風沙環境風洞測控系統設計

呂運國

【摘 要】 風沙環境風洞測控系統是以即工業控制計算機為核心，通過PLC完成系統對風機的控制指令輸出、反饋信號的輸入、數據的采集等；通過數據采集卡完成系統對實驗段各截面流場數據的采集；通過伺服控制系統完成系統對實驗段移測架和轉盤的控制；系統的軟件在VB6.0的編程環境下編制，實現了風洞風速的閉環控制、流場品質的測量、實驗件方向的控制等。

【關鍵詞】 風洞 風速 數據采集 伺服系統

風沙環境風洞是一座直流下吹式低速風洞。試驗段尺寸：寬×高×長=1.5m×1m×12m；風速范圍：最大風速40m/s；收縮比1：4；這里主要是其測控系統的設計。

1 測控系統框圖（見圖1）

2 測控系統方案

根據直流式低速邊界層風洞的技術及使用要求，該風洞風速調節精度較高。對風洞的動力系統和測量系統提出較高的要求，即在3m/s以上風速時，風洞的動力系統和測量系統能實現風速穩定、連續調節和風速的測量。

2.1 系統組成及特點

風洞測控系統主要分為：微機測控系統、動力控制系統、伺服控制系統、測量傳感器等。

（1）微機測控系統；微機測控系統包含工控機、高速A/D采集卡、打印機等。微機系統作為測控系統的核心，主要作用為：數據的采集、處理、管理、以及對系統各部分間的控制。為保證系統能在復雜的實驗環境下安全、穩定、可靠地工作并最終實現實驗目的，上位機采用具有主流配置的工業控制計算機。為了采集實驗段內各個截面中附面層中多個點上的壓力分布，系統采用工業級16位32通道超高速數據采集卡，確保試驗數據測量精度及采集的實時性。通過高速采集卡采集回的數據通過上位機軟件處理后保存在相應的數據庫文件中。（2）動力控制系統；動力控制系統主要由變頻電機和變頻調速器，可編程控制器（PLC）和人機界面組成。系統通過變頻調速器對變頻電機的轉速，轉矩進行控制，從而實現對風速的連續控制。而各種參數，包括變頻調速器的設定頻率、風速的顯示、以及對伺服電機的控制等操作均由人機界面完成。人機界面通過與PLC通訊完成變頻調速器對電機進行控制和調速。風速由風速傳感器和皮托管測量完成后，通過PLC的A/D模塊或上位機的AD采集卡采集和處理，然后人面界面讀取PLC中的風速值，也可以通過上位機軟件界面讀取當前風速或壓力值以及實驗時所需要的各項參數。實驗中可對所測得的數據存入數據庫，以待實驗后進行分析和處理。PLC和人機界面是動力系統的控制單元，主要用于動力系統的控制、風洞風速的平滑調節、穩風速的控制及動力系統工作參數設置、工作狀態的顯示等。（3）伺服控制系統；上位機通過伺服控制系統實現對轉盤或移測架的控制。伺服系統采用的是全數字式交流伺服系統，與以往交流伺服不同之處在于，它以16位微處理器為控制核心，采用數字式速度、位置反饋方式，使系統性能大為提高，可完成精確的速度、位置控制。數字式交流伺服系統具有控制精度高、低頻特性好、頻矩特性好、過載能力強、運行性能穩定、速度響應快等優點。（4）測量傳感器；該系統所用傳感器包括：高精度微差壓傳感器、測量風速的風速傳感器、測量環境的溫濕傳感器等。

2.2 系統功能

（1）穩風速功能；由于系統采用了矢量控制變頻調速裝置，利用光柵碼盤與變頻器之間形成閉環控制，使該動力系統在整個風速范圍內，具有很高的穩風速性能，能夠更快的實現風速的穩定調節，實現風速精度要求。（2）轉盤及移測架控制功能；轉盤和移測架的控制均是通過伺服控制系統完成的，因伺服控制系統具有高精度、低頻特性好等特性，所以可以很好地完成對轉盤和移測架的控制； 轉盤可順或逆時針方向轉動。移測架可以向前和向后兩方向運動。移測架和左右運動是通過手動控制的。（3）數據采集和處理功能；系統可以通過上位機AD采集卡、PLC的AD模塊等能實時采集由傳感器傳送來的風速、壓力分布等參數。并通過上位機軟件對數據進行處理。（4）狀態顯示、報警功能；系統能在上位機軟件、人機界面上顯示系統工作狀態，并能對故障信息報警。給出聲光報警信號。（5）監控系統；該系統具有監控功能，可通過現場的四個彩色攝像頭對所需要的位置進行實時監控，監控畫面可以通過現場的液晶顯示器中觀測。（6）模擬自然風沙環境；該系統中，可通過實驗段前端的漏沙器，給實驗段中連續漏入實驗所需要的沙土等，實驗段中可放置需要試驗的模型或產品。當風機通過變頻器啟動后，達到一定風速的風通過漏沙部位時可帶動沙土揚起，以達到模擬自然環境中風沙的效果。

2.3 系統軟件

上位機軟件主要用于風速、壓力及試驗相關數據的采集和處理，以及對風速的實時調節等。系統軟件采用以Windows為平臺的VB6.0軟件編制。其功能及特點為：直觀、方便、能實時顯示系統當前的試驗狀態；具有參數設置功能，可對傳感器參數、試驗狀態等設置；控制功能，可對控制單元發送控制指令以實現對變頻調速器和伺服系統的控制；存儲、打印功能，軟件具有數據庫管理功能，很方便地對試驗數據進行存儲、查詢及打印。

3 結語

設計完成了風沙環境風洞的系統控制、數據的采集和處理。系統的實現方式簡單、控制精度好、人機交互方便且簡單、使用和維護方便、實用性強；經多次實驗證明，系統運行穩定、測量數據準確、達到了設計指示。

參考文獻：

[1]楊晶.VB6.0程序設計.機械工業出版社，2004.1.

[2]王勛年.低速風洞試驗.國防工業出版社，2002.7.endprint

【摘 要】 風沙環境風洞測控系統是以即工業控制計算機為核心，通過PLC完成系統對風機的控制指令輸出、反饋信號的輸入、數據的采集等；通過數據采集卡完成系統對實驗段各截面流場數據的采集；通過伺服控制系統完成系統對實驗段移測架和轉盤的控制；系統的軟件在VB6.0的編程環境下編制，實現了風洞風速的閉環控制、流場品質的測量、實驗件方向的控制等。

【關鍵詞】 風洞 風速 數據采集 伺服系統

風沙環境風洞是一座直流下吹式低速風洞。試驗段尺寸：寬×高×長=1.5m×1m×12m；風速范圍：最大風速40m/s；收縮比1：4；這里主要是其測控系統的設計。

1 測控系統框圖（見圖1）

2 測控系統方案

根據直流式低速邊界層風洞的技術及使用要求，該風洞風速調節精度較高。對風洞的動力系統和測量系統提出較高的要求，即在3m/s以上風速時，風洞的動力系統和測量系統能實現風速穩定、連續調節和風速的測量。

2.1 系統組成及特點

風洞測控系統主要分為：微機測控系統、動力控制系統、伺服控制系統、測量傳感器等。

（1）微機測控系統；微機測控系統包含工控機、高速A/D采集卡、打印機等。微機系統作為測控系統的核心，主要作用為：數據的采集、處理、管理、以及對系統各部分間的控制。為保證系統能在復雜的實驗環境下安全、穩定、可靠地工作并最終實現實驗目的，上位機采用具有主流配置的工業控制計算機。為了采集實驗段內各個截面中附面層中多個點上的壓力分布，系統采用工業級16位32通道超高速數據采集卡，確保試驗數據測量精度及采集的實時性。通過高速采集卡采集回的數據通過上位機軟件處理后保存在相應的數據庫文件中。（2）動力控制系統；動力控制系統主要由變頻電機和變頻調速器，可編程控制器（PLC）和人機界面組成。系統通過變頻調速器對變頻電機的轉速，轉矩進行控制，從而實現對風速的連續控制。而各種參數，包括變頻調速器的設定頻率、風速的顯示、以及對伺服電機的控制等操作均由人機界面完成。人機界面通過與PLC通訊完成變頻調速器對電機進行控制和調速。風速由風速傳感器和皮托管測量完成后，通過PLC的A/D模塊或上位機的AD采集卡采集和處理，然后人面界面讀取PLC中的風速值，也可以通過上位機軟件界面讀取當前風速或壓力值以及實驗時所需要的各項參數。實驗中可對所測得的數據存入數據庫，以待實驗后進行分析和處理。PLC和人機界面是動力系統的控制單元，主要用于動力系統的控制、風洞風速的平滑調節、穩風速的控制及動力系統工作參數設置、工作狀態的顯示等。（3）伺服控制系統；上位機通過伺服控制系統實現對轉盤或移測架的控制。伺服系統采用的是全數字式交流伺服系統，與以往交流伺服不同之處在于，它以16位微處理器為控制核心，采用數字式速度、位置反饋方式，使系統性能大為提高，可完成精確的速度、位置控制。數字式交流伺服系統具有控制精度高、低頻特性好、頻矩特性好、過載能力強、運行性能穩定、速度響應快等優點。（4）測量傳感器；該系統所用傳感器包括：高精度微差壓傳感器、測量風速的風速傳感器、測量環境的溫濕傳感器等。

2.2 系統功能

（1）穩風速功能；由于系統采用了矢量控制變頻調速裝置，利用光柵碼盤與變頻器之間形成閉環控制，使該動力系統在整個風速范圍內，具有很高的穩風速性能，能夠更快的實現風速的穩定調節，實現風速精度要求。（2）轉盤及移測架控制功能；轉盤和移測架的控制均是通過伺服控制系統完成的，因伺服控制系統具有高精度、低頻特性好等特性，所以可以很好地完成對轉盤和移測架的控制； 轉盤可順或逆時針方向轉動。移測架可以向前和向后兩方向運動。移測架和左右運動是通過手動控制的。（3）數據采集和處理功能；系統可以通過上位機AD采集卡、PLC的AD模塊等能實時采集由傳感器傳送來的風速、壓力分布等參數。并通過上位機軟件對數據進行處理。（4）狀態顯示、報警功能；系統能在上位機軟件、人機界面上顯示系統工作狀態，并能對故障信息報警。給出聲光報警信號。（5）監控系統；該系統具有監控功能，可通過現場的四個彩色攝像頭對所需要的位置進行實時監控，監控畫面可以通過現場的液晶顯示器中觀測。（6）模擬自然風沙環境；該系統中，可通過實驗段前端的漏沙器，給實驗段中連續漏入實驗所需要的沙土等，實驗段中可放置需要試驗的模型或產品。當風機通過變頻器啟動后，達到一定風速的風通過漏沙部位時可帶動沙土揚起，以達到模擬自然環境中風沙的效果。

2.3 系統軟件

上位機軟件主要用于風速、壓力及試驗相關數據的采集和處理，以及對風速的實時調節等。系統軟件采用以Windows為平臺的VB6.0軟件編制。其功能及特點為：直觀、方便、能實時顯示系統當前的試驗狀態；具有參數設置功能，可對傳感器參數、試驗狀態等設置；控制功能，可對控制單元發送控制指令以實現對變頻調速器和伺服系統的控制；存儲、打印功能，軟件具有數據庫管理功能，很方便地對試驗數據進行存儲、查詢及打印。

3 結語

設計完成了風沙環境風洞的系統控制、數據的采集和處理。系統的實現方式簡單、控制精度好、人機交互方便且簡單、使用和維護方便、實用性強；經多次實驗證明，系統運行穩定、測量數據準確、達到了設計指示。

參考文獻：

[1]楊晶.VB6.0程序設計.機械工業出版社，2004.1.

[2]王勛年.低速風洞試驗.國防工業出版社，2002.7.endprint

【摘 要】 風沙環境風洞測控系統是以即工業控制計算機為核心，通過PLC完成系統對風機的控制指令輸出、反饋信號的輸入、數據的采集等；通過數據采集卡完成系統對實驗段各截面流場數據的采集；通過伺服控制系統完成系統對實驗段移測架和轉盤的控制；系統的軟件在VB6.0的編程環境下編制，實現了風洞風速的閉環控制、流場品質的測量、實驗件方向的控制等。

【關鍵詞】 風洞 風速 數據采集 伺服系統

風沙環境風洞是一座直流下吹式低速風洞。試驗段尺寸：寬×高×長=1.5m×1m×12m；風速范圍：最大風速40m/s；收縮比1：4；這里主要是其測控系統的設計。

1 測控系統框圖（見圖1）

2 測控系統方案

根據直流式低速邊界層風洞的技術及使用要求，該風洞風速調節精度較高。對風洞的動力系統和測量系統提出較高的要求，即在3m/s以上風速時，風洞的動力系統和測量系統能實現風速穩定、連續調節和風速的測量。

2.1 系統組成及特點

風洞測控系統主要分為：微機測控系統、動力控制系統、伺服控制系統、測量傳感器等。

（1）微機測控系統；微機測控系統包含工控機、高速A/D采集卡、打印機等。微機系統作為測控系統的核心，主要作用為：數據的采集、處理、管理、以及對系統各部分間的控制。為保證系統能在復雜的實驗環境下安全、穩定、可靠地工作并最終實現實驗目的，上位機采用具有主流配置的工業控制計算機。為了采集實驗段內各個截面中附面層中多個點上的壓力分布，系統采用工業級16位32通道超高速數據采集卡，確保試驗數據測量精度及采集的實時性。通過高速采集卡采集回的數據通過上位機軟件處理后保存在相應的數據庫文件中。（2）動力控制系統；動力控制系統主要由變頻電機和變頻調速器，可編程控制器（PLC）和人機界面組成。系統通過變頻調速器對變頻電機的轉速，轉矩進行控制，從而實現對風速的連續控制。而各種參數，包括變頻調速器的設定頻率、風速的顯示、以及對伺服電機的控制等操作均由人機界面完成。人機界面通過與PLC通訊完成變頻調速器對電機進行控制和調速。風速由風速傳感器和皮托管測量完成后，通過PLC的A/D模塊或上位機的AD采集卡采集和處理，然后人面界面讀取PLC中的風速值，也可以通過上位機軟件界面讀取當前風速或壓力值以及實驗時所需要的各項參數。實驗中可對所測得的數據存入數據庫，以待實驗后進行分析和處理。PLC和人機界面是動力系統的控制單元，主要用于動力系統的控制、風洞風速的平滑調節、穩風速的控制及動力系統工作參數設置、工作狀態的顯示等。（3）伺服控制系統；上位機通過伺服控制系統實現對轉盤或移測架的控制。伺服系統采用的是全數字式交流伺服系統，與以往交流伺服不同之處在于，它以16位微處理器為控制核心，采用數字式速度、位置反饋方式，使系統性能大為提高，可完成精確的速度、位置控制。數字式交流伺服系統具有控制精度高、低頻特性好、頻矩特性好、過載能力強、運行性能穩定、速度響應快等優點。（4）測量傳感器；該系統所用傳感器包括：高精度微差壓傳感器、測量風速的風速傳感器、測量環境的溫濕傳感器等。

2.2 系統功能

（1）穩風速功能；由于系統采用了矢量控制變頻調速裝置，利用光柵碼盤與變頻器之間形成閉環控制，使該動力系統在整個風速范圍內，具有很高的穩風速性能，能夠更快的實現風速的穩定調節，實現風速精度要求。（2）轉盤及移測架控制功能；轉盤和移測架的控制均是通過伺服控制系統完成的，因伺服控制系統具有高精度、低頻特性好等特性，所以可以很好地完成對轉盤和移測架的控制； 轉盤可順或逆時針方向轉動。移測架可以向前和向后兩方向運動。移測架和左右運動是通過手動控制的。（3）數據采集和處理功能；系統可以通過上位機AD采集卡、PLC的AD模塊等能實時采集由傳感器傳送來的風速、壓力分布等參數。并通過上位機軟件對數據進行處理。（4）狀態顯示、報警功能；系統能在上位機軟件、人機界面上顯示系統工作狀態，并能對故障信息報警。給出聲光報警信號。（5）監控系統；該系統具有監控功能，可通過現場的四個彩色攝像頭對所需要的位置進行實時監控，監控畫面可以通過現場的液晶顯示器中觀測。（6）模擬自然風沙環境；該系統中，可通過實驗段前端的漏沙器，給實驗段中連續漏入實驗所需要的沙土等，實驗段中可放置需要試驗的模型或產品。當風機通過變頻器啟動后，達到一定風速的風通過漏沙部位時可帶動沙土揚起，以達到模擬自然環境中風沙的效果。

2.3 系統軟件

上位機軟件主要用于風速、壓力及試驗相關數據的采集和處理，以及對風速的實時調節等。系統軟件采用以Windows為平臺的VB6.0軟件編制。其功能及特點為：直觀、方便、能實時顯示系統當前的試驗狀態；具有參數設置功能，可對傳感器參數、試驗狀態等設置；控制功能，可對控制單元發送控制指令以實現對變頻調速器和伺服系統的控制；存儲、打印功能，軟件具有數據庫管理功能，很方便地對試驗數據進行存儲、查詢及打印。

3 結語

設計完成了風沙環境風洞的系統控制、數據的采集和處理。系統的實現方式簡單、控制精度好、人機交互方便且簡單、使用和維護方便、實用性強；經多次實驗證明，系統運行穩定、測量數據準確、達到了設計指示。

參考文獻：

[1]楊晶.VB6.0程序設計.機械工業出版社，2004.1.

[2]王勛年.低速風洞試驗.國防工業出版社，2002.7.endprint