風洞供氣控制系統數字閥的設計與應用

康洪銘,霍 國,陳輔政,劉曉林

(中國空氣動力研究與發展中心 低速空氣動力研究所,四川 綿陽 622762)

風洞供氣控制系統數字閥的設計與應用

康洪銘*,霍 國,陳輔政,劉曉林

(中國空氣動力研究與發展中心 低速空氣動力研究所,四川 綿陽 622762)

隨著風洞供氣試驗所需的指標越發苛刻，模擬調節閥已經無法滿足要求，同時針對目前PCM數字閥和PWM數字閥存在的缺陷，提出了一種PCM+PWM數字閥，通過PCM數字閥提供基準流量，PWM數字閥在基準流量的基礎上再進行脈寬調節，以滿足供氣試驗的要求。文中介紹了數字閥的研究現狀、設計指標、噴嘴的類型選擇和結構設計、喉道面積的分配、電磁閥參數計算和型號選擇，以及基于PID的流量調節運算方法，并通過多次調試、優化參數，性能測試，最終開展了多項供氣試驗。試驗結果表明，數字閥在風洞供氣控制系統中的應用是成功的，試驗流量絕對控制精度優于±3g/s，且響應時間短、調節范圍寬和可靠穩定等特點為風洞供氣試驗提供了強有力的支撐。

供氣控制系統；數字閥；噴嘴；電磁閥；流量

0 引 言

FL-12風洞作為主力風洞承擔著大量重要試驗任務，其中包括進氣道、吹氣流動控制、引射短艙和TPS等多項試驗，這些試驗任務都需要供氣控制系統輸送穩定、可控的氣流到試驗模型，并要達到優于±3g/s的絕對控制精度，同時要求流量調節范圍大、穩定時間短，因此實現流量寬范圍快速精確控制是供氣試驗最為基礎和關鍵的環節[1-3]。

目前模擬調節閥的高精度閥門定位器死區0.1%，綜合誤差0.5%[4]，達不到試驗要求的流量控制精度，而且在實際工況中其工作流量特性隨著試驗模型的變化而變化，同時存在死區、調節滯后嚴重、調節范圍不寬、密封件易磨損等問題，因此無法滿足當前供氣試驗要求。

與模擬調節閥相比，數字閥具有可調范圍寬、控制精度高、響應速度快、結構簡單、魯棒性強、可靠性高等特點[5-7]，目前數字閥主要分為PWM(脈沖寬度調制)數字閥和PCM(脈沖編碼調制)數字閥[8-9]。PWM數字閥也稱高速開關式數字閥，通過調節PWM信號的占空比來控制閥的平均流量，但是數字閥的流量和得失電時間存在一定的矛盾。PCM數字閥是將開關閥按照一定規律的排列組合(二進制、斐波那契數列等)實現對流量的控制，但是離散化的形式會導致流量輸出的不連續性，同時小口徑噴嘴的加工難度較高，進退階時波動較大，頻繁切換閥會造成沖擊和噪聲，縮短低位開關閥的壽命。

為解決PWM數字閥流量和得失電時間的矛盾和PCM數字閥的流量不連續性和低位開關閥的壽命問題，本文設計了PCM+PWM數字閥。該數字閥通過PCM數字閥提供基準流量，PWM數字閥在基準流量的基礎上再進行調節，其中PCM數字閥采用多路文丘里噴嘴與開關閥按照二進制規律排列組合而成，PWM數字閥由單路小口徑文丘里噴嘴與高頻開關閥組成。

1 數字閥的設計指標和設計方案

1.1設計指標

依據試驗任務需求，FL-12風洞供氣控制系統中數字閥設計的主要技術指標：(1) 閥前壓力范圍：6.0～8.0MPa；(2) 閥后壓力范圍：0.1～6.0MPa；(3) 流量控制范圍：0.1～6.0kg/s；(4) 絕對控制精度：≤±3g/s；(5) 穩定控制時間：≤30s。

1.2設計方案

本文中設計的數字閥由13位半PCM數字閥+ PWM數字閥，共計16路噴嘴和16路開關閥組成。圖1為數字閥支路示意圖，氣流依次通過噴嘴、高壓金屬軟管、電磁閥后流出，系統先通過開關不同位的電磁閥來控制每路管道的通斷以達到組合出不同流量的目的，當流量輸出值與給定值的差值進入預先設定的誤差帶內，則停止動作PCM數字閥，由PWM數字閥通過脈寬調制控制。在實際流量控制中，PCM數字閥起到量程調節作用，PWM數字閥起到精細調節作用。

圖1 數字閥支路示意圖Fig.1 Embranchment sketch of the digital valve

2 數字閥設計的關鍵技術

2.1噴嘴的選擇與設計

為使噴嘴流量特性不受后端試驗模型狀態變化及背壓影響，采用了臨界流噴嘴。臨界流噴嘴主要包括臨界流標準噴嘴和臨界流文丘里噴嘴，其中臨界流標準噴嘴結構如圖2所示。如果保持噴嘴入口壓力p1和溫度T1不變，使其出口壓力p2逐漸減小，則通過噴嘴的氣體流量qm將逐漸增加。當出口壓力下降至pc時，通過噴嘴的流量將達到最大值，氣體流速為當地聲速，再繼續降低出口壓力，通過噴嘴的流量將不再增加，流速也保持聲速不變。將噴嘴出口的流速達到聲速的壓力pc稱為臨界壓力，pc/p1稱為臨界壓力比，通過噴嘴的流量(qm)max稱為臨界流量[10]。

圖2 臨界流標準噴嘴的結構和流量特性Fig.2 Structure and flow characteristic of the critical flow standard nozzle

對于空氣(γ=1.4)，可以通過公式1計算得到臨界壓力比為0.528。由于數字閥前壓力一般穩定在8MPa，因此要保證“恒流”特性不變，出口壓力p2必須低于臨界壓力4.224MPa，顯然無法滿足最大出口壓力為6MPa的設計要求，而且壓力損耗太大。

為使出口壓力得到恢復，采用喉道后面帶擴壓管的臨界流文丘里噴嘴，其出口壓力高低與其擴散段尺寸有關[11]。根據JJG620-2008《臨界流文丘里噴嘴》，可以計算出最大背壓比p2/p1與擴散段面積比A2/A*的對應參數表(見表1)，其中p1為入口壓力，p2為出口壓力，A*為喉道面積，A2為擴散段出口面積。

依據表1，選擇噴嘴擴散段面積比為4.0，在理想條件下，當出口壓力低于0.8937倍入口壓力，即可達到臨界狀態，噴嘴喉道流速為聲速，流量由入口壓力、入口溫度與喉道面積唯一確定。依據圓環形喉道臨界流文丘里噴嘴設計準則[12]，噴嘴的結構設計如圖3所示。

表1 臨界流文丘里噴嘴的最大允許背壓比表(γ=1.4)Table 1 Maximum allowable back pressure ratio of the critical flow Venturi-type nozzle

圖3 臨界流文丘里噴嘴的結構Fig.3 Structure of the critical flow Venturi-type nozzle

2.2喉道面積的分配

PCM數字閥的噴嘴喉道面積按照二進制規律排列，通過這些不同的喉道可以組合不同喉道面積，組合喉道面積范圍在所有喉道面積之和與最小喉道面積之間，最小分辨率是最小喉道面積，因此設計足夠小的喉道面積就可以解決定位精度的問題，設計足夠多的位數就可以解決流量調節范圍的問題。

PCM數字閥的設計工況是入口壓力為8.0MPa，入口溫度為20℃，流量為6.0kg/s，在最大允許背壓比范圍內，根據公式(2)可得PCM數字閥需要的喉道總面積為3.176cm2。

式中：p1為噴嘴入口壓力(Pa)；T1為噴嘴入口溫度(K)；A*為喉道面積(m2)。

經計算，將喉道總面積按照13位半二進制分配，各噴嘴喉道面積分配值及工作流量分配值如表2所示。

實際設計PCM數字閥總喉道面積為3.217cm2，在不考慮噴嘴加工誤差的情況下，其喉道面積分辨率(定位精度)為1/10239，在設計工況下對應的最小流量為0.6g/s。

PWM噴嘴喉道面積的選取需依據試驗流量精度要求(±3g/s)，并充分考慮裕量，預設誤差帶為±6g/s，可在表2中選取喉道口徑0.8mm的噴嘴作為PWM數字閥的噴嘴。

表2 PCM數字閥各噴嘴喉道面積及對應流量計算表Table 2 Nozzle throat area and calculated flow value of the PCM digital valve

2.3電磁閥參數計算與型號選擇

流量系數CV是電磁閥主要的計算參數，表征為閥門流通能力大小，根據設計工況，并按照公式(3)進行計算，結果如表3所示。

式中：Q為標準狀態下最大流量，Nm3/h；G為空氣比重，為1.1kg/Nm3;T為氣體溫度,℃;p1為入口壓力,kg/cm2;p2為出口壓力,kg/cm2;Δp=p1-p2,kg/cm2。

表3 電磁閥流量系數計算與型號選擇Table 3 Magnetic valve flow coefficient calculation and model selection

PCM數字閥的開關閥采用德國GSR二位二通系列的電磁閥,PWM數字閥的高頻開關閥采用德國GSR 2/943，該閥動作頻率可達1kHz，具有脈寬調制功能，線性流量控制。為使各噴嘴入口壓力、溫度等條件一致，入口壓力穩定，出口壓力滿足噴嘴喉道氣流為聲速流要求，電磁閥的流量系數盡量選大，以減小工作壓力降，同時需要一定容積的閥體/管道作為穩定段，增加噴嘴入口壓力的穩定性[13]。

由于電磁閥不同口徑的開關時間存在一定差異，其口徑不大于25mm時閥門開關時間約為0.1s，而口徑為32mm時閥門開關時間長達0.44s。為了減少各閥門在時間上的差異，增加閥門切換過程中的穩定性，電磁閥的口徑都選用25mm以內的。口徑32mm的電磁閥則由2個口徑25mm的電磁閥組合替代，因此13位半的PCM數字閥具有15個支路，再加上PWM數字閥，共計16個支路。

3 流量控制策略

3.1供氣控制系統

供氣控制系統的高壓氣源來自12～22MPa的高壓儲氣罐，經減壓閥降低至穩定的8MPa，再通過數字閥輸出試驗需要的流量值。在數字閥后端有高精度的文丘里流量計實時監測和反饋輸出的流量值，從而組成閉環控制系統，如圖4所示。

圖4 供氣控制系統結構框圖Fig.4 Structure diagram of air supply control system

3.2流量調節運算方法

供氣控制系統采用了微分前置非線性PID流量調節運算方法，其控制量通過數字閥完成，實現主管路流量的控制。該運算方法首先根據主管路流量給定與流量反饋完成PID運算，然后通過PID運算結果和數字閥氣流入口總壓總溫，計算數字閥閥位偏差，將此偏差作為數字閥閥位補償值重新調整閥位，從而調整主管路流量輸出值，當流量輸出值與給定值的差值進入預先設定的誤差帶內(±6g/s)，則停止動作PCM數字閥，由PWM數字閥通過脈寬調制控制。該運算的微分前置環節可對供氣管道及管道設備(數字閥后的供氣管道、空氣換熱器、空氣過濾器等)容積造成的流量滯后進行補償，縮短調節過渡過程時間，增加系統穩定性；比例和積分環節的運算律按照大誤差小比例、小積分增益，以及小誤差大比例、大積分增益的控制策略構建。

4 調試與應用

4.1調試

FL-12風洞供氣控制系統的數字閥安裝示意圖如圖5所示。

圖5 FL-12風洞供氣控制系統的數字閥Fig.5 Digital valve of air supply control system in FL-12

在調試中，需要在不同流量、不同試驗模型狀態的情況下，多次調整PID運算的比例增益、積分增益和調節微分增益等參數，使流量控制達到最佳狀態。表4給出了流量閉環控制的測試結果，當給定流量1.2、2.4、3.55和4.67kg/s時，系統流量控制的最大絕對誤差分別為1.9、2.2、2.5和2.6g/s，最大相對誤差分別為0.15%、0.09%、0.07%、和0.06%。調試數據表明，該套數字閥的流量控制精度能夠滿足設計指標±3g/s，同時能夠實現寬范圍的流量調節，且效果平穩，重復性好，可靠性高。

表4 流量閉環控制的測試結果(單位:kg/s)Table 4 Test results of the flow closed loop control

4.2應用

數字閥在供氣控制系統中調試完成后，開展了數十項供氣試驗。其中以某型飛機進氣道試驗為例，本次試驗的供氣流量為1.0和3.2kg/s，流量控制調節過程曲線和穩態過程曲線分別如圖6和7所示。

當供氣流量為1.0kg/s時，流量穩定時間為15s，最大絕對誤差為1.8g/s，最大相對誤差為0.15%；當供氣流量為3.2kg/s時，流量穩定時間為16s，最大絕對誤差為2.7g/s，最大相對誤差為0.08%。

圖6 流量控制調節過程曲線Fig.6 Flow control adjusting process curve

圖7 流量控制穩態過程曲線Fig.7 Flow control steady process curve

5 結 論

大量的供氣試驗結果表明，采用13位半PCM數字閥和PWM數字閥組合的數字閥在FL-12風洞供氣控制系統中的應用是成功的，全面達到了設計指標。其控制精度高、響應時間短、調節范圍寬和可靠穩定等特點，為風洞供氣試驗提供了強有力的支撐。

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康洪銘(1988-)，男，四川廣安人，工程師。研究方向：低速風洞試驗技術。通信地址：四川綿陽北川永安鎮129信箱(622762)。E-mail：657461645@qq.com

(編輯：張巧蕓)

Designandapplicationofdigitalvalveingassupplycontrolsystemforwindtunnel

Kang Hongming*,Huo Guo,Chen Fuzheng,Liu Xiaolin

(Low Speed Institute,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang Sichuan 622762,China)

As the required indicators of air supply experiments in the wind tunnel become more rigorous,the analog control valve is unable to meet the demands.Considering the drawback of PCM digital valve and PWM digital valve,the PCM+PWM digital valve is put forward to meet the gas supply requirements,where the PWM digital valve regulates the flow under the benchmark which is provided by the PCM digital valve.The research status and design index of the digital valve,the selection and design of the nozzle,the distribution of the throat area,the calculation and selection of the magnetic valve,and the flow control method based on PID are introduced in detail.By repeated debugging,parameters optimizing and performance testing,several gas supply experiments are conducted.Experimental results show that the application of the digital valve is successful,the measuring accuracy of the mass flow control is superior to ±3g/s,and the characteristics of fast response,large range,and high reliability are achieved to provide strong support for gas supply experiments.

gas supply control system;digital valve;nozzle;magnetic valve;flow

V211

A

1672-9897(2017)05-0088-05

10.11729/syltlx20160086

2016-06-01;

2017-07-12

*通信作者 E-mail:657461645@qq.com

KangHM,HuoG,ChenFZ,etal.Designandapplicationofdigitalvalveingassupplycontrolsystemforwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2017,31(5):88-92.康洪銘,霍 國,陳輔政,等.風洞供氣控制系統數字閥的設計與應用.實驗流體力學,2017,31(5):88-92.