专利名称：一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于大型设备驱动电机的防尘散热技术领域，特别涉及一种砂尘风洞电机 的防尘与散热控制装置，适用于处于砂尘环境下的各种大型设备电机的防尘和散热控制应用。
背景技术：
随着各种高科技设备的不断开发和研制，环境问题日益突出，对于暴露在飞散干 砂和充满尘埃的大气中的军用、民用设备，砂尘对其质量及使用可靠性有严重影响，对试件 进行砂尘环境试验，用以确定设备对飞散砂尘环境中砂尘颗粒渗透磨蚀的防御适用能力是 十分必要的。砂尘环境对地面各种民用设备有着十分严重的影响，尤其表现在以柴油机为动力 的机械、打桩机、载重汽车、装载机等设备方面。在砂尘环境下，渗漏进气缸的砂尘不仅使设 备的空气滤清器容易堵塞，而且加速了发动机运动部件的磨损。此外砂尘对电机轴承、低压 电器触头、开关等也均有不同程度影响。再有，近年来频繁发生的沙尘暴，特别是强沙尘暴， 不仅会造成空气的介电常数增大、电阻率减小、产生强烈的电场活动过程，从而改变输电铁 塔塔头电场分布，而且国外研究人员通过实验研究发现，沙尘暴会使空气间隙的放电电压 降低.因而沙尘暴有可能是造成中相导线工频电压下空气间隙闪络放电的原因。因此通过 砂尘模拟实验研究沙尘暴对输电线路的影响也是急切需要解决的问题。对于军用设备，砂尘环境对飞机的影响就更为突出，砂尘环境下的装备适应性及 可靠性是军用飞机功能的重要性能指标。砂砾不仅会破坏飞机的外表，如果进入部件内部， 还会造成各种故障，其后果将更为严重。其主要损坏类型有表面的磨蚀和磨损、密封渗漏、 电路性能降级、开口和过滤装置的阻塞/堵塞、对配合件的物理影响、活动部件卡死/阻碍、 热传导性降低、干扰光学特征、由于通风或冷却受阻引起过热和着火危害等。为此，对砂尘 磨损腐蚀军用装备机制的分析研究，可以为军用装备的设计、生产、使用和维护提供重要依 据。通过砂尘环境模拟实验研究砂尘对各种暴露在其中的设备的影响，可以提高设备 对环境的适应能力。在砂尘环境模拟实验中，风洞是主要的模拟设备，目前风洞的驱动电 机通常置于整流罩内部，虽然受整流罩保护，但当气流高速流过整流罩时，驱动电机会间接 暴露在砂尘环境中，受到危害。砂尘环境对风洞驱动电机的影响主要有三个方面气流所 携带的砂尘对驱动电机的活动部件或固定表面造成磨损；被高速气流携带的砂尘颗粒对驱 动电机固定表面造成冲蚀，冲蚀通过反复磨动或扰动设备的保护层来加速对金属表面的破 坏；由于砂尘颗粒组成的不同矿物质，在潮湿的环境下它们会发生酸性或碱性的反应，造成 驱动电机设备的腐蚀等等。
发明内容
为了减少砂尘环境对风洞驱动电机的危害，本发明提出的一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制装置。根据本发明的一个方面，提供了一种砂尘风洞的驱动电机正压风冷系统的复合控 制装置，其特征在于包括控制器、阀门驱动器、电动调节阀、出风导流管、变频器、离心风机、 进风导流管。本发明的一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制装置的优点包括(1)砂尘风洞整流罩内外正压控制子系统包括出风导流管、阀门驱动器、电动调节 阀、整流罩内外压差传感器及控制器共同，控制器根据整流罩内外压差传感器的反馈信号， 产生电动阀调节控制律，控制律作用于阀门驱动器，驱动电动调节阀工作，从而实现整流罩 内外正压控制，有效防止了砂尘的进入，减小了砂尘对风洞驱动电机的危害；(2)砂尘风洞驱动电机的温度控制子系统包括进风导流管、变频器、离心风机、温 度传感器、风速传感器及控制器，控制器根据驱动电机温度反馈信号，产生离心风机反馈调 速控制律，反馈控制律施加于变频器，驱动离心风机调速运行，从而实现风洞驱动电机的温 度控制；(3)为了提高砂尘风洞驱动电机的温度控制子系统的抗干扰能力，引入风洞风速 信号作为前馈信号，经控制器匹配换算后产生离心风机前馈控制律，由于该系统的扰动信 号主要是风洞内的风速扰动，扰动量单一，便与测量，所以引入按扰动补偿的前馈控制，使 得温度控制系统的响应速度加快，控制精度提高。
图1为砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制装置工作原理2为砂尘风洞驱动电机正压风冷系统结构3为驱动电机温度控制子系统工作原理4为整流罩正压控制子系统工作原理图附图标号1.控制器2.数据处理单元3.D/A信号转换单元4.阀门驱动器5.电动调节阀6.风洞系统7.离心风机8.变频器9.通信单元10.数据采集单元11.整流罩12.壳体 13.风扇系统14.风速扰动15.温度传感器16.风速传感器17.压差传感器18.风洞驱动电机19.出风导流管20进风导流管21. Kf比例环节22. A/D信号转换单元1 23.温度偏差计算单元24. PID控制器125.控制量求和单元26. A/D信号转换单元227.压差偏差计算单元28. PID控制器229. D/A信号转换单元30. A/D信号转换单元具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。如图1和2所示，根据本发明的一个实施例的一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系 统的复合控制装置包括控制器1、阀门驱动器4、电动调节阀5、出风导流管19，变频器8，离心风机7、进风导流管20等部件。所述出风导流管19安装于风洞系统6内的整流罩11上，第一端延伸至整流罩11 内远离风洞驱动电机18处并开口，第二端延伸至壳体12外并开口，且第一端开口处安装电 动调节阀4，所述电动调节阀4通过其管道流阻的调节，实现整流罩11内部的压力控制，进 而实现整流罩11内外正压控制；所述进风导流管20也安装于风洞系统6内整流罩11上，一端延伸至整流罩11内 风洞驱动电机18处并开口，另一端延伸至风洞系统6外与离心风机7出风口相连，所述离 心风机7通过其转速调节，实现掠过风洞驱动电机18的风速控制，进而实现风洞驱动电机 18的温度控制；所述控制器1主要功能是根据系统的温度、压差和风速扰动信号，通过其控制算 法运算，产生控制律，分别作用于阀门驱动器4和变频器8 ；所述阀门驱动器4驱动电动调 节阀5实现风洞整流罩11内外正压控制；所述变频器8驱动离心风机7实现风洞驱动电机 的散热控制。如图1所示，所述控制器1包括数据处理单元2，通信单元9，D/A信号转换单元3， 数据采集单元10 ；所述数据处理单元2是控制算法运算的核心，根据系统参考设定值和数 据采集单元10的采集信号，产生控制信号，并分别经D/A信号转换单元3和通信单元9将控 制信号发送到阀门驱动器4和变频器8，从而实现对电动调节阀和离心风机的控制；所述数 据采集单元10包括AD数据转换电路及信号前端测量元件压差传感器17，温度传感器15， 风速传感器16，完成整流罩11内外压差信号，风洞驱动电机18温度信号，风洞中的风速扰 动信号的采集，并将三种信号一并送入数据处理单元2进行处理。所述数据处理单元2根 据给定压差信号和采集到的压差信号经过控制算法运算获取电动调节阀反馈控制律，并将 电动调节阀控制律输出给阀门驱动器4，驱动电动调节阀5开度增大或减小，确保整流罩11 内的压力大于整流罩11外的压力，即保持正压。所述数据处理单元2还根据给定温度信号 和采集到的温度信号，经过控制算法运算，获取离心风机反馈控制律，并以风洞风速为前馈 信号获取离心风机前馈控制律、离心风机反馈律和前馈控制律加和为复合控制律。复合控 制律被输出到通信单元9 ；通信单元9将信号传给变频器8 ；变频器8接收到通信单元9输 出的控制指令信号后，依据控制指令调节自身工作频率，从而实现离心风机7的转速调节， 由于变频器具有调速平滑、范围大、效率高，且启动电流小、运行平稳的特点，因而采用变频 调速方式驱动离心风机运行具有明显的节能效果。根据本发明的一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制装置的控制系统 包括驱动电机风冷控制子系统和整流罩内外正压控制子系统，根据本发明的一个实施例， 上述两个控制子系统均采用PID控制器实现控制信号运算，具体工作原理参见图3，图4。根据本发明的一个实施例的驱动电机风冷复合控制子系统的工作原理如图3所 示，该子系统以离心风机7作为执行装置，以风洞驱动电机18的工作温度作为被控量，在 PID控制器1 04)的闭环控制作用，通过离心风机8的转速调节，实现风洞驱动电机18的温 度控制，同时，为了提高驱动电机18温度控制系统的抗干扰能力，引入风洞风速扰动14作 为前馈信号，从而实现风洞驱动电机18温度得快速调节，具体工作原理为所述驱动电机风冷复合控制子系统以驱动电机18温度T。作为反馈量，经过A/D 信号转换单元2 06)转换为数字量传送给温度偏差信号计算单元23，偏差信号计算单元参考系统给定温度值 ；得到温度偏差值eT，并输出到PID控制器1 04)，PID控制器1 Q4)根 据温度偏差信号eT进行离心风机7的反馈控制量wT;1解
析，得到离心风机7的反馈控制量Uu，并输出到控制量求和单元25 ；!(〃、!(〃、!(“分别为？皿控制器！^幻的比例系数、积分系数和微分系数，eT(t)为温度偏差信号eT的时域变量，￡ eT⑴法为温度偏差信号eT的积分， deT (t)^Jf为温度偏差信号eT的微分。所述驱动电机18风冷复合控制子系统中，为了提高驱动电机温度控制性能，以风 洞风速扰动信号df作为前馈变量，经过A/D转换单元1 0 转换为数字量，在匹配系数Kf 比例环节运算下，生成离心风机的前馈控制量uT,2，并输出到控制量求和单元25 ；在控制量 求和单元25的求和运算下，离心风机7的反馈控制量uT,工和前馈量uT,2转换为离心风机7 复合控制律uT，离心风机7复合控制律Ut经过变频器8功率放大后施加于离心风机7，离 心风机7在复合控制Uf的调节作用下调速运行，实现掠过风洞驱动电机18的风速调节，从 而实现风洞驱动电机18的温度控制。由于风洞驱动电机18温度控制系统的扰动主要来自 风洞的风速扰动14，风速扰动14从壳体12内吹过，为了提高风洞驱动电机18温度控制器 的抗干扰能力，在整流罩11尾部布设风速传感器16，用于测量风速扰动14信号，从而将风 速扰动14信号引入控制器1系统，当风速扰动14产生时，温度控制系统会通过前馈通道产 生控制量uf,2经变频器8作用于离心风机7，从而抵消风洞风速扰动14对风洞驱动电机18 的温度影响，即风洞风压增大时，由于整流罩11内部压力无变化，使整流罩11内风速呈减 小趋势，由于对流换热条件变差，风洞驱动电机18温度上升，引入风洞风速前馈后，离心风 机7转速随风洞风速的增大而增大，从而减小整流罩11内风速变化趋势，保证风洞驱动电 机18的良好散热条件。由于前馈通道反应较快，可以快速抑制风洞风速扰动14对风洞驱 动电机18温度的影响，从而配合反馈通道共同完成风洞驱动电机18的温度控制。该风洞驱动电机风冷复合控制系统既利用了反馈系统精准控制特点，又继承了前 馈控制的快速控制特点，可以有效消除风洞风速扰动14对风洞驱动电机18温度的影响又 能实现风洞驱动电机18的温度控制功能。风洞整流罩11内外正压控制子系统工作原理如图4所示。该子系统以电动调节 阀5作为执行装置，以风洞整流罩11内外压差作为被控量，在PID控制器2 08)的闭环控 制作用下，通过电动调节阀4的开度控制，实现风洞整流罩11内外正压控制，从而有效抑制 砂尘进入整流罩11对风洞驱动电机18的工作性能造成影响，具体工作原理为所述风洞整流罩11内外压差控制系统以整流罩11内外压差ΔΡ。作为反 馈量，经过A/D转换单元3(30)转换为数字量传送给压差偏差信号计算单元27，压 差偏差计算单元27参考系统给定压差得到压差偏差值e,P，并输出到PID控制 器2(观)，PID控制器W28)根据压差偏差信号进行电动调节阀5反馈控制量
析，得到电动调节阀5的反馈控制量1!ΔΡ，Kp, ΔΡ、Ki, ΔΡ、Kd, ΔΡ分别为PID控制器2的比例系数、积分系数和微分系数，
e.p(t)为压差偏差信号eT的时域变量，「 ⑴力为压差偏差信号eT的积分，
J 0
deAO (t)^^为压差偏差信号eT的微分。由于反馈控制量 !ΔΡ为数字量，需要经过D/A信号转换单元四转换为模拟信号， 然后施加于阀门驱动器4，阀门驱动器4在控制信号的控制作用下，驱动电动调节阀5实现 其开度调节，从而实现风洞整流罩11内外正压控制，即当整流罩11内外压差值ΔΡ。小于 系统压差参考值Δ &时，PID控制器2 08)根据压差偏差信号运算产生控制律 !ΔΡ，在 ιιΔΡ的控制作用下，电动调节阀5开度减小，由于流动阻力的增大，整流罩11内部压力增大， 从而使整流罩11内部压差增大，并维持整流罩11内外正压压差在附近，从而有效方式 整流罩11外部砂尘的进入，减小了砂尘对风洞驱动电机18的危害，同理，当整流罩11内外 压差值Δ P。大于系统压差参考值Δ已时，PID控制器2 08)根据压差偏差信号运算产 生控制律ιιΔΡ，在ιιΔΡ的控制作用下，电动调节阀5开度增大，由于流动阻力的减小，整流罩 11内部压力减小，从而使整流罩11内部压差减小，并维持整流罩11内外正压压差在Δ己 附近，在保证防止砂尘进入的前提下，减小了系统的能力损耗。在根据本发明的一个实施例的一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制 装置控制系统中，采用了整流罩正压控制子系统和驱动电机风冷控制子系统两个控制子系 统，分别实现了风洞驱动电机的防尘和控温功能，同时由于风洞风速前馈控制的引入，大大 提高了驱动电机风冷控制子系统的控温响应和抗干扰能力。
权利要求
1.一种砂尘风洞的驱动电机正压风冷系统的复合控制装置，其特征在于包括 控制器(1)，阀门驱动器G)， 电动调节阀(5)， 出风导流管(19)， 变频器⑶， 离心风机(7)， 进风导流管00)。
2.根据权利要求1所述的复合控制装置，其特征在于所述控制器(1)用于根据一个数据采集单元(10)所采集的信号，产生分别作用于所述 阀门驱动器(4)和变频器(8)的控制律。
3.根据权利要求1所述的复合控制装置，其特征在于所述阀门驱动器(4)用于驱动电动调节阀(5)实现所述砂尘风洞的一个整流罩(11) 的内外正压控制，所述变频器(8)用于驱动所述离心风机(7)实现一个风洞驱动电机的散热控制。
4.根据权利要求1所述的复合控制装置，其特征在于所述控制器(1)包括 数据处理单元(2)，通信单元(9)，D/A信号转换单元(3)，数据采集单元(10)。
5.根据权利要求4所述的复合控制装置，其特征在于所述数据处理单元( 是控制算法运算的核心，用于根据系统参考设定值和数据采集 单元(10)的采集信号，产生控制信号，并分别经D/A信号转换单元C3)和通信单元(9)将 控制信号发送到阀门驱动器(4)和变频器(8)，从而实现对电动调节阀和离心风机的控制。
6.根据权利要求5所述的复合控制装置，其特征在于所述数据采集单元(10)包括AD数据转换电路及信号前端测量元件压差传感器(17)，用于采集整流罩(11)内外压 差信号，温度传感器(15)，用于采集风洞驱动电机(18)的温度信号， 风速传感器(16)，用于采集风洞中的风速扰动信号，
7.根据权利要求6所述的复合控制装置，其特征在于所述数据采集单元(10)进一步将所述整流罩(11)内外压差信号、风洞驱动电机(18) 的温度信号、风洞中的风速扰动信号一并送入数据处理单元( 进行处理，所述数据处理单元( 根据给定压差信号和采集到的压差信号，获取电动调节阀反馈 控制律，并将电动调节阀控制律输出给阀门驱动器G)，供驱动电动调节阀( 开度增大或 减小，确保整流罩(11)内的压力大于整流罩(11)外的压力，即保持正压。
8.根据权利要求7所述的复合控制装置，其特征在于所述数据处理单元( 还根据给定温度信号和采集到的温度信号，获取离心风机反馈 控制律，并以风洞风速为前馈信号获取离心风机前馈控制律、离心风机反馈律和前馈控制 律加和为复合控制律。
9.根据权利要求8所述的复合控制装置，其特征在于 所述复合控制律被输出到通信单元(9)； 通信单元(9)将信号传给变频器(8)；变频器(8)接收到信号后，依据控制指令调节自身工作频率，从而实现离心风机(7)的 转速调节。
全文摘要
本发明公开了一种砂尘风洞驱动电机正压风冷系统的复合控制装置，包括控制器、阀门驱动器、电动调节阀、变频器，离心风机等部件，具体工作原理为在控制器的控制作用下，阀门驱动器驱动电动调节阀，通过电动调节阀的开度大小调节，确保整流罩内部压力大于整流罩外部压力，既实现风洞整流罩内外正压控制，又防止砂尘进入整流罩内影响风洞驱动电机的正常工作；变频器驱动离心风机，通过离心风机的转速调节，改变整流罩内掠过驱动电机的风速，从而实现风洞驱动电机的散热控制，同时，为了提高风机驱动电机的散热控制性能，引入风洞风速扰动作为前馈信号，从而实现风洞驱动电机温度的“反馈+前馈”复合控制。
文档编号G05B19/04GK102141786SQ20111000717
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者刘东晓, 李明敏, 李运泽, 洪庆, 王峥, 王浚 申请人:北京航空航天大学