低氧熱環境模擬控制系統設計與實現

, , , , 嚴魯,

(北京強度環境研究所，北京 100076)

0 引言

隨著航空航天技術的飛速發展，臨近空間飛行器特有的戰略意義日益凸顯。飛行過程中，由于氣動熱作用，飛行器表面最高溫度可達1500℃。高溫環境對飛行器結構及防護系統提出了更高的要求。為了考核飛行器在臨近空間環境下的結構強度，在地面進行低氧熱強度環境試驗具有重要意義。目前，熱強度試驗環境多為富氧環境，并不能真實考核飛行器結構強度及性能。低氧環境模擬試驗系統主要為飛行器系統提供高空模擬環境，以滿足飛行器低氧環境力學試驗要求[1-2]。地面模擬試驗的環境控制直接影響飛行器的性能確定與考核。本文基于西門子PLC硬件，設計并集成了低氧環境模擬試驗控制系統的硬件及軟件系統，實現了試驗系統氧濃度、艙內壓力、艙內溫度穩定可控。

1 系統原理與結構

臨近空間飛行器真實工作環境包括低氧環境、氣動熱環境以及力載荷加載，為了能全面模擬高空真實工作環境，低氧環境模擬系統需對上述環境參數進行控制，以達到試驗環境。低氧環境模擬試驗控制包括低氧環境的控制，氣動熱加載系統冷卻控制，艙體系統壓力控制，氮氣供氣系統供氣壓力控制[3-4]。該控制系統按照功能要求劃分，可分為低溫液氮控制系統、供氣調節控制系統、艙體控制系統。

在進行試驗時，試件安裝在模擬艙內。通過低溫液氮系統提供艙內所需的置換氮氣，并通過低溫液氮儲槽氣枕壓力控制，為氮氣供氣系統達到所需供氣壓力。帶有壓力的液氮經過汽化，通入氮氣管路，并通過主管路壓力控制，使主管路氮氣壓力穩定。通過控制氮氣支路壓力和液氮支路溫度，達到加熱系統加熱石英燈冷卻和艙內溫度的控制。對高空飛行器環境的控制主要通過低溫液氮制冷、氮氣供氣調節氧濃度和艙體控制系統來實現，所以艙內環境溫度控制、氮氣供氣壓力控制、石英燈模塊降溫控制及艙體機電設備控制是整個低氧環境試驗的重點。

如圖1所示，低氧環境控制系統采用分布式主從站架構[5-7]，主站位于測控間內，完成低溫液氮系統的壓力、溫度以及機電設備的控制。從站前置于試驗艙附近，控制艙內氧濃度、壓力、溫度，以及石英燈模塊溫度控制和艙體機電設備控制，并采集艙內環境參數。主站與從站之間通過以太網通訊，進行控制指令和數據的交互。主站與上位機通過以太網通訊，將控制器數據上傳至上位機顯示并保存。

圖1 控制系統結構圖

環境模擬控制系統主要指標如表1所示，采用氮氣置換的方法，將艙內空氣完成置換，使艙內氧濃度降至2%以內。通入氮氣時，控制艙內壓力低于500 Pa,確保艙內壓力不超過艙體結構設計極限。同時，控制艙內溫度，使艙內儀表及設備工作在正常的環境溫度內。

表1 環境模擬控制系統指標

2 環境模擬控制系統設計

2.1 低溫液氮系統控制

低溫液氮系統主要用來調節低氧環境試驗所需液氮量供給，以及為供氣系統提供壓力。根據不同試驗狀態要求，試驗過程中，試件需加熱至1500℃左右，在試驗艙封閉空間內，會使試驗艙溫度升高，直接影響艙體結構強度，所以需要為艙內環境降溫。采用低溫液氮系統提供的液氮作為冷源，利用液氮的汽化潛達到熱將艙內環境降溫的目的。低溫液氮系統控制結構如圖2所示。

圖2 低溫液氮控制系統結構圖

低溫液氮系統配備兩套液氮儲槽為低溫系統提供所需液氮，并采用兩級增壓方法，建立系統壓力。1#液氮儲槽采用自增壓方法為儲槽氣枕增壓至所需壓力，儲槽本體配有空溫式汽化器，增壓調節使用自力式調壓閥控制通入空溫汽化器的液氮量。液氮經空溫汽化器汽化后的氮氣通入1#液氮儲槽氣枕，使壓力升高。氣枕壓力由安裝在儲槽本體上的壓力傳感器發送至PLC控制器，在操作界面中實時顯示。當1#液氮儲槽氣枕壓力達到目標值后，自力式調節閥自動關閉，停止液氮汽化，完成一級增壓。

2#儲槽儲槽本體安裝的壓力傳感器將氣枕壓力值反饋至PLC控制器，PLC控制器控制低溫電動閥2閥口開度，調節1#液氮儲槽排出的液氮量，液氮經過空溫汽化器汽化，汽化后的氮氣通入2#液氮儲槽氣枕，為其氣枕增壓，完成二級增壓。

液氮主管路在終端分為4路液氮支路，每路支路配備一臺低溫電動調節閥。試驗艙內各液氮支路出口處的汽化箱內安裝PT100鉑電阻傳感器，艙內溫度經鉑電阻傳感器、溫度變送器后轉換為4～20 mA標準信號，采用兩線制接線與PLC控制器模擬輸入模塊連接，將該溫度信號反饋至PLC控制器，作為溫度閉環控制反饋。PLC控制器運行的控制算法根據目標值和當前反饋值計算出控制量，通過模擬輸出模塊輸出4～20 mA控制信號至電動調節閥的控制單元，實時調節各液氮支路上的低溫電動調節閥，控制各支路通入試驗艙的液氮流量實現對試驗艙內制冷量的調節，使汽化箱內溫度測點處的溫度達到設定目標值，溫度控制原理圖如圖3所示。為使試驗艙內的溫度均勻，在試驗艙頂部安裝了一臺風量為20000 Nm3/h的離心風機，加快試驗艙內部氣體的流動，使艙內溫度均勻。

圖3 溫度控制原理圖

2.2 氮氣供氣系統控制

氮氣供氣控制系統為試驗艙提供常溫氮氣，主要用來調節試驗艙內的氧濃度以及石英燈模塊冷卻，以模擬飛行器不同海拔高度的真實低氧環境。低溫液氮系統輸送的液氮，經過水浴汽化器進行汽化，汽化后的氮氣通入供氣主管路。供氣主管路配有壓力傳感器，作為主管路壓力閉環反饋，經PLC控制器PID控制算法，將控制量發送至1#低溫電動調節閥，控制流經調節閥所需汽化的液氮量，達到主管路壓力閉環控制，氮氣供氣系統控制結構圖如圖4所示。

圖4 氮氣供氣控制系統結構圖

水浴汽化器利用電加熱器為換熱介質進行加熱，并將熱量儲存在水浴汽化器內。水浴汽化器總共配置了4臺電加熱器，每組加熱器最大加熱功率為200 kW，加熱器總功率為800 kW。水浴汽化器配套了2套循環水泵，循環水泵從水浴汽化器底部吸入換熱介質，通過循環水管路將換熱介質泵入水浴汽化器頂部，使水浴汽化器下部和上部的換熱介質能夠循環，將水浴汽化器內部溫度均勻。液氮通入水浴汽化器，利用儲存的熱能將液氮汽化。根據試驗需要，控制加熱時間，調整儲存的熱能，從而達到調節液氮汽化后氮氣溫度的目的。

水浴汽化器可以本地和遠程兩種控制模式，本地控制時，在電加熱控制柜操作面板上設置目標溫度，筒體上安裝有PT100鉑電阻溫度傳感器，溫度信號發送至電加熱控制柜內的溫控模塊。啟動電加熱器后，溫控模塊自動調節電加熱器兩端供電電壓，達到本地閉環調節加熱功率，達到目標溫度后，停止加熱。遠程控制時，由操作計算機將目標溫度、啟動指令發送至PLC控制器，并接收電加熱器工作狀態、采集換熱介質溫度,發送4～20 mA控制信號至溫控模塊，調節電加熱輸出功率。

氮氣管路入艙前，分為五條氮氣支路，試驗艙北側氮氣支路控制艙內氧濃度，試驗艙西側四條氮氣支路用于石英燈模塊冷卻。

2.3 艙體系統控制

艙體系統控制完成艙壓、石英燈模塊冷卻、艙內溫度、艙內氧濃度，以及艙門、離心風機、風道電動蝶閥控制。試驗艙采用自然排氣方式，通過輸送至艙內的氮氣，將艙內的混合氣體經頂部的電動蝶閥擠出艙外。

試驗艙頂部安裝有新風管路，每路新風管路上安裝一臺電動蝶閥及一只氧濃度傳感器。 PLC控制器發送4～20 mA控制信號至各電動蝶閥，調整蝶閥開度。試驗艙內壁距離地面3 m高度位置安裝氧濃度傳感器和壓力傳感器。為保證艙內氧濃度低于2%，通過調節2#電動調節閥控制通入試驗艙的氮氣量，實現艙壓的控制。艙頂電動蝶閥初始開啟50%，控制排出混合氣體流量，將混合氣體按照一定流量排出。通過進排氣的協調控制，在規定的時間內完成艙內空氣的氮氣置換，使試驗艙的氧濃度達到高空環境要求。艙內壓力取決于新風管路的沿程流阻和局部流阻，置換過程中，艙內壓力傳感器反饋當前艙內壓力，控制系統經閉環控制算法輸出控制了至電動調節閥，控制通入氮氣量，達到艙壓閉環控制。

石英燈模塊冷卻氮氣支路進入試驗艙內后，連接氣體分配器，通過軟管將冷卻氮氣通入石英燈模塊，調節各支路上的電動調節閥控制通入氮氣的流量，且每臺氣體分配器安裝有壓力傳感器，采集通入石英燈模塊冷卻氮氣壓力反饋至PLC控制器，閉環控制冷卻氮氣的壓力。

試驗艙內液氮出口處，設計有混合氣箱，混合氣箱內安裝有PT100溫度傳感器，冷卻石英燈后的高溫氮氣通入混合氣箱，同時調節低溫液氮系統中液氮進口的低溫電動調節閥，控制通入混合氣箱的液氮流量，從而達到給高溫氣體降溫的效果，以免艙內溫度過高，影響儀表正常工作。

圖5 艙體控制系統結構圖

試驗艙艙門采用上開啟方式，通過PLC控制器控制卷揚機轉動方向，控制艙門的開啟或關閉。艙門側面導軌底部和頂部各安裝一只限位開關，當艙門運行至限位開關處，觸發限位開關，將開關信號發送至PLC控制，控制卷揚電機停止。

3 控制系統軟件設計

3.1 控制策略描述

試驗艙內壓力、溫度控制屬于大滯后系統，而且被控對象響應速度不能對誤差做出快速反應，控制過程易出現振蕩現象，采用傳統PID控制算法很難達到穩定的控制效果。在原有的PID控制算法中，引入積分分離功能，使系統誤差偏差大時，弱化積分作用，避免積分作用累加引起控制量過大，引起控制超調。

圖6 控制算法原理圖

如圖6所示，控制算法中加入積分保持功能，并設定誤差限，程序實時計算誤差是否在誤差限內，當誤差超過誤差限后，程序將積分項切換至積分保持，以當前積分量恒定輸出。誤差回調至誤差限內后，程序再切換至積分調節，消除穩態誤差。

3.2 軟件設計與實現

低氧環境模擬試驗艙氧濃度、溫度、艙內壓力控制均采用PID閉環控制算法。PLC控制程序采用西門子公司的編程軟件STEP7 5.5，人機交互程序采用WINCC7.0組態軟件進行開發。上位機與S7-300PLC采用TCP/IP通信協議，進行數據的傳輸。

3.2.1 PLC程序結構

PLC程序設計了壓力、溫度、氧濃度的手動調節和自動控制兩種模式。試驗人員可以通過操作界面手動輸入被控對象的控制量，使目標參數達到設定目標值。自動控制模式中，設定壓力、溫度、氧濃度的設定目標值，根據試驗流程，啟動試驗后，程序各功能模塊按照設定參數進行自動閉環控制。PLC控制程序采用功能模塊化設計，根據需要實現的功能，劃分不同功能塊，系統主程序按照試驗流程調用各功能塊，完成試驗復雜的自動閉環控制。如圖7所示，程序架構共分為四級。

圖7 程序結構圖

其中:0B1為系統的主程序，各功能模塊程序在主程序中被調用，并循環。

FC1為模擬量信號初始化，并按照“參數設定”中的參數值，為每個模擬量賦初值。

FC2為數據釆集模塊，主要完成現場各類傳感器信號和電動閥門位置信號的采集。

FC5為數字量控制模塊，完成電加熱器、循環水泵的啟動和關閉，試驗艙艙門的開啟或關閉控制，并將以上各設備的狀態發送至PLC控制器。

FC7為閉環控制輸出模塊，各閉環控制算法輸出的控制量，經過該模塊后，換算成被控對象對應的控制信號。

FC10為系統報警模塊，用于當低氧環境模擬系統出現故障時的緊急處理。在數據塊DB300中存儲報警位，報警位主要包括設備的故障信號、試驗艙艙壓、管路壓力等。FC8完成緊急停機控制，當系統出現異常時報警，由操作人員判斷是否進入急停程序。急停程序按照操作流程順序對各系統完成安全保護操作。

FC11為自動控制模塊，內部調用了FC101液氮儲槽增壓控制模塊、FC102主管路壓力控制模塊、FC16水浴汽化器控制模塊、FC20艙體控制模塊。以上各控制模塊完成相應的閉環控制。

FC12為手動控制模塊，操作人員可以在操作界面內切換為手動控制，手動輸出被控對象控制量，遠程控制設備開環運行。

FC14為試驗過程控制模塊，模塊內FC21調用艙內溫度控制模塊、FC13氧濃度控制模塊、FC202石英燈冷卻氣體壓力控制模塊。其中FC21功能塊內調用4路溫度閉環控制模塊、FC202功能塊調用4路壓力閉環控制模塊。

FC19為設備運行監測模塊，采集各設備反饋信號，并在人機交互界面顯示設備運行狀態。

OB35為循環中斷子程序，在控制程序中，對于電加熱器、電動調節閥、變頻風機的控制采用的是PID控制算法，整個PID的程序放在循環中斷OB35中，OB35的循環中斷時間設為500ms，在循環中斷OB35中調用連續控制PID模塊FB41,同時為每個FB41分配一個背景DB，用于存儲相應的參數值。

3.2.2 控制流程

低氧環境試驗不僅實現氧濃度的控制，還包括試驗過程中低溫液氮系統壓力控制、氮氣主管路壓力控制、艙壓控制、石英燈模塊冷卻氣壓力控制、艙內溫度控制。控制系統通過對各個控制子程序的調用與子系統之間的相互協調控制完成低氧環境試驗。圖8為低氧環境控制流程圖。

圖8 系統控制流程圖

4 控制效果驗證

在完成系統設計后，通過實際運行來驗證所設計系統和控制算法的可行性。圖9為實際運行控制效果圖。由圖可見，環境氧濃度控制精度可達到0.5%以內，而且試驗艙內的氧濃度的均勻度也滿足試驗指標，且可以根據不同高度模擬氧含量，調節試驗艙內低氧環境。由液氮消耗量計算出氮氣流量穩定在1700 Nm3/h左右，而且艙壓保持在100～130 Pa,由此可見，控制系統控制效果達到預期，各項控制指標滿足試驗要求。

圖9 試驗艙內環境參數曲線圖

5 結論

本文所述低氧熱環境試驗控制系統已經投入使用，該控制系統采用了分布式主從站架構設計，采用多路閉環控制算法實現了低氧熱環境模擬試驗多個環境參數控制。兩級增壓閉環控制方法，實現了氮氣供氣系統壓力調節，使該系統滿足大流量供氣能力。同時，通過實時調節氮氣壓力、氮氣供氣量，達到了控制艙內壓力、氧濃度和石英燈模塊溫度的目的，調節液氮流量控制了艙內溫度，試驗結果表明艙內氧濃度控制效果良好，滿足了飛行器低氧環境模擬試驗要求。