Представлены аппаратно-программные средства автоматизации нестационарного аэродинамического эксперимента. С помощью данных средств обеспечивается сбор экспериментальных данных, а также управление отдельными элементами аэродинамической трубы.
Введение. В представляемой работе описывается система автоматизированного управления и сбора информации аэродинамического эксперимента. В качестве объекта управления используется аэродинамическая труба дозвуковых скоростей Т-503 кафедры аэрогидродинамики (АГД) НГТУ с открытой рабочей частью.
В Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) проводятся фундаментальные и прикладные научные исследования в области нестационарной аэродинамики. Для выполнения подобных исследований, а также обучения студентов, магистрантов НГТУ основам аэродинамики и гидромеханики на кафедре аэрогидродинамики университета используется аэродинамическая труба дозвуковых скоростей Т-503 [1]. Данная установка является аэродинамической трубой замкнутого типа с открытой рабочей частью и имеет следующие основные характеристики:
– рабочий диапазон скоростей от 0 до 60 м/с;
– диаметр рабочей части 1,2 м, длина 2 м;
– неравномерность скорости в ядре потока диаметром 0,8 м не более 0,8 %;
– степень турбулентности без турбулизирующих устройств около 0,3 %.
Для обеспечения эффективной работы аэродинамической трубы в настоящее время создается система управления и сбора данных для указанной физической установки [2].
Управление и сбор экспериментальных данных производится с использованием персональной ЭВМ (ПЭВМ) с подключенными к ней, серийно выпускаемыми многофункциональными модулями ввода-вывода (Е14-440 фирмы «L-Card»), счетчиками (СИ30 фирмы «ОВЕН»), подсоединенными через USB-порт, и термоанемометром ТПС3-2, подключенным через COM-порт.
Поток воздуха в трубе создается вентилятором с электродвигателем постоянного тока 120 кВА, получающим питание от управляемого преобразователя (выпрямителя). Датчик скоростного напора, ПИД-регулятор, реализованный в ПЭВМ, аналоговый выход модуля Е440 и преобразователь позволяют поддерживать скорость потока с высокой точностью [3].
3-осевой координатник позволяет перемещать исследовательские зонды в пределах рабочей части трубы (1,2×1,2×2,0 м). Ходовые винты, снабженные двигателями постоянного тока и энкодерами, позволяют позиционировать измерительный зонд с точностью 0,1–0,2 мм. Двигатели управляются при помощи реле, подключенными к плате ввода-вывода, энкодеры подключены к счетчикам СИ30. Кроме этого, имеется возможность менять курсовой угол зонда. Для этого используется цепочка «двигатель – энкодер – счетчик».
В качестве зонда может выступать 3-осевой термоанемометр ТПС3-2 [4].
Модель, помещенная в поток, может менять под управлением ПЭВМ угол наклона. Для этой цели используется Альфа-механизм, также, реализованный с применением цепочки «двигатель – энкодер – счетчик».
Таким образом, с помощью ПЭВМ обеспечивается управление, как вводом экспериментальных данных, так и непосредственно работой экспериментальной установки при подготовке и проведении эксперимента. Здесь же осуществляется обработка вводимых данных, их накопление, отображение в требуемом виде. С использованием представляемой системы производиться сбор данных, как с датчиков пользователя, так и ввод технологической информации о параметрах потока в аэродинамической трубе [5].
Программное обеспечение системы реализовано в рамках системы LabVIEW. Пользователь имеет на экране все необходимые виртуальные кнопки для задания режима работы и управления установкой.
Ниже представлен перечень программно-технических комплексов и выполняемых ими функций, с помощью которых производится управление как самой экспериментальной установкой, так и ходом проведения в ней экспериментов:
1. Аэродинамические тензовесы. Предназначены для измерения сил и моментов сил, действующих на исследуемую модель в процессе проведения эксперимента. Использование аэродинамических весов позволяет определить силу лобового сопротивления, подъемную силу, момент тангажа испытываемой модели.
2. Альфа-механизм. С помощью альфа-механизма по команде экспериментатора производится установка требуемого угла атаки, под которым испытываемая модель устанавливается в рабочей части аэродинамической трубы. Данный механизм позволяет проводить экспериментальные исследования моделей под разными углами атаки. Изменение угла атаки в процессе проведения эксперимента может производиться как ручным способом, так и в автоматическом режиме по заранее заданной программе с погрешностью не более ±0,1°.
3. Координатное устройство (или, просто, координатник). Это устройство, предназначенное для перемещения измерительного датчика (например, датчика термоанемометра) в трехмерном пространстве рабочей части аэродинамической трубы по координате и по углу. Таким образом, можно измерять профили скорости потока и их пульсаций, распределения давления в различных сечениях аэродинамической трубы. Перемещение датчика может производиться как ручным способом, так и в автоматическом режиме по заранее заданной программе.
4. Главный двигатель вентилятора аэродинамической трубы. Обеспечивает вращение вентилятора для создания в трубе воздушного потока. Система осуществляет управление и поддержание постоянства скорости потока в аэродинамической трубе за счет формирования сигналов для цепи управления тиристорным приводом главного двигателя аэродинамической трубы [3].
Управление скоростью потока и поддержание ее постоянства осуществляется на основе алгоритмов PID-регулирования.
Заключение. К настоящему времени отработаны основные алгоритмы ее функционирования системы управления и сбора данных аэродинамической трубы [6]. Разработаны также аппаратных и программных средства для управления экспериментальным оборудованием аэродинамической трубы. Осуществляется разработка и тестирование АРМ оператора, с помощью которого производится взаимодействие пользователя с экспериментальным оборудованием аэродинамической трубы.
Представляемая работа выполнялась при финансовой поддержке грантов РФФИ № 14-07-00421 и 12-07-00548.