双轴双涵压气机试验器五级叶片角控制系统设计及试验验证

李成鑫 王海龙 王袖婷

摘  要：主要介绍了双轴双涵压气机试验器五级叶片角调节控制系统的设计过程，将基于硬件的控制方法、PLC控制技术及WinCC编程技术运用在实际叶片角控制系统设计中;利用一元多项式回归解决了叶片角标定过程的非线性化问题，保证了叶片角调节的精度。并通过试验验证，该套系统具有较高的控制精度，可满足叶片角试验要求，具有较高的示范和推广价值。

关键词：一元多项式回归;PLC技术;WinCC

1 前言

双轴双涵试验器的建设将使我国首次具备研究风扇与压气机匹配和气动稳定技术的试验能力，填补国内高、低压压气机部件气动匹配试验研究手段的空白，促进航空发动机设计，缩小相关试验技术与发达国家的差距。作为该试验器重要的组成部分，叶片角控制系统的稳定性和可靠性对试验器有着至关重要的影响。

以往单轴试验叶片角调节控制过程是程序控制调节为辅，主要是依靠操作人员观察试验件外部叶片角刻度盘位置对叶片角进行手动开环调节。双轴试验受试验件结构影响，其高压压气机叶片角没有外置联动刻度盘，完全依靠程序闭环控制相应的角度，所以与单轴试验器叶片角控制系统相比，双轴叶片角控制系统对叶片角的控制精度要求更高。本文从液压系统、电控系统等方面对系统设计进行了详细介绍，并对系统中关键技术及解决进行了阐述，设计的五级叶片角控制系统经试验验证，结果满足试验要求。

2 系统设计

2.1 总体思路

通过搭建控制硬件平台，构建伺服阀—叶片角控制模型，利用PLC硬件控制伺服阀达到叶片角的精确控制。为达到安全可靠控制叶片角的目的，先对控制模型进行分析。叶片角控制系统方框图如下：其中伺服阀是执行器，而叶片角角度则是被控对象，PLC硬件系统是调节器。

在方案设计阶段，设计团队采用PLC硬件系统完成双轴双涵试验器叶片角的控制程序。该系统具有可靠稳定的特点，并不受电脑死机、掉电等影响，自成系统。

2.2 技术方案

设计开发新型的多级叶片角度控制系统，具备五级角度同时调节。为压气机部件试验中五级静子叶片分别按设计好的各自 [换算转速—角度]曲线随换算转速实时控制跟踪角度，同时可分别调节各级角度，摸索性能匹配关系。系统应设计灵活，控制精度高，同时考虑叶片机试验特性，具备高的稳定性，高负荷性，角度调节无超调、手动自动无扰动切换等特点;控制设计灵活，安装方便，根据具体使用特性，具备多种角度同步调节，高负荷下角度稳定无波动等特性;可根据不同试验件特点选择各个叶片角跟随高压或低压压气机换算转速。

该系统分2个部分：液压系统（液压站、伺服方向阀、作动筒）、控制系统。

2.2.1 液压系统

液压系统主要由液压油站、油泵、油站加热系统、油站冷却系统、叶片角角度调节系统等部分。试验原理是，启动油站建立压力后，通过控制伺服阀的开度大小及开关方向，控制作动筒到达指定位置，从而带动叶片角开关到某一角度。

2.2.2 控制系统

电控系统硬件平台由两部分构成，上位机计算机和下位机PLC及相应模块。上位机为操作人员控制叶片角提供操作界面，并对相应状态参数进行显示，记录存储操作指令、报警信息等;下位机对叶片角伺服阀进行控制给定，从而实现对叶片角角度进行闭环控制，并对参数、状态进行采集处理。通过叶片角控制系统实现对液压油站、叶片角伺服阀、换向阀进行控制，实现五级叶片角按照控制规律进行精准调节，满足试验要求。

上位机采用WinCC组态环境。WinCC软件是西门子公司基于Windows操作系统推出的组态软件，是HMI/SCADA系统的软件平台，作为全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与西门子的自动化系统—SIMATIC S5 S7系列PLC进行方便的连接和高效的通讯[1]。同时WinCC软件可对重要参数、人员操作信息、故障信息等进行归档记录，确保每次事件都有追溯。

3 技术难点及解决措施

3.1 叶片角控制算法的设计

对五级叶片角进行统一协调控制，要求每级叶片角既可以手动单独控制，又可以自动跟随换算转速进行自动调节，两种控制模式均能进行无扰动的切換。另外由于在不同的试验件上叶片角所承受的载荷并不一致，使得作动筒的受力情况不同，所以对设计的叶片角控制系统要求有较强的鲁棒性。采用西门子FM355模块对液压阀门的开度进行控制，降低CPU负荷[2]。

启用对控制参数自整定功能，并设置合理的PID参数，以及相应的边界条件。通过带试验件叶片角进行运转调试，找到合理的边界条件。从而使得该叶片角控制系统可以通过对参数的自整定，使得叶片角控制系统在不同的扰动下均具有良好的鲁棒性，从而自动适应不同的试验件调试需求。

3.2 叶片角非线性标定

以往单轴试验器的叶片角控制，在试验前对叶片角标定是通过记录最大与最小叶片角角度以及当时作动筒位移值，采用线性插值方法计算出某一角度对应的作动筒位移值。但是当两者关系非线性时，会对角度的控制造成较大误差，但是现阶段单轴试验过程中主要是依靠操作人员参照叶片角的机械角度盘对叶片角控制进行手动修正。但是在双轴试验中，高压压气机叶片角在机匣内部，无法直观观察角度变化。所以本项目中需要一种新的算法，要求建立作动筒位移值和角度的精确的匹配关系。

为满足不同试验件要求，设计团队采用一元多项式回归的方法，记录10组角度与作动筒位移反馈关系，并作多项式回归，拟合成一条角度与作动筒伸长量的关系曲线。

在叶片角标定时，先按作动筒伸长方向进行标定，记录10组叶片角角度和作动筒伸长的关系，再按照作动筒缩短的方向进行标定修正，再次进行10组关系标定。标定步骤结束后，程序会自动对正反两次标定的参数进行修正，从而消除作动筒由于机械原因造成的误差。再利用一元多项式回归的方法，计算合理的角度与作动筒位移的关系。在进行叶片角控制调节的时候，在给定某一角度后，依照该曲线计算得出对应作动筒位移值，从而实现对叶片角的精确控制。

3.3 叶片角角度根据转速自适应

试验要求叶片角角度可以根据换算转速进行自动跟随调节。但两者关系往往为非线性，而且叶片角起调角度对应的转速相对较高，调节范围相对较小，所以利用多项式回归的方法并不能拟合出两者相对理想的关系曲线。

本项目设计团队针对这一特点，采用分段线性处理，每级叶片角都能设置最多15对[换算转速—角度]关系点，每组点之间做线性处理。若换算转速超过设置的关系点，角度则维持之前的上限或下限不变。

通过试验验证，该方法可以使得各级叶片角角度稳定准确跟随换算转速进行自动调节。

4 试验验证

在带试验件运行的调试过程中，试验件角度液压系统参与控制，分别在外轴转速9650rpm、10530rpm、10860rpm、11400rpm时自动调节角度至设定值，叶片角液压伺服阀及液压缸运行正常，反馈正确。

由单个操作岗位能完成所有角度调节系统的需求，完成了对于新型多级叶片角度调节系统的验证，角度控制误差不超过0.1°，功能及稳态动态特性可满足试验要求。

叶片角执行记录见表4。

5 结论

本项目中利用多项式回归方法，提高了叶片角控制精度，并满足不同试验件的需求。在试验过程中，该系统高压压气机叶片角在随转速自动跟随过程中不需要人为手动调整，极大的减少了调节时间，在自动模式下与转速关系匹配更好，增强了试验器的可靠性，并且降低了试验能耗。

另外基于可编程控制器经典过程控制算法的应用，有效提高了系统的响应速度，同时满足叶片角调节精度要求，调节过程平稳无超调，增加了系统的可靠性与灵活性，满足试验件对叶片角的控制要求。

参考文献

[1]梁飞 基于WinCC和OPC的配料监控系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2008.

[2]朱景红，王汝才 FM355C在水泵测试系统电动阀门控制中的应用[J].机械研究与应用，2018（3）：185-187.