李闖勤

（航空工業(yè)飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

飛機結(jié)冰會引起飛機氣動特性、動力系統(tǒng)性能以及操縱等方面的問題，嚴重影響飛機性能[1]。結(jié)冰氣象條件模擬設(shè)備作為飛機防除冰系統(tǒng)試驗驗證的常用手段，用于產(chǎn)生符合試驗所需的結(jié)冰環(huán)境[2]。在飛機結(jié)冰環(huán)境模擬方面，現(xiàn)階段國內(nèi)結(jié)冰氣象條件模擬設(shè)備對結(jié)冰云參數(shù)覆蓋范圍有限，僅實現(xiàn)了對中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準（CCAR-25）附錄C的部分覆蓋，不能完全滿足CCAR-25部附錄C要求的中值直徑和液態(tài)水含量組合條件，因此需對飛機結(jié)冰環(huán)境模擬技術(shù)進一步進行研究，制備出可實現(xiàn)完全覆蓋CCAR-25部附錄C要求的結(jié)冰云。

針對結(jié)冰氣象條件模擬設(shè)備系統(tǒng)控制需要，提出了一種適用于氣候環(huán)境實驗室的結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)控制方案，對系統(tǒng)原理功能、組成、設(shè)計指標和控制系統(tǒng)硬件設(shè)計等進行了詳細論述。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)功能與組成

結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)主要功能是產(chǎn)生符合CCAR-25部規(guī)定的連續(xù)結(jié)冰條件及間斷結(jié)冰條件的云霧。結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)組成如圖1所示。

結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)組成包括：

（1）噴霧臺：即噴嘴陣列，用于混合霧化用水和霧化用氣，形成滿足粒徑和濃度要求的結(jié)冰云霧。

（2）工藝系統(tǒng)：包括供水系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)兩部分。其中供水系統(tǒng)對凈化后的水增壓并將一定流量的水送至噴嘴陣列；供氣系統(tǒng)對空氣進行調(diào)節(jié)后送至噴霧陣列，用于噴霧供水的霧化。

圖1 ??結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)組成

（3）控制系統(tǒng)：對供水、供氣壓力進行控制，滿足液態(tài)水含量、水滴平均直徑要求。

1.2 系統(tǒng)原理

噴霧供水與壓縮空氣在內(nèi)混式的兩相流霧化噴嘴內(nèi)進行混合產(chǎn)生霧化小水滴，水滴在離開噴嘴之后，在氣流的夾帶作用下，發(fā)生傳熱傳質(zhì)，溫度降低，逐步達到過冷狀態(tài)，形成過冷水滴結(jié)冰云霧。

1.3 設(shè)計要求

結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計指標如下：

（1）系統(tǒng)工作環(huán)境溫度：-40～0℃；

（2）中值直徑MVD可調(diào)節(jié)范圍：15～50 μm；

（3）液態(tài)水含量可調(diào)節(jié)范圍：≤3.0 g/m3；

（4）可實現(xiàn)連續(xù)最大結(jié)冰條件與間斷最大結(jié)冰條件的快速轉(zhuǎn)換，試驗條件穩(wěn)定時間≤90 s；

（5）液態(tài)水含量均勻性要求：在60%面積范圍內(nèi)±0.15g/m3；

（6）結(jié)冰云有效面積：≤1 m2；

（7）設(shè)計風速：≤18 m/s。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制原理

云霧模擬系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是實現(xiàn)液態(tài)水含量、霧滴直徑的控制，本質(zhì)是通過精確調(diào)節(jié)供水壓力實現(xiàn)對液態(tài)水含量參數(shù)的控制，調(diào)節(jié)水壓與氣壓的壓差實現(xiàn)對霧滴直徑MVD的控制[3-4]。

結(jié)冰云模擬平臺的系統(tǒng)工藝原理如圖2所示。在供水及回水管路設(shè)置有離心泵P1、壓力傳感器PT1、PT2，流量傳感器FT1、壓力控制閥PCV1、背壓控制閥PCV2；在供氣管路上設(shè)置有壓力控制閥PCV3、壓力傳感器PT3。

圖2 ??系統(tǒng)工藝原理圖

供水壓力控制采用閉環(huán)PID算法調(diào)節(jié)控制閥PCV1完成，壓力變送器負責將壓力轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號，控制器根據(jù)設(shè)定的水壓信號和壓力反饋信號進行比較得到偏差再執(zhí)行PID運算，輸出調(diào)節(jié)量，進而控制壓力控制閥PCV1，實現(xiàn)對供水壓力的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥PCV2采用開環(huán)控制方式用于配合控制閥PCV1實現(xiàn)對噴嘴處供水壓力的穩(wěn)定控制。供水壓力控制框圖如圖3所示。

圖3 ??供水壓力控制框圖

供氣壓力控制同樣采用閉環(huán)PID算法實現(xiàn)。管路上的壓力傳感器負責將管路壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA的電流信號，控制器根據(jù)設(shè)定的氣壓信號和壓力反饋信號進行比較得到偏差，再執(zhí)行PID運算，得出調(diào)節(jié)量，進而對壓力控制閥的開度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對管路壓力的調(diào)節(jié)。供氣管路壓力控制框圖見圖4。

圖 4??氣壓控制框圖

2.2 控制系統(tǒng)組成

結(jié)冰云霧模擬控制系統(tǒng)采用了以西門子全集成自動化技術(shù)為核心的控制方案[5]，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖 5??控制系統(tǒng)組成

組成包括：供水管路壓力傳感器、供水管路流量傳感器、供水管路調(diào)節(jié)閥、回水管路壓力傳感器、回水管路流量傳感器、回水管路調(diào)節(jié)閥、供氣管路壓力傳感器、供氣管路調(diào)節(jié)閥、供水電磁閥、增壓水泵、PLC控制器、交換機和WinCC工作站計算機。其中，控制器選用西門子S7-200 SMART小型可編程控制器，通過DO，AI，AO擴展模塊，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等設(shè)備的控制。試驗監(jiān)控軟件采用WinCC組態(tài)軟件完成云霧模擬設(shè)備的在線監(jiān)控、過程數(shù)據(jù)歸檔、歷史數(shù)據(jù)瀏覽等功能。WinCC工作站計算機作為人機交互接口，與PLC控制器之間通過以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[6-7]。

2.3 硬件設(shè)計選型

控制系統(tǒng)硬件設(shè)備選型如表1所示。

表 1??設(shè)備選型清單

2.4 控制程序功能與流程設(shè)計

云霧模擬系統(tǒng)軟件控制功能主要包括：

（1）水泵的啟/?？刂?；

（2）霧化噴嘴模式（噴霧模式/回水模式）配置；

（3）管道壓力、流量檢測；

（4）閥門開度給定/反饋信號檢測；

（5）調(diào)節(jié)閥PID閉環(huán)（用于噴霧模式）/開環(huán)模式（用于系統(tǒng)調(diào)試）控制。

云霧模擬系統(tǒng)運行流程如圖6所示。

云霧模擬系統(tǒng)噴霧模式壓力PID控制調(diào)節(jié)流程如圖7所示。

2.5 監(jiān)控軟件設(shè)計

云霧模擬系統(tǒng)監(jiān)控軟件主要畫面包括：參數(shù)設(shè)置畫面、過程監(jiān)控畫面。其中，通過參數(shù)設(shè)置畫面的按鈕可對噴嘴供水支路電磁閥進行配置，以實現(xiàn)噴霧模式和回水模式的切換，以及對系統(tǒng)供水壓力、供氣壓力、手動調(diào)節(jié)/自動PID調(diào)節(jié)、試驗啟動/停止的設(shè)定等，參數(shù)設(shè)置畫面見圖8。過程監(jiān)控畫面用于對云霧模擬系統(tǒng)的各工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控，過程監(jiān)控畫面見圖9。

圖6 ??控制程序流程圖

圖7 ??系統(tǒng)控制程序流程圖

圖8 ??系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面

圖 9??過程監(jiān)控畫面

3 結(jié)????論

針對氣候環(huán)境實驗室結(jié)冰云霧參數(shù)控制需求，設(shè)計了一套結(jié)冰云霧模擬系統(tǒng)，對云霧模擬系統(tǒng)功能、組成、原理、設(shè)計要求，以及系統(tǒng)控制原理、組成、硬件選型、軟件設(shè)計進行詳細闡述。結(jié)果表明,系統(tǒng)人機界面友好，運行可靠，能夠滿足液態(tài)水含量、霧滴直徑參數(shù)的精確調(diào)節(jié)，產(chǎn)生符合試驗所需的結(jié)冰環(huán)境。