0   引言

结冰风洞是飞行器结冰和防除冰研究的主要地面试验设备。风洞试验中，在一定的内部环境温度、气流速度和压力条件下，结冰风洞利用喷雾系统在试验段模拟云雾环境。云雾环境的重要参数包括液态水含量、平均水滴直径和水滴温度，这些参数均是由喷雾系统通过控制一定的供水压力、供水温度、供气压力、供气温度、喷嘴开启数量和喷嘴布局来实现的。因此，喷雾系统的设计及精确控制至关重要，也是难点。当今世界有代表性的结冰风洞有4座：美国NASA格林研究中心结冰研究风洞(IRT)、意大利航天研究中心结冰风洞、美国LeClerc结冰试验室的考克斯(Cox)结冰风洞和中国CARDC的结冰风洞。每座风洞都有一套复杂的喷雾系统，然而，在国内外公开发表的论文中，有不少关于云雾参数方面的研究，但很少有对形成云雾参数的喷雾系统设计及控制进行研究。本文介绍了某座结冰风洞的喷雾系统，并针对该喷雾系统组成复杂、控制回路较多、存在各种耦合关系、控制难度很大等特点，开展了控制方法研究。

1   系统组成及控制要求

1.1   系统组成

喷雾系统主要由以下几部分组成：供水系统、供气系统、喷雾架和控制系统，系统原理如图 1所示。

图  1  喷雾系统原理图

Figure  1.  Principle of spraying system

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供水系统主要由储水箱、加压水泵组、水加热器和电动调节阀等组成。储水箱内的水经过水泵组加压进入加热器，然后分为2路，一路进入喷雾架，另一路经主路调节阀回水箱。供水系统提供的热水进入喷雾架后，分为多个支路分别进入喷雾耙。供水系统需要实现供水主路压力、温度的精确控制。

供气系统由配气站供气，气体经过加热器和电动调节阀达到指定温度和压力，然后进入喷雾耙。供气系统需要实现供气压力、温度的精确控制。

喷雾架由多排竖直安装的喷雾耙组成，喷雾耙布局如图 2所示。每个喷雾耙布置有一条供水管路和一条供气管路。每条供水管路入口处安装一台电动调节阀，起到减压和节流的作用；每条供水管路出口处安装一台电动调节阀，用于供水压力的精确调节。电动调节阀布局如图 3所示。

图  2  喷嘴耙布局

Figure  2.  Spraying rakes distribution

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图  3  调节阀布局

Figure  3.  Regulating valves distribution

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每个喷雾耙上安装几十只喷嘴，共有上千只喷嘴，喷嘴布局如图 4所示。每个喷嘴均有单独的供水、供气管路，由电磁阀控制水路的开闭，水和气在喷嘴内混合后喷出。喷雾系统通过控制电磁阀开启数量、喷嘴布局，以及喷嘴入口的水压、水温、气压和气温获得满足试验要求的云雾环境。

图  4  喷嘴布局

Figure  4.  Nozzles distribution

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控制系统采用一套S7-400PLC作为主控制器，多台S7-300PLC作为现场设备控制器。系统按照功能分为3大块：一是喷雾耙控制，主要实现洞内喷雾耙上设备的控制和监测；二是供水供气主路控制，主要实现供水供气主路压力温度控制；三是通信部分，主要实现喷雾控制系统各控制器之间的通信。

1.2   控制要求

喷雾系统的供水压力、供水温度、供气压力、供气温度及喷嘴类型直接影响着云雾环境的平均水滴直径和水滴温度。在喷雾系统预先研究中，空气动力专业技术人员对喷雾系统所用喷嘴进行了详细的性能研究。为了实现结冰风洞云雾环境模拟，对水路和气路的温度和压力提出相应的要求。

(1) 水路。压力：0.01~1.5MPa，控制精度如表 1所示；温度：20℃至90℃，控制精度：±2℃。主路最大供水流量为10kg/s，喷嘴最大喷出水流量为4kg/s。

表  1  供水供气压力控制精度要求

Table  1.  Requisite pressure accuracy for water and air supply

Water pressure range/MPa	Requisite accuracy/%	Air pressure range/MPa	Requisite accuracy/%
0.01~0.5	5	0.01~0.5	3
0.5~1.5	3	0.5~1.5	2

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(2) 气路。压力：0.01~1.5MPa，控制精度如表 1所示；温度：20℃至180℃，控制精度：±2℃。主路最大供气流量为8kg/s。

进行结冰试验时，风洞处于低温状态，需要尽可能减少不符合控制指标要求的水雾量。为此，要求喷雾指令下达后，喷雾系统在小于5s的时间内达到给定的喷雾稳定工作状态，即喷嘴入口水、气压力及温度达到稳定工作状态的过渡过程响应时间小于5s。

2   控制策略

2.1   供水系统压力控制

2.1.1   供水系统压力控制流程

供水系统的压力控制回路包括1个主回路和多个并联的支回路。主回路由水泵组和主路调节阀控制；每个支路的喷嘴入口压力通过该支路前端的入口调节阀和后端的出口调节阀单独控制。

喷嘴入口压力调节范围是0.01~1.5MPa，超过了单个调节阀的可调节范围。因此，需要通过调节水泵流量、入口调节阀开度和出口调节阀开度来实现喷嘴入口压力大范围调节。对于某个工作压力，可以由不同的水泵流量、入口和出口调节阀开度组合获得，但三者同时调节，存在严重的相互干扰问题。另外，调节任何支路的入口调节阀开度，都会影响主路压力，进而影响其他支路压力，也造成其他支路入口调节阀的被动调节。由于并联支路较多，并具有一定的高度差，存在非常严重的耦合问题，这将很难实现各支路压力的精确控制。

针对以上分析，需要优化控制方法，尽量避免多变量输入，同时解决主路及各支路之间的耦合问题。为此，供水主路中，给定2台水泵的转速，实现主路供水流量控制；主路回水调节阀闭环控制，实现主路供水压力控制。多个并联支路中，入口调节阀预置固定开度，对各支路起到了节流、减压，并隔离相互影响的作用；出口调节阀先预置开度，减小支路内压力波动，然后再通过闭环微调实现各支路压力的精确控制。喷雾试验时，在电磁阀打开瞬间，入口调节阀开度不变，根据喷嘴喷水量，出口调节阀在喷雾瞬间补偿到相应开度，然后通过闭环微量调节出口调节阀开度，完成喷雾试验时的压力控制。这种采用入口调节阀预置和出口调节阀先快速预置后闭环调节的策略解决了多个并联支路存在的压力耦合问题，使系统稳定时间达到5s以内。

在以上控制方法中，水泵转速、调节阀开度等参数的预置是实现供水压力精确控制的关键。下面针对供水系统的参数预置进行分析研究，并给出相应的公式。

2.1.2   供水系统参数预置

系统采用2台水泵并联供水，通过变频电机驱动，其扬程(H)、流量(Q)和输出压力(p)均会随电机的转速(n)而改变，公式如下：

式中：下标为n表示泵的额定值；下标为x表示泵的实际值。

水泵的额定扬程(H_n)、额定流量(Q_n)和额定转速(n_n)均可以从厂家样本资料中获得。根据喷雾用水的压力范围，分段设定水泵转速，具体如表 2所示，通过变频电机调速实现水泵转速控制。

表  2  水泵转速设置

Table  2.  Setting rotating speed of bump

Water pressure range/MPa	Rotating speed of bump/(r·min-1)	Number of bump
0.01~0.1	1200	1
0.1~0.2	1500	1
0.2~0.3	2000	1
0.3~0.5	2500	1
0.5~0.8	1500	2
0.8~1.2	2000	2
1.2~1.5	2500	2

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系统供水主回路压力损失包括沿程管路压力损失、局部压力损失和流经设备引起的压降。沿程压力损失Δp_f公式如下：

式中：λ为沿程阻力系数；L为圆管的沿程长度；d为圆管的内径；υ为管内平均流速；ρ为流体密度。

一般局部压力损失Δp_r公式如下：

式中：ξ为局部阻力系数。

经过分析计算，主路压力损失约为0.18MPa，相邻喷雾耙之间压降为0.0046MPa。则第i个喷雾耙前端调节阀入口压力p_ai为：

对于喷雾耙后端调节阀，分析方法同上，初步估算，喷雾架出口处的压力为0.045MPa。则第i个喷雾耙后端调节阀出口压力p_bi为：

调节阀均为等百分比流量特性(对数流量特性)，有以下公式：

式中：Kv_max为调节阀全开时的流量系数；R为调节阀的可调范围或可调比；x为调节阀开度。

通过调节调节阀开度来实现系统流量或压力的调节，其流量公式为：

式中：p₁为阀前压力；p₂为阀后压力。

根据前面的分析可得，第i个喷雾耙入口调节阀的开度x_ai为：

第i个喷雾耙出口调节阀的开度x_bi为：

在实际的系统控制中，先通过上面计算公式给出了每只调节阀的预置开度，经过调试并对调节阀的实际预置开度进行了微调。对于不同的供水压力，均有不同的调节阀开度，由于状态繁多，在此不一一列出。

2.2   供水系统温度控制

2.2.1   供水系统温度控制模式

供水系统温度调节采用循环加热储存模式和精确升温供水模式相结合的方式。循环加热储存模式用于前期试验准备阶段，通过将水在热水箱和加热器间循环流动，逐渐升温至接近工况温度存放；精确升温供水模式用于喷雾系统运行时，精确加热至所需温度后进入喷嘴喷出。2种模式通过二位三通电动球阀进行切换。采用上述控制策略，可大幅减小加热器配置功率。

供水系统电加热器功率共500kW，分为5组，其中2组固定功率，3组可调功率。温度控制系统输出4~20mA信号给周波控制器，周波控制器调控固态继电器的输出从而控制加热器的输出功率。

2.2.2   变参数PID调节供水温度

电加热器的水温控制传递函数G(s)为:

采用基于水流量的变参数PID控制算法实现水温的精确控制，其控制原理如图 5所示。

图  5  变参数PID控制原理

Figure  5.  Principle of variable parameter PID

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图 5中v(t)为流量输入信号，r(t)为设定出水温度信号，u(t)为控制量输出信号，y(t)为实际出水温度信号。通过主路上流量计反馈的水流量，确定不同水流量下PID参数的选取。

2.3   供气系统压力和温度控制

2.3.1   供气系统控制模式

气路压力受温度影响大，而且压力调节范围较宽，采用2个并联的调节阀实现压力调节，主路大调节阀用于大流量下的快速开度预置和压力粗调，旁路小调节阀用于压力精确控制。

供气电加热系统采用一个PTC材料电加热器和一个电热管式加热器串联的方式实现温度控制。一级PTC材料电加热器总功率为500kW，分为5组，可实现单独控制，通过调节开关数量，实现气体初步升温。二级电加热管式加热器总功率为200kW，分为2组，可调功率，工作方式与水路电加热器相同。

由于气体经加热器升温后压力会随之变化，温度和压力之间为耦合关系，需要优化控制策略，保证供气系统压力和温度达到设定值。考虑到气路压力控制调节速度快，温度调节速度慢，在温度调节的过程中，快速地进行压力跟随控制，减小了压力温度的相互影响。

2.3.2   变比例系数快速PID调节供气压力

根据所需供气压力，先预置主路大调节阀开度，然后进行闭环粗调，当供气压力的控制精度优于5%时，大调节阀开度固定，切换到小调节阀进行压力的精确控制。对于旁路小调节阀，采用变比例系数快速PID调节方法实现供气压力精确控制，最终压力控制精度优于2%。PID调节的比例系数为系统偏差的函数，公式为：

式中：e(k)为采样后得到的偏差值；K_pmax、K_pmin为最大、最小比例系数；γ_p为换算系数。

由上式可知，系统偏差大时，比例系数大些，变化也较大；而偏差小时，比例系数小些，变化也较缓慢。在接近给定值时，比例系数基本不变。因此，变比例系数PID调节方法，可提高调节速度，并防止因接近给定值时，比例系数变化过大而引起控制品质的下降。

2.3.3   模糊自适应PID控制供气温度

经过对供气电加热系统的特性分析，一、二级加热器相互独立，单独控制，无耦合关系。一级加热器只进行加热单元的开关控制，根据所需加热温度的高低，选择开启加热单元的组数。二级电加热管式加热器采用模糊自适应PID控制方法来实现供气温度的精确控制。模糊自适应PID的基本结构如图 6所示。

图  6  模糊自适应PID的基本结构

Figure  6.  Schematic of fuzzy adaptive PID control

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模糊控制器所完成的功能是根据温度误差e与误差变化速度ec对PID控制器的3个参数K_p、K_i和K_d进行在线自整定，以实现PID参数的自适应调整，提高控制器性能。PID控制器参数的具体表达式为：

3   试验结果

设定水气压力和温度(供水压力0.3MPa，供气压力0.33MPa，供水温度80℃，供气温度100℃)，喷雾试验时800只喷嘴电磁阀同时开启。在试验段内，利用冰刀和相位多普勒干涉仪分别测量液态水含量和平均水粒直径。

耙1~20水路压力如图 7所示，耙1~20水路压力控制精度如图 8所示。电磁阀打开瞬间，水路压力有一个较大的下降，经过快速调节后压力稳定。试验数据表明，电磁阀开启3s后，水路压力控制精度稳定到4%以内，满足此压力下控制精度为5%的技术指标要求。耙1~20水路温度如图 9所示，水路温度稳定在79℃~81℃之间，满足温度控制精度为±2℃的技术指标要求。

图  7  耙1~20水路压力(0.3MPa)

Figure  7.  Water pressure for 1~20 spray rake(0.3MPa)

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图  8  耙1~20水路压力控制精度

Figure  8.  Water pressure control precision for 1~20 spray rake

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图  9  耙1~20水路温度

Figure  9.  Water temperature for 1~20 spray rake

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耙1~20气路压力如图 10所示，耙1~20气路压力控制精度如图 11所示。电磁阀打开时，水进入喷嘴混合腔，反作用于气路，造成气路压力增大，经过快速调节后，气路压力稳定。试验数据表明，电磁阀开启3s后，气路压力控制精度稳定到1.5%以内，满足此压力下控制精度为3%的技术指标要求。耙1~20气路温度如图 12所示，气路温度稳定在98℃~102℃之间，满足温度控制精度为±2℃的技术指标要求。

图  10  耙1~20气路压力(0.33MPa)

Figure  10.  Air pressure for 1~20 spray rake(0.33MPa)

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图  11  耙1~20气路压力控制精度

Figure  11.  Air pressure control precision for 1~20 spray rake

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图  12  耙1~20气路温度

Figure  12.  Air temperature for 1~20 spray rake

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上述过程重复3次，喷雾指令下达后，喷雾系统均在小于5s的时间内达到给定的喷雾稳定工作状态。通过对云雾环境参数进行测试，云雾粒子平均水滴直径均为25μm，液态水含量为1.1g/m³(在67m/s风速下)，数据重复性较好。由于现有的测试设备性能较差，以上数据可能存在较大误差，后期将购买LWC-200(液态水含量热线风速仪)和ADA(机载液滴分析仪)，对相关数据进行复测。另外，对于液滴温度、浓度和粒径分布等其他云雾参数的测量还在研究之中。由于本文主要针对喷雾系统控制方法进行研究，仅对云雾参数的测量方法和测量结果作一简要介绍，后期对结冰风洞喷雾系统云雾参数进行系统深入地研究后，再另行撰文详述。

4   结论

喷雾系统作为结冰风洞核心配套设备，组成结构复杂，所属设备类型多、数量庞大，控制回路多且相互耦合。针对喷雾系统的这种特点，给出了相应的解决方法和控制策略。具体内容总结如下：

(1) 喷雾供水系统由水泵和调节阀组成多个串并联回路，实现了喷雾供水系统宽范围、高精度的压力控制。

(2) 喷雾供水系统采用入口调节阀预置和出口调节阀先快速预置后闭环调节的策略解决了多个并联支路存在的压力耦合问题，使系统稳定时间达到5s以内。

(3) 喷雾供水系统采用循环加热和变参数PID精确调温结合的方式，大大减小了加热器配置功率，实现了水温精确控制。

(4) 喷雾供气系统采用模糊自适应PID调温、变比例系数快速PID调压的控制策略解决了气体温度大滞后及温度压力耦合的问题，实现了供气温度压力的精确控制。

经过现场调试，系统实际性能达到了预定指标，满足技术设计要求。