水洞超空泡人工通气控制系统设计

水洞超空泡人工通气控制系统设计
李淼;罗凯;胡峰;秦侃
【摘要】在水下航行体人工通气超空泡技术研究中,为了形成精确可控的超空泡形态和模拟航行体的尾部喷流,需要精确控制多路气体流量；从水洞实验实际需要出发,搭建人工通气流量控制系统总体方案,建立系统的机理模型,完成系统控制算法的综合,并基于LabWindows/CVI软件平台对系统测控软件进行模块化设计；仿真计算结果表明,所设计的自动控制系统可实现对通气流量的精确控制,且动态过程中系统响应平稳,控制品质良好；系统为水下航行体超空泡形成机理及空泡形态研究提供了可靠的实验平台.%In order to manipulate supercavitation shape and simulate tail jet of vehicles, multiplex gas flow should be controlled accurately on the research of artificial ventilation supercavitation of underwater vehicles. This paper proposes mechanism model and technical scheme of artificial ventilation control system according to actual needs of water tunnel' s experiment, fulfills the system' s control algorithm , and achieves modular design of testing software based on LabWindows/CVI. The simulation result indicates that automatic ventilation control system can realize automatic control to ventilation flow, the response of dynamic process is stable and the control quality performs well. The development of artificial ventilation control system provides a reliable experiment platform for the study of supercavitation' s forming mechanism and shape.【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2011(019)009
【总页数】3页(P2151-2153)
【关键词】航行体;超空泡;人工通气;调节阀
【作者】李淼;罗凯;胡峰;秦侃
【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕西西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】TP229
0 引言
随着现代科学技术的发展,超高速与智能化航行体是主要的发展趋势。

超空泡技术是一种可以使水下高速航行体获得90%减阻量的革命性减阻方法,其阻力系数相当于空气中自由飞行炮弹的量级[1],该流动模式使得水下航行体速度达到100m/s以上[2]。

由于超空泡技术对水下航行体发展的深远意义,该项研究已经成为国际前沿性课题[3]。

根据空化数的定义,只有当航行体模型表面上的压力都达到饱和蒸汽压时,才会产生超空泡[4]。

为了做到这一点,通常的途径之一是提高水洞工作段的流速,之二是降低水洞工作段内的压力[5]。

而目前国内速度最高的水洞的最大流速只有18m/s,压力也只能降低到0.03MPa,仍然难以满足超空泡产生的条件。

因而在水洞实验室中一般采用人工通气法来降低空化数,实现模型的超空化状态。

气体流量的控制是通气超空化技术的核心问题之一,对于航行体超空泡形态控制和水动力特性等具有重大影响[6]。

为了对超空泡的形态和动力学特性进行深入的实验研究,本文研制了用于
航行体超空泡水洞实验的自动通气控制系统,可以实现对超空泡航行体实验过程中
充气流量的自动控制和精确测量。

1 系统组成与工作原理
整个自动通气控制系统由3部分组成：供气系统、数据采集控制系统和数据处理
系统。

系统气路原理如图1所示。

图1 气路原理图
供气系统主要由空气压缩机、储气罐、各种调节阀门组成。

空气压缩机所提供的带压空气,经储气罐稳压后,通过各个调节阀输送至水洞航行体模型中。

为方便水洞实
验中,实时直观地读取通气流量,选用浮子流量计。

供气系统有四条气流通道,每一条气流通道的通气量可以通过由伺服电机、调节阀
实施精确控制。

其中气流量最大的一条①作为航行体模型的尾喷,其余三条②、③、④通过航行体模型头部的3个通气孔向航行体模型外通气,使得航行体被气体所包
围形成稳定的超空泡。

数据采集控制系统主要由压力变送器、伺服电机、调节阀、数据采集电路及计算机构成,如图2所示。

其中压力变送器、伺服电机和调节阀构成通气流量闭环调节回路,对通气流量实施控制。

数据处理系统由计算机及测控软件构成,完成各种数据的
处理、显示和存储,同时将反馈数据处理、控制计算后,向伺服电机运动控制系统发
出指令。

图2 数据采集控制系统
2 控制算法综合
2.1 机理模型的建立
考虑到利用浮子流量计作为流量反馈时,反应速度过慢,但是根据通气流量与调节阀
后压强之间的对应关系,系统流量反馈可以通过测得调节阀后的压强而间接获取。

通气流量控制单元为系统核心,它接受上位机给出的压强指令,以当前阀后压强为反
馈信号,输出控制调节阀开度的电压信号。

调节阀由电机通过减速器带动,其开度正
比于系统流量。

系统的机理模型由调节阀流量特性、电机及减速器的响应特性构成。

考虑流量控制精度、平稳性及气体工质特点,选用对数特性的调节阀,其流量特性表
示为：
式中,Q为某一开度下通气的体积流量为相对流量,x为阀芯开度,为相对开度。

对式(1)积分并代入边界条件：x=0,Q=Qmin;x=X,Q=Q max,得常数项c==20 ,有：
实验中调节阀前压强p1设定为400k Pa,调节阀后压强p的变化范围为0～200k Pa,因此调节阀前后的压强比α=＜0.528,调节阀出口气流达到声速,流量函数
q(λ)=1[7]。

当调节阀的开度为X时,p=200k Pa,则通过调节阀的最大质量流量：
所以某一开度下通过调节阀的质量流量Qm为：
根据实验获得的调节阀后压强p与系统通气质量流量Qm关系和电机的响应特性得：
式中,n为电机转速,J为电机及附件的折合转动惯量,U为电压,TL为负载转矩,x为阀芯开度,b为减速比,c为阀芯螺杆上的螺距,a1、a2、a3、b1、b2、b3为常系数。

2.2 控制算法
根据所建立的模型可获得系统的结构图,如图3所示,图中传递函数Gij(s)的下标i表示为输入,j为输出;Geu(s)为功率控制单元的传递函数。

电机驱动器SDA 11、RE36型号的石墨电刷电机、带有1mm螺距的三角螺纹的
阀芯构成驱动组件,其接收控制器发出的速度指令,输出直线运动,其传递函数可描述
为：
图3 自动通气控制系统结构图
时间常数主要由电机剩余转矩、传动系转动惯量决定,而增益则由电机步距角、阀芯导程决定。

根据流量Q与调节阀后通气压力p的关系式,流量的初值Q0,可知：
调节阀开度与阀后压强的传递函数为：
由于被控系统本身含有积分环节,综合考虑系统快速性和稳定性要求,系统前向通道可配置为Ⅱ型系统,核心控制算法取为比例动作,即控制传递函数为：
根据图3的描述,可得系统闭环传递函数为：
系统的误差传递函数描述为：
由于输入信号Qm=A⋅1(t)为阶跃信号,则系统的静态误差为：
采用积分动作时,可实现系统通气流量的无静差跟踪。

2.3 仿真分析
针对所建立的闭环控制系统模型利用matlab进行仿真,获得系统变流量工况的控制效果,如图3所示。

仿真条件为：调节阀的开度控制采用伺服阀驱动机构,通气流量由30kg/h减小至10kg/h,而后增加到30kg/h。

由图4可以看出,在流量减小和增加的过程中没有出现超调现象,调节时间小于1s,系统响应平稳,控制品质良好。

图4 系统变流量工况
3 软件设计
基于LabWindows/CVI软件平台对系统测控软件进行模块化设计,其程序流程如图5所示。

图5 程序流程图
在复杂的水洞实验环境下,被测信号不可避免地受到多种电磁干扰。

来自压力变送器的0～5.0V的反馈信号,以差分输入的方式进入综合数采卡;数据采集模块使用野点剔除、滑动窗数字滤波技术进行数据处理。

处理后的模拟信号经A/D转换进入控制模块,计算期望流量与实际流量的差值,输出控制指令。

此外,数据显示和存储模块还将实现调节阀后压强和通气流量的实时显示与存储。

软件界面如图6所示。

图6 通气控制系统软件界面
4 小结
本文从超空泡水洞实验实际需要出发,搭建了人工通气流量控制系统总体方案,建立了系统的机理模型,完成了系统控制算法的综合,并基于LabWindows/CVI软件平台对系统测控软件进行了模块化设计。

仿真计算结果表明,控制通气流量减小和增加的过程中系统响应平稳,控制品质良好。

所设计的控制系统能够实现对人工通气流量的精确控制,在水洞超空泡实验中得到成功应用,为水下航行体超空泡形成机理及空泡形态研究提供了可靠的实验平台。

【相关文献】
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