Технические
науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве
Внучков Д.А., Гилев В.М., Звегинцев В.И.,
Наливайченко Д.Г., Шпак С.И.
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.
Христиановича СО РАН
Новосибирск, Россия
Использование
средств синхронизации для сбора данных и управления высокоскоростным газодинамическим
экспериментом
В работе описывается система синхронизации ввода данных и
управления высокоскоростным аэродинамическим
экспериментом. Система позволяет исследовать в импульсном режиме по заданной
программе процессы, продолжительность которых по времени составляет величину от
нескольких миллисекунд до секунд. В качестве примера, приведено описание весовых
испытаний модели малогабаритного высокоскоростного летательного аппарата, которые
реализованы с использованием описываемой системы.
Введение. Одним из наиболее
эффективных методов, позволяющих существенно снизить сложность
аэродинамического эксперимента, является переход к кратковременным (импульсным)
режимам испытаний, когда время измерительного цикла сокращается до нескольких
секунд и даже долей секунды. Применение импульсных режимов испытаний позволяет
получать параметры набегающего потока автомодельные натурным, а благодаря малым
временам проведения эксперимента, в корне решаются проблемы теплозащиты моделей
и измерительного оборудования, снижается стоимость проведения испытаний [1].
Настоящая работа посвящена описанию системы
синхронизации процессов в быстропротекающем аэродинамическом эксперименте,
которая позволяет осуществлять автоматическое управление экспериментом во
времени и ввод полученных результатов непосредственно в компьютер.
Для решения подобных задач в ИТПМ СО РАН на базе
модуля ввода/вывода Е-140 (производство российской фирмы "L-CARD")
был разработан блок синхронизации БС-2-140, с помощью которого осуществляется проведение
в аэродинамической трубе высокоскоростных экспериментов. Модуль подключается к персональному
компьютеру (ПЭВМ) через интерфейс USB. Задавая в программе
времена работы ключей, при запуске процесса, через двоичные выходы Е-140
осуществляется их включение и выключение в заданные моменты времени. При этом с
помощью компьютера реализовываются три
варианта запуска системы: ручной, от внешнего синхроимпульса и от ПЭВМ.
Структурная схема устройства приведена на рис. 1.
Рис.
1. Структурная схема блока
синхронизации БС-2-140
Для обеспечения
работы блока синхронизации было разработано специальное программное
обеспечение. Программа работы с модулем Е-140 написана на языке С++ с использованием
пакета DevStudio версии 6.0 и позволяет задавать последовательность включения и
отключения каналов цифровых выходов с заданными задержками времени на каждый
канал.
Методика проведение
эксперимента
Работоспособность блока
синхронизации проверялась при проведении весовые испытания малогабаритного
летательного аппарата с работающей прямоточной установкой. Эти работы
проводились в импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубе «Транзит-М» ИТПМ
СО РАН, которая позволяет создавать кратковременный (0.1÷0.3 с) поток воздуха
диаметром 300 мм с числом Маха от М = 4 до М = 8 за счет использования
специальных сменных профилированных сопел. В представленной серии экспериментов
число Маха набегающего на модель потока составляло М = 4. Характерной
особенностью установки является истечение накопленного рабочего газа из
замкнутого объема, из-за чего давление и температура потока непрерывно
уменьшаются по времени рабочего режима.
Для измерений аэродинамических сил, действующих по оси
потока, модель устанавливалась на специальной державке с силоизмерительным
элементом. В газогенератор, внутри модели, подавались водород с воздухом, и организовывалось
воспламенение смеси. Управление электромагнитными клапанами подачи водорода и
воздуха, а также, управление системой инициирования осуществлялось блоком
синхронизации.
Рис. 2. Схема проведения эксперимента
1 – модель с газогенератором внутри; 2 – электромагнитный
клапан; 3 – газовый редуктор;
4 – датчик давления; 5 – баллон водорода 2 дм3; 6
– баллон сжатого воздуха 6,5 дм3;
7 – измерительная система; 8 – однокомпонентные тензовесы
Результаты эксперимента
Типичная запись зависимости давления в газогенераторе модели
от времени представлена на рис. 3. На графике можно проследить некоторые этапы
(обозначены цифрами) управления экспериментом с помощью блока синхронизации.
За 1,5 с до начала рабочего режима трубы включается подача
воздуха (1) и давление в газогенераторе составляет примерно 1,5 атм. Затем
включается подача водорода (2), из-за чего давление здесь подрастает до 2 атм.
После некоторой задержки включается воспламенитель и начинается горение горючей
смеси в газогенераторе (3). Давление подрастает до 3,7 атм. Недосгоревшие высокотемпературные
продукты сгорания истекают из газогенератора в основную камеру сгорания модели.
В момент времени t = 0 включается подача основного потока воздуха, обтекающего
испытываемую модель.
Рис. 3. Зависимость
давления в газогенераторе от времени
Наступает основной режим работы ПВРД, который по времени продолжается
0,2 – 0,3 с. В это время производятся измерения действующих на модель
аэродинамических сил. Горение внутри модели продолжается примерно 2 с, после
чего отключается подача водорода (4) и затем подача воздуха (5). В рассматриваемых
опытах в газогенератор подавалась смесь, обогащенная водородом (коэффициент
избытка окислителя 0,66). В газогенераторе сгорало примерно 40% водорода. По
расчетам температура в газогенераторе составляла 1190 К.
При проведении экспериментов значительное внимание уделялось
математической обработке полученных результатов. Осуществлялась обработка ошибок
измерений (как систематических, так и случайных), осреднение, обезразмеривание
и масштабирование выходных данных. Проводилась статистическая обработка
результатов экспериментов, велся контроль выхода данных за допустимые пределы.
Обеспечивалось представление полученных результатов в графическом виде, запись
их в архивный файл на диске и т.д.
Заключение. Таким образом, в данной работе представлен
блок синхронизации, который был разработан для создания системы сбора данных и управления
высокоскоростным аэродинамическим экспериментом. Система позволяет проводить
разнообразные эксперименты за время от десятков миллисекунд до сотен секунд. С
использованием блока синхронизации проводились методические экспериментальные
исследования процессов горения топлива в сверхзвуковом потоке газа. Получены предварительные
результаты измерения распределений температуры и плотности газа в потоке.
Данная работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований (гранты РФФИ № 12-07-00548-а и 12-08-00565-а).
1. Затолока
В.В. Импульсные
аэродинамические трубы. – Новосибирск: Наука, 1978. – 141 с.
2. Башуров В.В., Гилев В.М., Звегинцев В.И., Шпак С.И. Система синхронизации
процессов в быстропротекающем аэродинамическом эксперименте [Электронный ресурс] // Информационные
технологии в науке и образовании
URL: http://www.econf.rae.ru/article/6949
(дата обращения: 10.09.2012)