模拟平流层环境的加载试验风洞测试与控制系统设计

殷文华，柳建华，张 良，戚大威，刘 旗，张美鑫

（上海理工大学 制冷技术研究所，上海 200093）

0 引言

进入21世纪后，在世界上掀起了研究和开发平流层飞艇的热潮[1-2]。平流层飞艇驻空时间长、成本低，在通信、监测、区域导航和应急救灾等领域具有极高的应用价值[3-4]。平流层位于20 km 左右高空，环境的平均温度约为-57 ℃，最低可达-75 ℃，超出一般电子设备-20～+40 ℃的工作温度范围。另外，平流层的气压比较低，大气密度约为0.088 kg/m3，对流换热效果较差，容易导致部分设 备（或设备局部位置）温度过高或过低，影响设备的正常工作。因此，有必要模拟平流层的低温低压环境，对在平流层工作的电气设备和装置进行性能测试。

本研究设计研制了一套气压、温度及风速可调的模拟平流层环境加载试验风洞及其测试与控制系统。测试结果表明，该系统控制参数设定方便、控制精度高、运行稳定、安全可靠，可以对电子仪器或其他试验设备进行低压低温环境试验。

1 风洞

1.1 设计要求

1）气压控制要求：气压范围为4～101.3 kPa，气压≥40 kPa 时，偏差±2 kPa；气压维持在4 kPa时，偏差±5%；气压从1atm 降到4 kPa 的时间须≤45 min。

2）温度控制要求：风洞的模拟环境温度范围为-70～+85 ℃；空载/常压下的温度波动±1 ℃，温度均匀性±2 ℃。当风洞内气压为4 kPa，试验段风速为30 m/s，被测试对象不工作时，风洞系统的模拟环境温度维持在-70 ℃；当风洞内气压不变，而试验段风速为20 m/s，被测试对象最大发热量为 8 kW 时，风洞系统的环境温度维持在-30 ℃。

3）风速控制要求：风洞内设有可调速的风道，当气压为10～1kPa 时（对应10～30 km 高空），可以实现0～30 m/s 的风速。

1.2 系统组成

根据相关设计的功能要求，模拟平流层环境加载试验风洞主要由试验装置主体、低温系统、低压系统以及风洞测试与控制系统组成，其中风洞测试与控制系统又包含3 个子系统。风洞的系统组成如图1所示，风洞的主要设备及结构原理如图2所示。

图1 风洞及其测试与控制系统组成Fig.1 Schematic diagram of the wind tunnel and its test and control system

图2 模拟平流层环境加载试验风洞的主要设备及结构Fig.2 Schematic diagram of the stratosphere environmental simulation wind tunnel

2 风洞测试与控制系统

2.1 系统组成

风洞测试与控制系统由风洞控制子系统、数据采集子系统、安全与报警子系统组成（见图1），其主要功能包括：风洞试验设备开关的控制；风洞试验各项指标的控制实现；系统运行各项参数的记录；故障报警与处理。

风洞测试与控制系统的硬件组成包括计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、PID 调节器、Agilent公司的34970A 数据采集仪、Kinco 触摸屏、变频器、调功器、温度传感器、压力传感器等，如图3所示。

图3 风洞测试与控制系统的硬件构成Fig.3 Schematic diagram of the measurement and monitoring system

2.2 风洞控制子系统

风洞控制子系统的自动控制对象是风洞内的空气温度、压力以及风速。该子系统以PLC 作为核心，接收现场测量输出的各种信号，经过比较计算给出控制量；以触摸屏作为人机交互的操作界面，风洞各设备的开启与关闭操作全部在触摸屏上进行；PLC 与触摸屏之间的通信采用RS232 标准通信接口。风洞内的空气温度、压力以及风速通过PID 控制器进行自动调节。

2.2.1 温度控制

风洞试验段的温度稳定性对试验结果的影响很大，因此要求具有较高的温度控制精度。试验段的温度主要由制冷机组和电加热组合控制，控制原理如图4所示。

图4 风洞温度控制原理Fig.4 The wind tunnel temperature control principle

在试验段进风口对称布置了4 个铂电阻测温点，采集空气温度并输送至PID 控制器；PID 控制器向PLC 和调功器同时发出4～20 mA 的控制信号。PLC 接收到信号后，控制制冷机组中压缩机的卸载和制冷剂的旁通；调功器接收到信号后，调节电加热的功率。电加热器采用模糊PID 控制，其加热量由PID 控制器根据风洞内温度的变化进行控制。风洞内的风机与制冷机、电加热器在控制逻辑上互锁，只有当风机启动后，制冷机和电加热器才能启动，以防冷量或热量聚集在蒸发器处无法散发出去而破坏设备。

2.2.2 压力控制

风洞试验段的压力主要由真空泵和电动调节阀共同控制调节，控制硬件包括压力传感器、PID控制器和PLC 等。真空泵一直开机，当风洞试验段压力达到4 kPa 时，电动调节阀启动进行调节。压力传感器采集试验段压力信号并输送至PID 控制器，再由PID控制器向电动调节阀发出4～20 mA的控制信号。电动调节阀接收到信号后，调节阀门开度，控制抽气速率，维持试验段压力在4 kPa。

2.2.3 速度控制

根据设计要求，不同的工况对风速的要求不同，因此需具备可调速风道，其内部设置试验测试风道，气压为1～10 kPa 时可以实现0～30 m/s 的风速。风洞试验段的风速主要由风机调节，控制硬件包括压差传感器、PID 控制器、PLC 和变频器等。压差传感器采集试验段风速信号并送至PID 控制器，而PID 控制器再向变频器发出4～20 mA 的控制信号。变频器接收到信号后，调节风机频率，维持试验段风速在试验工况所要求的范围内。

2.2.4 测控电路设计

电路设计分为强电（设备）电路设计和弱电（控制系统）电路设计。强弱电路分别放置于独立的电控箱，并采取有效隔离措施，分别可靠接地，所有信号线均使用屏蔽线，以防止相互干扰，尤其是防止强电感应磁场对控制信号的干扰造成误操作和采集传感器的信号偏差。

强电电路由配电箱供应380 V 三相交流电，配电箱输出的交流电再经过断路器、交流接触器、热保护器送入制冷机组、真空泵和电动调节阀；经过断路器、交流接触器、调功器送入电加热器；经过漏电断路器、交流接触器、变频器送入风机。弱电电路向包括数据采集仪、PLC、PID 控制器、继电器等供电，采用24 V 直流电源给PLC 和触摸屏进行供电。其中数据采集仪、PLC、PID 控制器的供电线路之前需要加一个交流变压器，起到隔离作用以防止强电电路对控制信号的干扰。

强、弱电电控箱均安装动力及照明电源接点，以方便现场用电。控制系统设置完备的保护措施和报警功能，保证系统稳定可靠运行。

2.3 数据采集子系统

数据采集子系统不仅可以实时监视模拟平流层环境加载试验风洞的运行状态，而且可为其他测控子系统提供必要的数据支持。

2.3.1 系统组成

数据采集子系统由铂电阻、压力传感器、压差传感器、数据采集仪和数据采集软件组成。风洞运行时，各种传感器将采集的信号变换为电信号后传送至数据采集仪，经由数据采集仪输出的信号分别通过USB、RS232 或RS485 串口传送到计算机[5]。在现场的计算机上可以进行数据的显示、存储、打印和处理。

2.3.2 数据采集软件的操作界面设计

数据采集软件采用Visual Basic 面对对象编程语言为开发平台[6]，设计有13 个窗体、1 个宏定义的模块。13 个窗体为登录界面、主界面、机组信息、设计工况、测试参数、显示曲线、生成报告、添加用户、修改用户、删除用户、查找报告、历史曲线和历史数据界面。

1）登录界面。用户登录需要输入用户名和密码，用户也可以根据测试要求修改用户名和密码。

2）主界面。主界面是人机交互的主要平台，如图5所示。在菜单栏中，用户可以完成对机组信息、设计工况和测试参数的设置，还可以启动测试、结束测试、显示曲线和生成报告等。为了方便用户操作，在主界面上还设有工具栏，并提供一些常用的功能快捷键。

3）参数输入界面。在机组信息界面中，用户可以输入被测机组的基本信息；在设计工况界面中，可以输入被测机组的设计信息；在测试参数界面中，可以选择需要测量的参数。

4）显示界面。界面的上半部分显示的是设计工况、测试参数以及记录测试时间；下半部分显示的是实时采集数据，包括试验段的风速、压力、温度等。当测试工况达到稳定后，由测试人员点击“存储数据”功能进行数据保存，同时系统内部自动对数据进行处理。在显示曲线界面中，用户可以选择需要显示的曲线类型，并打印输出；在查找报告界面中，用户可以根据报告名、报告类型查找相应的报告；用户还可以在历史数据、历史曲线界面查找原始数据、原始数据曲线。

5）其他。界面还提供了添加用户、修改用户和删除用户的功能，方便用户安全使用软件。同时右边设有备用通道，方便日后对软件的升级换代。

图5 测试软件操作界面Fig.5 Main interface of the test software

2.4 安全与报警子系统

为了使系统运行时发生的故障能得到及时报警和处理，本测控系统设计了安全与报警子系统。

报警信号通过输入端口送至PLC，经由PLC程序作出触发报警的判断，通过通信线将相应的报警信号传输至触摸屏，操作人员可根据操作步骤对报警信息进行相关处理，保证风洞运行的安全。此外，当PLC 做出报警触发同时，PLC 还向蜂鸣器输出信号，发出声音报警。

3 结束语

本文所设计的模拟平流层环境加载试验风洞的测试与控制系统，不仅能够对试验设备和试验工况进行精确控制，还可以实现多路数据实时采集，集数据显示、分析、保存和打印功能为一体。该系统设计了友好的人机交互界面，具有试验操作向导、多功能操作界面、试验动态曲线实时监控、试验系统故障报警与处理等功能，可为风洞及其设备的稳定、安全可靠运行提供保障。

（References）

[1]程雪涛, 徐向华, 梁新刚.低空环境中浮空器的热数值模拟与实验研究[J].宇航学报, 2010, 31(10)∶2417-2421 Cheng Xuetao, Xu Xianghua, Liang Xin’gang.Thermal simulation and experiment for an airship under low altitude environment[J].Journal of Astronautics, 2010, 31(10)∶2417-2421

[2]Wroblewski D E, Cote O R, Hacker J M, et al.Velocity and temperature structure functions in the upper troposphere and lower stratosphere from high-resolution aircraft measurements[J].Journal of the Atmospheric Sciences, 2010, 67(4)∶1157-1170

[3]李焱, 才满瑞, 佟艳春.临近空间飞行器的种类及军事应用[J].中国航空, 2007, 20(10)∶39-44 Li Yan, Cai Manrui, Tong Yanchun.Species and military application of near space vehicle[J].Aerospace China, 2007, 20(10)∶39-44

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[5]Agilent 34970A/34972A.Data acquisition/switch unit user’s guide[G].Agilent Technologies, 2013

[6]刘旗, 柳建华, 张良, 等.基于GPIB 通信的大冷量风冷冷水机组性能测试系统设计[J].低温与超导, 2013, 41(3)∶78-81 Liu Qi, Liu Jianhua, Zhang Liang, et al.Design of air-cooled chiller performance test system based on GPIB interface[J].Cryogenics and Superconductivity, 2013, 41(3)∶78-81