在两个不同的控制下进行，通过使用该控制算法模式。实验结果表明：所提的串级控制算法在两种不同的控制模式的控制精度为10左右，温度有无超调;由于不同的控制模式和不同类型的两个实验风洞，这两个实验的响应时间是不同的，系统的响应时间为约15秒的泵模式（风洞的类型是900-1700的风洞）和30秒在阀模式（风洞的类型是400-900风洞）。参考文献1S.Zhao,L.Liao,andY.Chen,“1700CHotwindtunnel,”AviationMetrology&MeasurementTechnology,vol.20,pp.3-6,Apr.2000.2J.Zhang,F.Zhang,M.Ren,G.HouandF.Fang,“Cascadecontrolofsuperheatedsteamtemperaturewithneuro-PIDcontroller,”ISATransactions,vol.51,pp.778-785,June.2012.3A.Widd,K.Ekholm,P.TunestlandR.Johansson,“Physics-basedmodelpredictivecontrolofHCCIcombustionphasingusingfastthermalmanagementandVVA.”IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,vol.20,pp.688-699,March.2012.4T.Xu,X.PuandZ.Yuan,“ApplicationofPIDparametersettingbasedonageneticalgorithminahigh-temperaturemultiphaseflowwindtunnel,”JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower,vol.25,pp.414-417,Apr.2010.5L.HanandZ.Zhang,“TheapplicationofimmunegeneticalgorithminmainstreamtemperatureofPIDcontrolofBPnetwork,”PhysicsProcedia24,partA,pp.80-86,2012.6M.Salah,T.Mitchell,J.Wagner,andD.Dawson,“Nonlinearcontrolstrategyforadvancedvehiclethermalmanagementsystems,”IEEETransVehTechnol,v