王茼旦 吴双金

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

图1：控制系统总体框图

图2：控制系统功能模块结构图

风洞作为一种大型的试验设备，在开展直升机和飞机等飞行器模型空气动力学方面的试验和研究方面，有着不可替代的作用。风洞主要用来对直升机缩比模型或者某个部件（如旋翼系统、机身）进行吹风试验，研究试验件的振动、载荷响应和空气动力学特性。风洞作为一种高准确度的试验设备，对试验段的风速有着调节精度高、调节范围宽、调节速度快等严格的控制要求，风速控制系统中使用变频调速技术能够保证试验段流场控制的稳定性，提高控制精度。

1 风速控制系统的基本要求

1.1 调速原理

交流电机工作转速关系

式中：n 电机转速，单位r/min；

f 电机频率，单位Hz；

p 电机磁极个数；

s 转差率。

从上式可知，改变f、p 和s 中的任何一个参数都可以改变电机的转速n，达到对电动机进行调速控制的目的。因此，改变电动机供电电源的频率，即可实现对其转速的控制，而变频器可完美的实现该功能。

1.2 基本要求

图3：风速控制软件界面

图4：状态显示界面

图5：风速全历程数据曲线

图6：38m/s 风速数据曲线

图7：38m/s 风速对应电机转速数据曲线

（1）风速（电机转速）连续可调；

（2）风速稳定精度≤0.5%；

（3）变频器效率≥96%；

（4）软件模块化结构设计，功能实用；

（5）系统安全、可靠，操作使用方便。

2 系统设计及应用

2.1 硬件设计

该风洞风速控制系统以变频器和风扇电机为核心，同时包括电源、冷却系统、轴承润滑等辅助系统。采用西门子S7-300PLC 为主控机、工控机（IPC）为上位机，工控机与PLC 之间采用MPI 通讯方式，变频器与PLC 之间采用PROFIBUS-DP 通讯方式以实现风速控制、控制参数给定、实时状态显示及控制数据存储等数据交换和控制功能，完成各子系统运行控制、状态监测与安全联锁。风洞风速控制系统的硬件总体框图见图1。

变频器主要技术参数：

· 输入电压：10.0KV；

· 输出电压：6kv；

· 额定电流：660A；

· 功率因数为0.95；

· 输出频率0 ～120HZ；

· 静态转速控制精度：±0.1%；

· 频率分辨率：0.01Hz；

电机主要技术参数：

· 额定功率：5500kW；

· 额定电流：644.9A；

· 额定电压：6000V；

· 功率因数：0.855；

· 效率：95.99%。

该系统上位机采用工控机，运行于Windows XP 操作系统平台，包括PROFIBUS 总线通讯模块和数据采集模块。

2.2 软件设计

风速控制系统软件开发环境为VB.NET。系统初始化参数保存在配置文件中，系统启动时自动读入，与上次运行初始化参数一致，主要包括传感器系数、速压传感器零点值和风速修正系数等重要参数。系统软件由稳风速控制、冷却系统控制、润滑系统控制、电机和轴承温度监测、故障报警监测、传感器配置、数据存盘等功能模块组成，控制系统功能模块结构如图2 所示。

本系统以风速控制为主界面，通过命令按钮，能够进入状态显示、数据监测和参数设置界面，风速控制软件界面见图3。

风速控制界面包括系统状态指示、辅助系统控制，包括油泵、水泵和冷却风机的启/停控制、变频调速装置控制，电机电流表电压电机和轴承温度等主要参数显示，能够进行数据曲线显示和状态参数的指示显示。状态显示界面显示所有系统状态信号，报告故障、报警和运行状态，状态显示界面见图4。参数设置界面包括风速修正系数、传感器系数、传感器零点设置等，输入传感器标定系数计算工程量，所有参数能够恢复成默认值。

2.3 风洞试验中的应用

以某型号雷达天线吹风试验为例，进行风速从20m/s 增加到50m/s、步长3 m/s、每个风速状态稳定运行40s 的吹风试验。风速全历程数据曲线图见图5 所示。38 m/s 状态的风速数据曲线及其波动情况见图6 所示。

试验时给定相应状态风速值，经软件转换得到电机转速值，38 m/s 风速状态对应的电机转速数据曲线及其波动情况见图7 所示。

由试验数据看出电机转速稳定后其变化在0.6rpm 以内，风速波动在0.1m/s 左右，控制精度达到0.3%，稳定性好，动态响应平稳，满足技术指标及试验要求。

3 结束语

风洞风速控制系统经过了实际吹风试验中的验证及应用，该系统运行安全、可靠、试验中未出现故障。同时试验过程只需一名试验人员操作上位机软件即可控制风速，操作简单，也减少了人力成本。该系统风速控制稳定、精度高，在飞行器缩比模型空气动力学试验中发挥着重要作用。