动力系统的智能化监测与安全保护设计

　　摘 要：直升机旋翼模型风洞试验是高转速、高风险的动态试验，为保护试验的安全运行，必须实时、准确、可靠地监测试验台关键驱动设备——动力驱动系统及辅助系统的运行状态，并根据运行状态分级采取相应的保护措施。以动力系统主控 PLC 为基础，打通试验台各系统之间的信息孤岛，提出了一种基于历史数据分析的设备运行状态分级评价及风险评估方法，根据实时运行数据判断动力系统运行风险，给出安全操作建议。风洞试验应用效果表明构建的旋翼模型试验台动力系统智能监测与安全保护设计数据分析科学，状态监测实时，安全保护可靠，极大提高了直升机试验的安全可靠性。

　　关键词：直升机;风洞试验;动力系统;智能监测;安全保护;运行状态;分级评价;风险评估

　　彭先敏; 章贵川; 车兵辉; 尹欣繁; 魏一博， 计算机测量与控制 发表时间：2021-11-18

　　直升机旋翼模型风洞试验是在风洞试验环境下模拟直升机前飞状态、斜下降状态等飞行状态,以测试旋翼模型升阻比、噪声特性、结冰特性等相关性能的试验，简单地说就是在风洞中遥控直升机飞行[1]。试验基于桨尖马赫数相似原理实 施 ， 其 旋 翼 桨 尖 速 度 与 真 实 直 升 机 桨 尖 速 度 相 同(≥219m/s)，为此直升机模型风洞试验常出现由于危险故障处理不及时导致故障损坏快速扩大，造成严重损失的情况出现。比如在直升机模型风洞试验中出现过减速箱轴承损坏卡死导致旋翼突然停转受损;桨毂轴颈断裂导致一片旋翼飞出，动平衡失效，旋翼振动快速增大至 10g 以上，损坏试验台测试天平及传动部件;试验过程中操纵系统电动缸失速至旋翼周期变距快速加大，气动力矩平衡失效，振动快速加大，至旋翼天平严重损坏;试验中电机轴承受损至电机扫堂，旋翼模型因急速停转而受损，如此等等，这些故障都是在几秒钟内出现并造成较大损失。4 米直径旋翼模型以额定转速 1050r/min 旋转，其试验中断裂飞出桨尖的动能比一颗机枪子弹出膛的动能还大。可见直升机模型风洞试验是非常快速非常危险的动态试验。

　　试验台动力系统提供旋翼模型旋转的驱动力，在直升机模型风洞试验出现危及试验安全的风险时，最常使用的处置措施是正常停车或者让旋翼自由停车，因此试验台动力系统是整个试验台安全保护的关键环节[2-5]。本文通过以动力系统主控 PLC 为核心，构建“全方位监测--高速数据通讯—运行状态分级—风险评估—安全保护”的控制模式，从数字化、实时性、智能化等方面进行优化，设计实现了直升机风洞试验动力系统智能化监测与安全保护方法。

　　1 总体架构设计

　　直升机旋翼模型试验台动力系统主要包括驱动电机、变频控制器等组成，以 Φ2 米共轴试验台为例，由于试验台减速箱的润滑冷却情况及传动机构的振动情况(振动位移量，以反应传动轴的同心度状态)也严重影响动力启停运行，本设计将该部分纳入动力系统的安全监测设计范畴，另外试验台其它子系统的运行及机械部件的振动状态(振动加速度，反应各机械部件如减速箱、轴承等的运行状态)出现危及试验台安全运行时如何通知动力系统停车等情况也是动力系统安全运行设计需要考虑的因素。由于可编程逻辑控制器 PLC 具有高度稳定性及良好的抗干扰能力等，本设计以 PLC 为核心进行构建，系统的总体架构如图 1 所示。

　　2 高速数据通讯实现

　　直升机旋翼模型风洞试验的高转速及高风险特性，对监测数据的实时性要求很高，发生危险故障 1～2 秒内就会故障扩散至产生较大的损失，因此对试验安全保护启动的时间要求在百毫秒级内。为了保证监测数据的实时性，数据通讯方式必须可靠且高速。

　　3 运行状态分级及风险评估

　　动力系统即包含润滑油车及驱动电机等部件，也包含了试验台减速器温度及传动轴振动位移等监控，同时还包含了试验台其它子系统的运行状态，因此本设计中运行状态主要针对部件级，风险评估主要针对系统级。

　　4 软件设计

　　4.1 下位机软件设计

　　下位机软件包括主控 PLC 程序及润滑油车 PLC 程序两部分，其中润滑油站 PLC 主要完成润滑油温的控制、数据采集、油站本地控制(远程则上位机通过主控 PLC 进行控制)等功能;主控 PLC 在完成不同数据采集、与润滑油站 PLC 和变频器通讯获取相关数据的基础上，完成相应状态判断及安全保护操作，根据上位机的指令完成相关设备启停控制。 PLC 软件采用模块化的编程思路编程，将不同功能的子程序放在不同的功能块 FB 和 FC 里，然后从程序组织模块 OB 里根据需要调用相应的功能块;将需要与上位机交互的数据依次放到 PLC 的不同的 DB 模块中[19]。

　　4.2 上位机程序

　　上位机程序结构如图 6 所示。从上图可以看出，上位机软件主要由与主控 PLC 通讯模块、数据显示模块、数据记录模块、数据共享模块、智能控制模块、安全保护模块及数据分析模块等构成。其中还包括两个知识库，一个是根据系统以往运行信息分析得出的安全阀值库，软件会根据旋翼模型参数等方面知识选择合理的安全阀值，从而实时准确评判系统运行状态。另一个知识库则是变频电机转速控制 PID 参数知识库，结合模糊控制和 PID 控制[20]，以解决由于旋翼模型的不同，导致在大功率阶段，旋翼转速控制精度达不到优于 0.1%的目标。另外历史数据分析在每次试验完成后自动分析该条试验运行信息记录文件，将相关门限阀值调整写入系统参数配置文件，将其它分析结果数据写入专门文件或数据库，以作系统故障演化过程分析。

　　5 试验结果与分析

　　系统研制完成以后，参与 Φ2 米共轴试验台场面调试及 FL14 风洞试验。试验过程中动力系统软件在启动电机后自动实时所有与动力运行相关的运行状态数据，直到电机停转。经专门编写的动力系统运行状态数据分析软件，对数据进行后期处理，并作为历史特征数据文件保存。

　　这里以电机驱动端轴承温度为例进行说明，根据厂商技术指标，设置电机驱动端轴承温度第一类报警限为 85℃，停车限为 100℃。根据运行历史数据分析，其分析特征数据如下表所示：

　　在设备第二类门限阀值时，根据上述历史数据分析发现，平均温度和极差受试验平均功率和运行时间影响较大，从而也影响每分钟平均温升的数据有效性，且分析发现每分钟温升离散度较大。功率温升(极差/平均功率)能够较好克服功率和运行时间的影响，所示在设置温度类状态数据第二类门限阀值时，选择功率温升作为关键特征量。

　　根据式 3-1，计算得电机驱动端轴承温度的功率温升第二类警戒值为 0.8689。对电机非驱动端轴承温度和绕组温度、减速箱温度等进行相同算法处理。在今年试验台维护运行过程中，发现减速器温度范围正常，功率温升(0.747)高于警戒值(0.548)。检查减速箱发现其润滑油进油量较小、调整进油量，再运行，各项参数正常。

　　6 结束语

　　本文以 Φ2 米共轴试验台为例，就直升机旋翼模型风洞试验动力系统安全监测保护的整体架构、数据通讯、运行状态分级评价及风险分析，软件设计等进行了详细论述。该设计通过多种方式打通了试验台各子系统之间的联系，根据运行数据为状态评估提供了多种评判依据，为动力系统的安全状态分级及试验风险评估提供了科学、准确的数据依据，保证了安全保护的可靠性和科学性。目前该设计已广泛应用到直升机旋翼模型风洞试验动力系统控制，试验应用效果表明该设计状态监测评估准确、实时，安全保护可靠，有利于提前对设备健康状态进行预警，充分满足了直升机旋翼模型风洞试验对安全性的需求。