摘要：边界层风洞使用PLC完成直流调速控制器，转盘伺服控制器的自动控制，使用数据采集卡采集风洞环境参数。使用基于LabVIEW的上位机控制系统进行对风洞测控系统进行远程自动控制。
关键词：边界层风洞；控制系统；LabVIEW；OPC
前言
边界层风洞是研究风工程与空气动力学的必不可少的重要研究设备，能够满足风工程研究对象的多样性和风速范围要求的宽广性，以及结构破坏时天气的复杂性。目前我国正在建设大量的风敏感结构如高层/ 高耸建筑、大跨空间结构、大跨桥梁等，同时地面交通工具如高速铁路等大规模发展也对风工程的研究提出了新的要求。进行风工程研究，目前最直接、最常用也是最可靠的研究手段是进行风洞试验[1-3]。
本文设计的测控系统基于试验段6m*3.6m*26m、风速范围1.5～35m/s的大型回流型边界层风洞。
1系统组成
测控系统是整个风洞系统的控制核心部分，所有控制指令的发出、信息的处理、状态的反馈都是由该部分来完成的。各种风洞试验的设备非常多，本测控系统是基于工业以太网和现场总线组成的分布式系统。系统的基本组成如下：
1、主控系统
2、动力系统
3、数据采集系统
4、转盘伺服控制系统
图1 测控系统总体方案示意图
主控系统是测控系统的核心部分，不仅能为操作人员提供方便的操作界面，同时各种控制运算、数据的处理与记录等过程都在该部分来完成；动力系统为风洞提供动力，主要由电机、调速系统、控制器等设备组成，控制方式为闭环控制；采集系统主要由传感器组成，把相应的被测信号转换成易被监测的电流、电压信号；机构伺服控制系统由伺服机构、伺服电机、驱动器及控制器组成，能提供机构位置控制；
2子系统设计方案
2.1主控系统
主控系统包含工控机、高速A/D卡、打印机等。主控系统作为测控系统的核心，主要用于试验、试验数据的管理、查询、数据的打印、数据的输入、参数设置、数据采集及电机的控制等。为保证系统能稳定、可靠地工作，主控系统采用工控机。A/D卡选用工业级16位32通道高速数据采集卡，确保试验数据测试精度及采集的实时性。
主控系统软件基于LabVIEW平台开发。LabVIEW使用图形化编辑语言，生成框图形式的程序［4-5］。程序框图中，节点之间的数据流向代表程序的逻辑与执行顺序，清晰易懂。编制的软件也较为美观，使用起来非常方便。
2.2动力系统
动力控制系统主要由直流电机和直流调速器，可编程控制器（PLC）和人机界面组成，电机与风扇相连，各种参数由人机界面输入和显示。人机界面通过PLC指挥直流调速器对电机进行控制和调速。
由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地。直流调速器就是调节直流电动机速度的设备。上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转换成两路输出直流电源，一路输入给直流电机励磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况。因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。并设有电流反馈，以提高电机的动态快速性以及进行限流保护。调速系统的结构框图如图2所示。
图2 动力系统结构图
与电动机同轴安装一台光电编码器，从而引出与被调量转速成正比的负反馈，与给定速度相比较后，得到转速偏差，经转速调节器放大后，作为电流调节器的给定，与电流反馈信号相减后得到电流偏差，经电流调节器放大后，去控制触发器的导通角，从而改变输出电压，达到变压调速的目的。
2.3数据采集系统
数据采集系统实现风速等参量的测量和采集，测量部件由高精度微差压传感器实现，直接采集皮托管测得的总压和静压，计算差值，将其转化为4-20mA电流输入到数据采集系统进行数据采集和计算。主控机通过以太网实时读取A/D卡采集到的数据，并存储至数据库。
2.4转盘伺服控制系统
风洞试验段上布置一个直径3m转盘，转盘最低转速≥1.0°/s，最小转角步长≤0.1°。转盘系统主要实现模型姿态的侧滑角控制，实现模型水平方向侧滑运动。主要由主控计算机、PLC位置模块、伺服控制器、伺服电机以及传动机构组成。伺服系统由下位机控制PLC，通过OPC协议以太网线共同连接到主控计算机网口上集中控制。系统结构图见图3。
图3 转盘系统结构图
3系统功能
（1）稳风速功能
由于系统采用了矢量控制直流调速装置，因此该动力系统在整个风速范围内，具有很高的稳风速性能。
（2）对风速的控制功能
在风速的控制上采用两种控制方式：自动控制方式和手动控制方式。自动控制方式是将风速作为反馈量，形成闭环控制，采用PID控制方式调节风速，操作人员只需通过微机或触摸屏将试验风速输入即可，系统能自动控制风速，并稳定于设定值；手动控制方式即开环控制，是操作人员通过触摸屏采用手动输入转速的方式控制风速。
（3）参数设置功能
操作人员可通过微机、触摸屏对传感器的量程、控制回路的参数及控制模式进行设置。
（4）数据录入功能
根据试验要求，操作人员可将试验的名称、条件、状态及仪表的中间试验数据录入微机。
（5）数据采集功能
微机、PLC能实时采集风速、压力等参数。
（6）状态显示、报警功能
系统能在微机、触摸屏上显示系统工作状态，并能对故障信息报警。给出声光报警信号。
（7）数据查询、打印功能
该系统的软件具有数据库管理功能，能对所有试验数据进行存储、查询、修改和打印。
（8）风洞试验管理功能
系统软件将风洞现有的实验仪器仪表、试验设备等统一编入统一管理平台之下，并为将来的试验设备留有数据接口。
四控制系统界面
下图为软件的主控界面，可以看到，界面中包括了风机控制、转盘控制、传感器参数设置、零点采集、转速与风速关系设置等功能。
图4 测控系统主界面
测控软件执行风洞试验计划的具体操作流程如下所示。
a）查看通讯服务器是否正常启动，是否正常与风机及转盘系统通讯；
b）主控程序控件右上方三角号是否显示绿色，传感器读数是否正常；
c）查看风机系统是否有报警，“准备启动”灯是否亮起；
d）查看转盘系统是否有报警，“准备就绪”灯是否亮起；
e）转盘系统点击“当前位置初始化”，需要提示“位置初始化完成”；
f）转盘系统点击“当前位置清零”；
g）设置传感器系数；
h）采集零点；
i）设置风速转速系数；
j）编制试验计划；
k）查找试验计划；
l）开始试验计划；
m）试验计划自动停止或“中止试验计划”。
4结论
本边界层风洞测控系统设计方案在介绍总体方案构成的基础上，对各子系统进行了详细框架设计，所使用测控技术方案均具有较高的可靠性与先进性，所有设备都具有较高的可靠性与稳定性，结合以往的项目的经验和对本项目的设计，本测控方案设计能够满足风洞各项技术指标要求，设计方案具有一定先进性。
参考文献：
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论文作者:王云祥,姚惠元,周文
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/15
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