某超聲速風洞噴管控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究論文
0 引 言
某超聲速風洞是我國自行設(shè)計及建造的大型暫沖、下吹、引射式、增壓型超聲速風洞，是我國先進超聲速飛行器研制的理想地面試驗模擬平臺。
噴管是保證風洞模型試驗區(qū)獲得設(shè)計馬赫數(shù)的均勻氣流的重要部件，其控制精度對試驗流場品質(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全撓性噴管壁，撓性板背氣流面布置了許多鉸鏈支撐點并與其相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)(節(jié)點)相連。
噴管控制系統(tǒng)工作原理為通過交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，控制執(zhí)行機構(gòu)的定位螺母運動到指定位置，實現(xiàn)系統(tǒng)的預定位。定位完成后,通過控制液壓系統(tǒng)與換向閥，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，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，確保在吹風過程中型面不變。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
噴管控制系統(tǒng)主要任務(wù)是實現(xiàn)噴管型面控制，機構(gòu)運行安全聯(lián)鎖與控制數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)采用電氣—機械—液壓系統(tǒng)控制方式，由一臺專用噴管型面工控機統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，根據(jù)給定馬赫數(shù)計算型面定位參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)向PMAC控制器下達指令，利用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)定位螺母機械定位;通過MPI/DP總線通信向PLC發(fā)送控制指令，實現(xiàn)噴管型面的低壓成型與高壓鎖緊;通過網(wǎng)絡(luò)交換機與上位機通信，將噴管控制子系統(tǒng)納入到風洞安全監(jiān)控系統(tǒng)中，滿足風洞試驗需求。
1.1 定位螺母控制系統(tǒng)
噴管控制系統(tǒng)定位螺母驅(qū)動控制采用美國DELTA TAU公司的PMAC控制安川交流伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)定位，并通過25位的多圈式絕對光電編碼器來間接測量得到其位置反饋信息。
1.1.1硬件結(jié)構(gòu)
PMAC是美國DELTA TAU公司開發(fā)的開放式多軸運動控制器，它提供運動控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機的交互等數(shù)控基本功能，PMAC具有開放的開發(fā)平臺，支持多種編程語言，它能夠?qū)Υ鎯υ趦?nèi)部的'程序進行單獨運算，執(zhí)行控制程序、PLC程序，并可進行伺服控制更新。
定位螺母控制系統(tǒng)由PMAC控制器、伺服控制系統(tǒng)、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和多圈式絕對光電編碼器組成，其控制原理如圖3所示。該系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：內(nèi)環(huán)由交流伺服控制器、交流伺服電機和增量編碼器組成，安川交流伺服控制器計算出螺母到位所需電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)并控制伺服電機轉(zhuǎn)動，通過增量編碼器將測得的電機轉(zhuǎn)動圈數(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)、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和絕對編碼器組成，交流伺服系統(tǒng)拖動蝸輪蝸桿減速機構(gòu)使絲桿轉(zhuǎn)動，進而使得定位螺母運動，多圈式絕對光電編碼器通過計算編碼器轉(zhuǎn)動圈數(shù)與蝸輪蝸桿每圈位移行程關(guān)系來間接測量定位螺母的行程，并反饋給PMAC控制卡。
1.1.2 精度分析
根據(jù)位置控制算法，每個節(jié)點蝸輪蝸桿帶動絲桿最大行程在25-1440mm之間，對應(yīng)的編碼器轉(zhuǎn)數(shù)在5-288轉(zhuǎn)之間。系統(tǒng)采用德國HEIDENHAIN公司的ROQ425絕對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、處理速度高、應(yīng)用靈活、擴展自由等特點。此外，采用西門子公司提供的軟件，很容易在上位機用WINCC或CVI開發(fā)的軟件實現(xiàn)對PLC寄存器讀/寫操作，從而實現(xiàn)PLC運行控制。
噴管型面控制系統(tǒng)采用高壓泵、低壓泵雙油泵為執(zhí)行機構(gòu)提供動力，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，繼電器觸點控制電機啟動器，實現(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)信號激勵繼電器觸點，控制電磁換向閥換向，實現(xiàn)型面的成型與回零。油缸流量通過比例溢流閥和比例減壓閥來調(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個通訊接口：MPI接口和PROFIBUS-DP接口，其中MPI接口用于PLC與上位機的通訊，PROFIBUS-DP用于連接油源控制人機界面。
1.3 通信系統(tǒng)
噴管控制系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，工控機作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)核心通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與定位螺母控制系統(tǒng)和上位監(jiān)控計算機的通信，通過MPI接口實現(xiàn)與噴管型面控制系統(tǒng)的通信。
工控機通過西門子網(wǎng)絡(luò)交換機連接UMAC運動控制器(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，并下發(fā)到UMAC中;同時工控機與測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，測控間為客戶端，定時讀取本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息，當網(wǎng)絡(luò)處于聯(lián)接狀態(tài)時，工控機定時向風洞運行監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。工控機機箱內(nèi)置西門子CP5611通信卡，使用MPI總線與PLCS7-300通信，工控機通過MPI讀取PLC中的DB數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。PLC通過Profibus-DP總線與人機界面相連接，設(shè)置PLC主站的Profibus-DP地址和人機界面從站的Profibus-DP地址，實現(xiàn)人機界面與PLC之間的通訊。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
噴管控制系統(tǒng)人機交互軟件基于NI公司的Labwindows/CVI平臺研制和開發(fā)。Labwindows/CVI是交互式C語言的圖形化開發(fā)語言環(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，以及專為測試測量與自動化控制應(yīng)用設(shè)計的高性能模塊及其配置功能，在測控領(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)計程序代碼和操作界面，再通過主程序?qū)ζ湔{(diào)用完成相應(yīng)功能。
2.1 主程序設(shè)計
軟件主程序負責完成對各子系統(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層級結(jié)構(gòu)，相關(guān)功能模塊程序在滿足前置條件時才能做出響應(yīng)，并在發(fā)生誤操作時不予響應(yīng)或給出提示。
在軟件主程序中，首先是進行初始化操作。主程序設(shè)置一個定時器函數(shù)定時讀取控制系統(tǒng)設(shè)備信號和狀態(tài)信息，并以此作為相關(guān)變量賦值和設(shè)備運動控制的依據(jù)。各功能模塊采用回調(diào)函數(shù)的形式對滿足前置條件的激勵做出響應(yīng)，其程序結(jié)構(gòu)相對單一和獨立。
2.2 定位螺母控制程序設(shè)計
根據(jù)定位螺母運動控制特點，編寫上、下機構(gòu)聯(lián)動和單動控制程序，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的聯(lián)動操作和每個節(jié)點的單獨控制。聯(lián)動控制分別對上(下)軸同時進行位置定位控制。首先判斷輸入數(shù)據(jù)的有效性，根據(jù)位置長度計算運行速度。
2.3 噴管型面控制程序設(shè)計
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。通過控件調(diào)用回調(diào)函數(shù)，在主程序定時器內(nèi)給函數(shù)變量賦值，實現(xiàn)油泵電機啟閉、比例閥壓力值給定、型面成型(回零)和鎖緊等操作。程序在運行中設(shè)置軟件限位控制，當成型壓力超過限位值時，程序發(fā)出停止成型指令，切斷換向閥，防止壓力過沖造成撓板局部畸變而損壞撓板。當成型到位后，如果壓力超過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，超過軟件限位值時切斷換向閥;在試驗過程中，為適應(yīng)氣流沖擊反作用引起的壓力波動，設(shè)置一個鎖緊的冗余回路，定義試驗時的軟件上下限位值，與正常鎖緊通道共同保證吹風時設(shè)備安全。
3 結(jié)束語
噴管控制系統(tǒng)研制完成后，先后完成噴管動態(tài)調(diào)試、流場校測、標模試驗等。試驗驗證了噴管控制系統(tǒng)定位螺母定位精確，噴管型面成型同步安全，通信系統(tǒng)實時可靠，人機交互直觀簡潔，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計指標，對高質(zhì)高效地完成風洞試驗提供了有力的支撐，對風洞流場品質(zhì)達到世界先進水平發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
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