某超聲速風(fēng)洞噴管控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究論文
0 引 言
某超聲速風(fēng)洞是我國(guó)自行設(shè)計(jì)及建造的大型暫沖、下吹、引射式、增壓型超聲速風(fēng)洞，是我國(guó)先進(jìn)超聲速飛行器研制的理想地面試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。
噴管是保證風(fēng)洞模型試驗(yàn)區(qū)獲得設(shè)計(jì)馬赫數(shù)的均勻氣流的重要部件，其控制精度對(duì)試驗(yàn)流場(chǎng)品質(zhì)有決定性的影響，噴管結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴管采用二元多支點(diǎn)全撓性噴管壁，撓性板背氣流面布置了許多鉸鏈支撐點(diǎn)并與其相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(節(jié)點(diǎn))相連。
噴管控制系統(tǒng)工作原理為通過(guò)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位螺母運(yùn)動(dòng)到指定位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)定位。定位完成后,通過(guò)控制液壓系統(tǒng)與換向閥，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，同步調(diào)節(jié)撓性板的彎曲形狀，使噴管型面與定位螺母的預(yù)定位置相吻合而得到不同馬赫數(shù)的噴管型面。然后將撓板用高壓頂緊，確保在吹風(fēng)過(guò)程中型面不變。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
噴管控制系統(tǒng)主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)噴管型面控制，機(jī)構(gòu)運(yùn)行安全聯(lián)鎖與控制數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)采用電氣—機(jī)械—液壓系統(tǒng)控制方式，由一臺(tái)專用噴管型面工控機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，根據(jù)給定馬赫數(shù)計(jì)算型面定位參數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向PMAC控制器下達(dá)指令，利用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位螺母機(jī)械定位;通過(guò)MPI/DP總線通信向PLC發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)噴管型面的低壓成型與高壓鎖緊;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與上位機(jī)通信，將噴管控制子系統(tǒng)納入到風(fēng)洞安全監(jiān)控系統(tǒng)中，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)需求。
1.1 定位螺母控制系統(tǒng)
噴管控制系統(tǒng)定位螺母驅(qū)動(dòng)控制采用美國(guó)DELTA TAU公司的PMAC控制安川交流伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，并通過(guò)25位的多圈式絕對(duì)光電編碼器來(lái)間接測(cè)量得到其位置反饋信息。
1.1.1硬件結(jié)構(gòu)
PMAC是美國(guó)DELTA TAU公司開發(fā)的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控基本功能，PMAC具有開放的開發(fā)平臺(tái)，支持多種編程語(yǔ)言，它能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在內(nèi)部的'程序進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)算，執(zhí)行控制程序、PLC程序，并可進(jìn)行伺服控制更新。
定位螺母控制系統(tǒng)由PMAC控制器、伺服控制系統(tǒng)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和多圈式絕對(duì)光電編碼器組成，其控制原理如圖3所示。該系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：內(nèi)環(huán)由交流伺服控制器、交流伺服電機(jī)和增量編碼器組成，安川交流伺服控制器計(jì)算出螺母到位所需電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)并控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)增量編碼器將測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)反饋給伺服控制器;外環(huán)由PMAC位置控制卡、交流伺服控制系統(tǒng)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和絕對(duì)編碼器組成，交流伺服系統(tǒng)拖動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)使絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得定位螺母運(yùn)動(dòng)，多圈式絕對(duì)光電編碼器通過(guò)計(jì)算編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與蝸輪蝸桿每圈位移行程關(guān)系來(lái)間接測(cè)量定位螺母的行程，并反饋給PMAC控制卡。
1.1.2 精度分析
根據(jù)位置控制算法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)蝸輪蝸桿帶動(dòng)絲桿最大行程在25-1440mm之間，對(duì)應(yīng)的編碼器轉(zhuǎn)數(shù)在5-288轉(zhuǎn)之間。系統(tǒng)采用德國(guó)HEIDENHAIN公司的ROQ425絕對(duì)型多圈編碼器可連續(xù)轉(zhuǎn)4096圈，每圈8192線。
1.2 噴管型面控制系統(tǒng)
噴管型面控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為噴管型面控制系統(tǒng)核心控制PLC，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、處理速度高、應(yīng)用靈活、擴(kuò)展自由等特點(diǎn)。此外，采用西門子公司提供的軟件，很容易在上位機(jī)用WINCC或CVI開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC寄存器讀/寫操作，從而實(shí)現(xiàn)PLC運(yùn)行控制。
噴管型面控制系統(tǒng)采用高壓泵、低壓泵雙油泵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，控制原理如圖4所示。油泵的啟閉由PLC數(shù)字量輸出模塊DO1控制，DO1輸出開關(guān)量轉(zhuǎn)化為繼電器所需的電壓信號(hào)，繼電器觸點(diǎn)控制電機(jī)啟動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵、油泵的開關(guān)。電磁換向閥采取冗余控制，PLC數(shù)字量輸出模塊DO2輸出開關(guān)信號(hào)激勵(lì)繼電器觸點(diǎn)，控制電磁換向閥換向，實(shí)現(xiàn)型面的成型與回零。油缸流量通過(guò)比例溢流閥和比例減壓閥來(lái)調(diào)節(jié),電磁比例閥根據(jù)PLC模擬量輸出模塊(AO)輸出電壓值大小調(diào)節(jié)閥后壓力，實(shí)現(xiàn)型面的成型(回零)與鎖緊。PLC模擬量輸入模塊AI將液位、壓力和溫度傳感器采集的電流值通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，用于監(jiān)視油源的重要參數(shù)。PLC數(shù)字量輸入模塊DI用于液壓系統(tǒng)的油源電機(jī)起停與輔助狀態(tài)、油缸到位狀態(tài)的采集。PLC的CPU集成了2個(gè)通訊接口：MPI接口和PROFIBUS-DP接口，其中MPI接口用于PLC與上位機(jī)的通訊，PROFIBUS-DP用于連接油源控制人機(jī)界面。
1.3 通信系統(tǒng)
噴管控制系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工控機(jī)作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)核心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與定位螺母控制系統(tǒng)和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信，通過(guò)MPI接口實(shí)現(xiàn)與噴管型面控制系統(tǒng)的通信。
工控機(jī)通過(guò)西門子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接UMAC運(yùn)動(dòng)控制器(含以太網(wǎng)接口)組成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，分別設(shè)置上UMAC與下UMAC的IP地址與設(shè)備號(hào)，并下發(fā)到UMAC中;同時(shí)工控機(jī)與測(cè)控間通訊采用以太網(wǎng)C/S模式結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)為服務(wù)器，測(cè)控間為客戶端，定時(shí)讀取本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于聯(lián)接狀態(tài)時(shí)，工控機(jī)定時(shí)向風(fēng)洞運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。工控機(jī)機(jī)箱內(nèi)置西門子CP5611通信卡，使用MPI總線與PLCS7-300通信，工控機(jī)通過(guò)MPI讀取PLC中的DB數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。PLC通過(guò)Profibus-DP總線與人機(jī)界面相連接，設(shè)置PLC主站的Profibus-DP地址和人機(jī)界面從站的Profibus-DP地址，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與PLC之間的通訊。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
噴管控制系統(tǒng)人機(jī)交互軟件基于NI公司的Labwindows/CVI平臺(tái)研制和開發(fā)。Labwindows/CVI是交互式C語(yǔ)言的圖形化開發(fā)語(yǔ)言環(huán)境，它集成了圖形化編程方式的高性能與靈活性，交互式編程方法，以及專為測(cè)試測(cè)量與自動(dòng)化控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能模塊及其配置功能，在測(cè)控領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。
根據(jù)定位螺母控制和噴管成型不同功能劃分，分別設(shè)計(jì)程序代碼和操作界面，再通過(guò)主程序?qū)ζ湔{(diào)用完成相應(yīng)功能。
2.1 主程序設(shè)計(jì)
軟件主程序負(fù)責(zé)完成對(duì)各子系統(tǒng)的調(diào)用和狀態(tài)監(jiān)視，其界面如圖6所示。噴管控制軟件采用遞進(jìn)層級(jí)結(jié)構(gòu)，相關(guān)功能模塊程序在滿足前置條件時(shí)才能做出響應(yīng)，并在發(fā)生誤操作時(shí)不予響應(yīng)或給出提示。
在軟件主程序中，首先是進(jìn)行初始化操作。主程序設(shè)置一個(gè)定時(shí)器函數(shù)定時(shí)讀取控制系統(tǒng)設(shè)備信號(hào)和狀態(tài)信息，并以此作為相關(guān)變量賦值和設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制的依據(jù)。各功能模塊采用回調(diào)函數(shù)的形式對(duì)滿足前置條件的激勵(lì)做出響應(yīng)，其程序結(jié)構(gòu)相對(duì)單一和獨(dú)立。
2.2 定位螺母控制程序設(shè)計(jì)
根據(jù)定位螺母運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)，編寫上、下機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)和單動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)操作和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的單獨(dú)控制。聯(lián)動(dòng)控制分別對(duì)上(下)軸同時(shí)進(jìn)行位置定位控制。首先判斷輸入數(shù)據(jù)的有效性，根據(jù)位置長(zhǎng)度計(jì)算運(yùn)行速度。
2.3 噴管型面控制程序設(shè)計(jì)
噴管型面控制程序包括型面成型(回零)與鎖緊控制和油源控制兩部分。通過(guò)控件調(diào)用回調(diào)函數(shù)，在主程序定時(shí)器內(nèi)給函數(shù)變量賦值，實(shí)現(xiàn)油泵電機(jī)啟閉、比例閥壓力值給定、型面成型(回零)和鎖緊等操作。程序在運(yùn)行中設(shè)置軟件限位控制，當(dāng)成型壓力超過(guò)限位值時(shí)，程序發(fā)出停止成型指令，切斷換向閥，防止壓力過(guò)沖造成撓板局部畸變而損壞撓板。當(dāng)成型到位后，如果壓力超過(guò)成型壓力限位值則程序轉(zhuǎn)入鎖緊階段，同樣設(shè)置鎖緊限位值，超過(guò)軟件限位值時(shí)切斷換向閥;在試驗(yàn)過(guò)程中，為適應(yīng)氣流沖擊反作用引起的壓力波動(dòng)，設(shè)置一個(gè)鎖緊的冗余回路，定義試驗(yàn)時(shí)的軟件上下限位值，與正常鎖緊通道共同保證吹風(fēng)時(shí)設(shè)備安全。
3 結(jié)束語(yǔ)
噴管控制系統(tǒng)研制完成后，先后完成噴管動(dòng)態(tài)調(diào)試、流場(chǎng)校測(cè)、標(biāo)模試驗(yàn)等。試驗(yàn)驗(yàn)證了噴管控制系統(tǒng)定位螺母定位精確，噴管型面成型同步安全，通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)可靠，人機(jī)交互直觀簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)高質(zhì)高效地完成風(fēng)洞試驗(yàn)提供了有力的支撐，對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)達(dá)到世界先進(jìn)水平發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
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