楊義強，付　晶，宋仲康，湯馥源，陳　怡

(1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430070)

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模擬自然風(fēng)風(fēng)機控制系統(tǒng)設(shè)計

楊義強1，付晶2，宋仲康1，湯馥源1，陳怡2

(1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430070)

摘要：為了檢驗旋翼無人機巡檢系統(tǒng)抗風(fēng)能力，搭建抗風(fēng)試驗場模擬自然風(fēng)。重點闡述了敞開式風(fēng)場環(huán)境中風(fēng)機與風(fēng)管控制機構(gòu)參數(shù)計算過程、模擬自然風(fēng)方法及風(fēng)速控制算法。仿真驗證了風(fēng)速控制算法的合理性，并簡述了嵌入式控制器作為試驗場控制裝置的優(yōu)點及其設(shè)計方法。通過該設(shè)計實現(xiàn)了檢驗旋翼無人機巡檢系統(tǒng)抗風(fēng)能力高低的目的。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機系統(tǒng)；模擬自然風(fēng)；風(fēng)速控制算法；控制機構(gòu)

近幾年來，隨著特高壓輸電線路的建設(shè)及巡檢技術(shù)手段的發(fā)展，電力檢修中輸電線路旋翼無人機巡檢系統(tǒng)因攜帶方便、工作高效得到越來越廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，旋翼無人機巡檢系統(tǒng)因抗風(fēng)能力不足而出現(xiàn)事故多發(fā)的問題。先前的旋翼無人機抗風(fēng)能力檢測多在外界空曠環(huán)境中依賴自然風(fēng)進行，外界風(fēng)穩(wěn)定性差，檢測過程耗費大量人力、物力，檢測規(guī)則不統(tǒng)一，且難于量化。因此，需搭建輸電線路旋翼無人機巡檢系統(tǒng)敞開式抗風(fēng)試驗場。選擇敞開式抗風(fēng)試驗場，是為了在試驗過程中預(yù)留足夠的空間范圍來全面體現(xiàn)被測旋翼無人機的抗風(fēng)性能，并保證飛行安全；為使其實驗環(huán)境與密閉式的、空間較狹小的風(fēng)洞環(huán)境相區(qū)別，選擇在露天環(huán)境中建立敞開式抗風(fēng)試驗場。

目前已有多種風(fēng)機在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，如軸流風(fēng)機、射流風(fēng)機、離心風(fēng)機[1]等，但沒有能夠直接應(yīng)用于該抗風(fēng)試驗場的成熟設(shè)備，且沒有一種風(fēng)管及其控制機構(gòu)能夠模擬出單向風(fēng)、側(cè)風(fēng)及旋風(fēng)等自然風(fēng)。筆者根據(jù)實際需求，利用流體力學(xué)相關(guān)規(guī)律，計算相關(guān)參數(shù)，搭建風(fēng)機、風(fēng)管及其附屬控制機構(gòu)。針對風(fēng)機系統(tǒng)存在的滯后性[2]，以及模擬不同自然風(fēng)時的性能指標(biāo)要求，建立被控風(fēng)場系統(tǒng)模型；針對滯后系統(tǒng)控制的預(yù)估補償控制、模糊自整定[3-4]等算法的特點，在模擬不同種類自然風(fēng)時，為了達到最佳模擬效果，采用不同的風(fēng)速控制算法，并通過Matlab仿真驗證該算法設(shè)計的合理性。

1搭建風(fēng)機、風(fēng)管及附屬控制系統(tǒng)

1.1風(fēng)機系統(tǒng)參數(shù)計算

首先簡述最終要達到的效果：在外界空曠平坦的正方形地面，將風(fēng)機四角對稱放置，風(fēng)管將風(fēng)機出風(fēng)口的高度提高10 m左右，此高度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用以給旋翼無人機一個安全的飛行高度；為了達到滿足測試條件的風(fēng)場環(huán)境，出風(fēng)口要能完成3種不同方式動作：垂直方向的上下移動、垂直方向的俯仰動作、水平方向的左右搖擺動作。通過協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)模擬單向自然風(fēng)、側(cè)風(fēng)擾動、旋轉(zhuǎn)風(fēng)等不同種類的自然風(fēng)；風(fēng)速測試中心區(qū)即所謂被測點，是方形區(qū)對角線的交點，也是圓形的中心測試區(qū)域的圓點；測試區(qū)中心要達到的最高風(fēng)速不小于15 m/s。

風(fēng)機參數(shù)計算與選型影響到后續(xù)控制器的搭建和控制算法設(shè)計。風(fēng)機啟動，葉片轉(zhuǎn)動，氣流從風(fēng)機出口到達風(fēng)管出風(fēng)口，這一過程表明系統(tǒng)具有滯后性[5]。風(fēng)速測量點達到指定的風(fēng)速，風(fēng)機啟動一段時間后，整體的風(fēng)場已經(jīng)形成，趨于穩(wěn)定。因此整個過程，可以用一個帶純滯后部分的一階慣性環(huán)節(jié)模型等效[6-7]。風(fēng)機選型按照圖1所示思路進行。

圖1　風(fēng)機參數(shù)計算與選型流程圖

經(jīng)過對工業(yè)自動化領(lǐng)域的風(fēng)機系統(tǒng)進行調(diào)查后，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的4-72系列離心風(fēng)機中的特定型號能夠滿足試驗要求，在此系列風(fēng)機基礎(chǔ)上發(fā)展而來的柜式風(fēng)機，除了具有4-72系列的功能外，還兼有防沙塵、防雨水侵蝕、噪音相對較小的優(yōu)點，非常適合敞開式試驗環(huán)境的要求。筆者預(yù)選目標(biāo)定為柜式風(fēng)機，并結(jié)合該型風(fēng)機具體參數(shù)展開計算。

(1)根據(jù)被測點風(fēng)速最高要求值計算風(fēng)管出風(fēng)口的風(fēng)速值。根據(jù)設(shè)計要求，計算時取中心點最高風(fēng)速為20 m/s，該值超出預(yù)定目標(biāo)風(fēng)速33%，裕量充足。依據(jù)流體力學(xué)中自由射流的公式來計算風(fēng)管出風(fēng)口處的風(fēng)速值：

(1)

式中：vx為被測點的風(fēng)速值；v0為風(fēng)管出口風(fēng)速值；a為紊流系數(shù)(取值范圍為0.07～0.08)；x為風(fēng)管出風(fēng)口處到被測點的直線距離；d0為風(fēng)管直徑。

按管道直徑d0=0.6 m計算，已知vx=20 m/s，a=0.075(經(jīng)驗值)，x=5 m，被測區(qū)域?qū)蔷€長度的一半是7 m，2 m左右的長度留給風(fēng)機、風(fēng)管控制系統(tǒng)的占地直線距離所用，經(jīng)計算得到v0=32.1 m/s。

(2)單風(fēng)口氣流擴散角度計算。經(jīng)查閱流體力學(xué)相關(guān)資料，有兩個經(jīng)驗算式可供借鑒。經(jīng)驗算法一：根據(jù)a值計算擴散角度及氣流至中心點位置時氣流的擴散面積。將a值代入tan θ=3.4a，計算出2×θ=28°，被測點處吹風(fēng)半徑為1.25 m。經(jīng)驗算法二：令θ取17°，則2×θ=34°，被測點處吹風(fēng)半徑為1.53 m。兩種算法算得的結(jié)果表明，此吹風(fēng)面積滿足筆者設(shè)計要求。

(3)由出風(fēng)口風(fēng)速、出風(fēng)口面積推算風(fēng)量。風(fēng)機風(fēng)量為管道截面積與平均風(fēng)速的乘積，即Q=32.1×3.14×0.3×0.3 m3/s=9.07 m3/s=32 657 m3/h。當(dāng)風(fēng)速值取35 m/s時，風(fēng)機風(fēng)量Q=35×3.14×0.3×0.3 m3/s=9.89 m3/s=35 607 m3/h。確定風(fēng)量范圍為33 000～40 000 m3/h。

(4)計算風(fēng)管內(nèi)的壓力損失，即靜壓損失。按圖2所示結(jié)構(gòu)來計算：風(fēng)管長10 m，然后根據(jù)風(fēng)速及管道直徑可以查通風(fēng)手冊計算得到過濾器摩擦阻力為150 Pa，管道摩擦阻力損失為200 Pa。接下來計算局部阻力損失，系統(tǒng)中有一個90°彎頭及風(fēng)機出口圓變方的變徑結(jié)構(gòu)，彎頭的阻力損失為0.5×0.16×v2(流速v按照30 m/s計算)，0.16為90°彎頭局部阻力損失系數(shù)，彎頭局部損失為72 Pa；方形變圓形變徑處局部阻力損失系數(shù)為0.08，阻力損失為36 Pa。因此靜壓損失為150+200+72+36=458 Pa。

圖2　風(fēng)機、風(fēng)管系統(tǒng)布置簡圖

(5)計算風(fēng)機出風(fēng)口的動壓。這個動壓值與風(fēng)機出風(fēng)口處的面積有關(guān),根據(jù)產(chǎn)品使用手冊查得風(fēng)機出風(fēng)口規(guī)格：長×寬=908 mm×905 mm。風(fēng)量取36 000 m3/h，風(fēng)機出風(fēng)口處速度為v0。出風(fēng)口面積=長×寬=0.908×0.905 m2=0.821 7 m2。v0=10/0.821 7=12.2 m/s，動壓=0.5×1.29×12.2×12.2 Pa=96 Pa。

(6)計算風(fēng)機出風(fēng)口的全壓。風(fēng)機出風(fēng)口的全壓，一部分消耗給風(fēng)管靜壓損失，另一部分給了風(fēng)管出風(fēng)口動壓，故全壓=靜壓+動壓=458 Pa+96 Pa=554 Pa?？紤]到裕量，則全壓=554 Pa×1.2=665 Pa。

在風(fēng)機選型時，風(fēng)機需滿足兩個條件：①風(fēng)量不小于36 000 m3/h；②風(fēng)壓不小于665 Pa。需要注意的是，此風(fēng)壓值應(yīng)與出風(fēng)口面積相聯(lián)系，這是按風(fēng)機出風(fēng)口面積為0.821 7 m2時的計算值。然后根據(jù)這兩個條件，結(jié)合該型風(fēng)機參數(shù)表與風(fēng)機性能參數(shù)曲線，選擇出該系列中滿足條件的具體型號即可。

1.2風(fēng)機選型結(jié)果仿真驗證

通過CFD模擬可以看出，在出風(fēng)口平均速度為32 m/s時，在被測點處平均風(fēng)速為20 m/s，由于邊界條件設(shè)定的不同，擴散角度不同，所以其與理論計算值略有不同。分析仿真圖數(shù)據(jù)可知，在上述風(fēng)機選型與風(fēng)管的情況下，被測點的風(fēng)速值與吹風(fēng)面積都能夠滿足指標(biāo)要求。圖3中的白色豎線是離風(fēng)管出風(fēng)口垂直距離7 m處，即中心測試點處。圖4的截面即中心測試點平行于風(fēng)管出風(fēng)口的截面。

圖3　橫向風(fēng)速分布云圖

圖4　徑向風(fēng)速分布云圖

2模擬自然風(fēng)的實現(xiàn)

在風(fēng)機系統(tǒng)設(shè)備搭建的硬件平臺上，利用流體力學(xué)相關(guān)定律，參考類似滯后系統(tǒng)建模中的簡化與近似，得到被控對象的傳遞函數(shù)：

(2)

為了更全面地檢驗旋翼無人機巡檢系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，該敞開式風(fēng)場環(huán)境要完成如下3個基本功能。

(1)模擬單向自然風(fēng)。風(fēng)向單一，風(fēng)速的上升時間可調(diào)，假設(shè)試驗中風(fēng)速由0增加到指定風(fēng)速值v的時間依次選擇為t1，t2，t3，則t1

(2)模擬側(cè)風(fēng)擾動。在民航客機的降落過程中，若機場出現(xiàn)較強側(cè)風(fēng)，如果駕駛員經(jīng)驗不夠豐富，則可能出現(xiàn)因飛機滑出跑道而引發(fā)事故。為了考核被測巡檢系統(tǒng)是否具有抗側(cè)風(fēng)能力，敞開式的風(fēng)場環(huán)境應(yīng)具有模擬側(cè)風(fēng)的功能。例如當(dāng)一臺風(fēng)機A在模擬單向自然風(fēng)達到穩(wěn)定時，與A鄰近的任一風(fēng)機B吹來另一個方向的風(fēng)。這個過程對控制系統(tǒng)的要求是：①A風(fēng)機性能要求與模擬單向風(fēng)時要求相同；②B風(fēng)機要實現(xiàn)響應(yīng)速度快，且風(fēng)速平穩(wěn)，即穩(wěn)態(tài)誤差小，只有這樣才能模擬出側(cè)風(fēng)的效果。

(3)模擬旋轉(zhuǎn)風(fēng)向。在山地丘陵或河湖交錯等地形較為復(fù)雜的地區(qū)，容易形成旋轉(zhuǎn)風(fēng)，即無固定風(fēng)向的風(fēng)場環(huán)境。這個模擬過程，要求4臺風(fēng)機之間的銜接過程要緊密，兩種風(fēng)交替時不出現(xiàn)無風(fēng)時間。即被檢測的旋翼無人機巡檢系統(tǒng)處于風(fēng)速變化但不間斷、風(fēng)向隨機變化的風(fēng)場環(huán)境中。

根據(jù)以上控制要求，不難發(fā)現(xiàn)，對風(fēng)機主要有兩種不同的控制要求：①風(fēng)速的上升時間可調(diào)，即系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間t可以通過控制參數(shù)調(diào)節(jié)，響應(yīng)過程無超調(diào)；②響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，無超調(diào)，不要求上升時間可調(diào)。

為了達到第一種控制要求，選擇Simth預(yù)估控制算法。因為普通PID算法對滯后系統(tǒng)的控制效果不理想，調(diào)節(jié)時間長，超調(diào)較大[8]，且調(diào)節(jié)過程震蕩次數(shù)較多，參數(shù)整定困難。為了避免因控制過于頻繁引起的振蕩,Gc(s)采用帶死區(qū)的PID控制算法，應(yīng)用Matlab R2013b/Simulink工具箱搭建的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　Simth預(yù)估控制結(jié)構(gòu)圖

圖6　3種風(fēng)速上升速率(預(yù)估控制)

通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，即可得到不同響應(yīng)時間的控制效果圖，如圖6所示。風(fēng)速上升時間分為10 s、20 s、40 s的3種單向自然風(fēng)。

從仿真效果看，Smith控制算法能夠滿足控制要求。經(jīng)過不斷積累參數(shù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗，Smith控制算法滿足模擬單向自然風(fēng)的要求。采用Smith控制算法的前提是需要知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)估模型才能夠準(zhǔn)確；而模糊控制可擺脫對被控對象模型的依賴[9]，為完成第二種控制目標(biāo)提供了借鑒。模糊控制雖可以減少系統(tǒng)的振蕩，但出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差，且穩(wěn)態(tài)誤差較大；模糊PID控制克服了純PID控制和模糊控制的缺點，實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的理想性能指標(biāo)。因此選用參數(shù)自整定模糊PID控制作為完成第二種控制要求的方案。在Simulink仿真環(huán)境中搭建仿真，如圖7所示。

圖7　參數(shù)自整定模糊 PID 控制仿真圖

經(jīng)過參數(shù)調(diào)節(jié)，得到符合要求的仿真結(jié)果，如圖8所示。模糊自適應(yīng)PID控制的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在調(diào)節(jié)時間上，還體現(xiàn)在其不依賴模型的特性。模糊PID控制算法在被控制過程中存在潛在的擾動、動態(tài)特性變化或其他不確定因素時，依然能達到較好的控制效果,并且具有響應(yīng)速度快,超調(diào)量小等優(yōu)點，因此選擇使用模糊自適應(yīng)PID控制算法控制風(fēng)機系統(tǒng)模擬自然界的旋轉(zhuǎn)風(fēng)。將處于東南西北方向的4套風(fēng)機系統(tǒng)依次順時針編號為A、B、C、D，在0 s、15 s、30 s、45 s時依次對A、B、C、D 4套風(fēng)機系統(tǒng)施加方波控制信號，峰值分別為10 m/s、13 m/s、10 m/s、13 m/s，峰值持續(xù)時間均為25 s的方波控制信號，系統(tǒng)響應(yīng)如圖9所示。

圖8　模糊 PID 得到的仿真結(jié)果

圖9　模擬旋轉(zhuǎn)風(fēng)

由圖9可知，在10～25 s的時間段里，測試區(qū)的風(fēng)為10 m/s的東風(fēng)，接下來以15 s為時間段，測試區(qū)的風(fēng)依次變化為13 m/s的南風(fēng)、10 m/s的西風(fēng)、13 m/s的北風(fēng)。這就形成了一個風(fēng)速、風(fēng)向旋轉(zhuǎn)變化的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場。經(jīng)過操作經(jīng)驗積累，便能得到風(fēng)向變化連續(xù)、自然的旋轉(zhuǎn)風(fēng)。

綜上，在模擬單向風(fēng)時，選擇控制參數(shù)調(diào)節(jié)相對方便的Smith控制算法。在模擬側(cè)風(fēng)、旋風(fēng)時，采用對被控系統(tǒng)模型依賴小、控制精度高的模糊PID算法。

3控制器設(shè)計

工控過程中廣泛應(yīng)用可編程邏輯控制器、觸摸屏或者工控機組成的系統(tǒng)作為控制設(shè)備。作為此抗風(fēng)試驗場的控制器，還應(yīng)滿足一些特殊要求，比如在測試過程中，應(yīng)能從不同角度觀察被測旋翼無人機的飛行姿態(tài)。為了保證飛行安全和全面體現(xiàn)出被測設(shè)備的抗風(fēng)能力，控制器應(yīng)能根據(jù)被測無人機的被測狀態(tài)，下達相應(yīng)指令，因此控制器應(yīng)具有小巧方便、可移動的特點。嵌入式控制器可實現(xiàn)此功能[10]。

風(fēng)管出風(fēng)口動作通過以下設(shè)計實現(xiàn)控制：將風(fēng)管出風(fēng)口部分放置于控制臺上，通過卷揚機牽引此平臺上下移動；平臺一側(cè)固定，另一側(cè)通過液壓機構(gòu)升降，實現(xiàn)俯仰動作；平臺與齒輪連接，通過步進電機控制齒輪轉(zhuǎn)動的角度實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。

用基于Cortex-M3架構(gòu)的Stm32微控制器控制SIEMENS M430變頻器，M430與風(fēng)機系統(tǒng)中變頻電機連接來調(diào)節(jié)風(fēng)速。Stm32與卷揚機系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、伺服電機系統(tǒng)連接，分別實現(xiàn)出風(fēng)口高度調(diào)節(jié)、俯仰角度調(diào)節(jié)、左右轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)。Stm32微控制器通過ILI9341控制器與帶觸摸屏的TFT-LCD連接，用來顯示控制信息。

4結(jié)論

(1)根據(jù)敞開式抗風(fēng)試驗場對風(fēng)速、吹風(fēng)面積等指標(biāo)要求，根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律、風(fēng)機類型、應(yīng)用場合和性能指標(biāo)等參數(shù)，經(jīng)過理論計算和CFD流體仿真，解決了風(fēng)機類型、功率、風(fēng)管尺寸等基礎(chǔ)問題。設(shè)計出使風(fēng)管能在3個方向轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，并搭建了風(fēng)場所需的基礎(chǔ)硬件平臺。

(2)為了更好地模擬3種主要自然風(fēng)，分析了不同風(fēng)的特點，并結(jié)合硬件實現(xiàn)條件，逐一分析、設(shè)計風(fēng)速實現(xiàn)控制方法，并通過Matlab仿真驗證了算法的合理性。為了在試驗中更全面地觀察被測旋翼無人機系統(tǒng)的飛行狀態(tài)，選擇操作靈活的嵌入式設(shè)備作為控制器。

(3)在此系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過不斷積累實際經(jīng)驗，風(fēng)速、風(fēng)向控制配合協(xié)調(diào)后，可模擬自然風(fēng)。此種控制方法是將風(fēng)速與風(fēng)向的控制分開來設(shè)計的，并沒有一個統(tǒng)一的算法自動協(xié)調(diào)兩種控制命令，這將是以后改進整套系統(tǒng)的研究方向。

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YANG Yiqiang:Postgraduate; School of Automation,WUT,Wuhan 430070,China.

[編輯：王志全]

文章編號：2095-3852(2016)01-0131-05

文獻標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-08-31.

作者簡介：楊義強(1989-)，男，山東淄博人，武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生.

中圖分類號：TP29

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.029

Design of Centrifugal Fan Control System for Natural Wind Simulation

YANG Yiqiang,FU Jing,SONG Zhongkang,Tang Fuyuan,Chen Yi

Abstract：In order to examine the wind resistance ability of the rotorcraft Uav inspection system,the wind resistance test equipment was designed to simulate the natural wind.This article introduces the centrifugal fan system and the construction of duct and its control device,then the methods to simulate the natural wind and the wind-speed control arithmetics were studied.In the following part,it described the rationality of control arithmetics depend on the simulation results.Finally,the reason to choose the embedded controller and its design were illustrated.All the above combined to the wind resistance test equipment.

Key words：centrifugal fan system；simulating natural wind；wind-speed control arithmetic；control device