某超聲速風洞噴管控制系統(tǒng)的設計與應用研究論文
0 引 言
某超聲速風洞是我國自行設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有決定性的影響，噴管結構如圖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的執(zhí)行機構(節(jié)點)相連。
噴管控制系統(tǒng)工作原理為通過交流伺服驅動系統(tǒng)，控制執(zhí)行機構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，驅動執(zhí)行機構運動，同步調節(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)硬件結構
噴管控制系統(tǒng)主要任務是實現(xiàn)噴管型面控制，機構運行安全聯(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)絡向PMAC控制器下達指令，利用交流伺服驅動系統(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硬件結構
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、內務處理、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，它能夠對存儲在內部的'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動的圈數(shù)并控制伺服電機轉動，通過增量編碼器將測得的電機轉動圈數(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使絲桿轉動，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動圈數(shù)與蝸輪蝸桿每圈位移行程關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，對應的編碼器轉數(shù)在5-288轉之間。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，其具有適應性強、處理速度高、應用靈活、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輸出開關量轉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。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)采用星型拓撲結構，工控機作為系統(tǒng)結構核心通過網(wǎng)絡實現(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，分別設置上UMAC與下UMAC的IP地址與設備號，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模式結構，本系統(tǒng)為服務器，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用設計的高性能模塊及其配置功能，在測控領域受到廣泛關注和應用。
根據(jù)定位螺母控制和噴管成型不同功能劃分，分別設計程序代碼和操作界面，再通過主程序對其調用完成相應功能。
2.1 主程序設計
軟件主程序負責完成對各子系統(tǒng)的調用和狀態(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構，相關功能模塊程序在滿足前置條件時才能做出響應，并在發(fā)生誤操作時不予響應或給出提示。
在軟件主程序中，首先是進行初始化操作。主程序設置一個定時器函數(shù)定時讀取控制系統(tǒng)設備信號和狀態(tài)信息，并以此作為相關變量賦值和設備運動控制的依據(jù)。各功能模塊采用回調函數(shù)的形式對滿足前置條件的激勵做出響應，其程序結構相對單一和獨立。
2.2 定位螺母控制程序設計
根據(jù)定位螺母運動控制特點，編寫上、下機構聯(lián)動和單動控制程序，實現(xiàn)執(zhí)行機構的聯(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。通過控件調用回調函數(shù)，在主程序定時器內給函數(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入鎖緊階段，同樣設置鎖緊限位值，超過軟件限位值時切斷換向閥;在試驗過程中，為適應氣流沖擊反作用引起的壓力波動，設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備安全。
3 結束語
噴管控制系統(tǒng)研制完成后，先后完成噴管動態(tài)調試、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)設計指標，對高質高效地完成風洞試驗提供了有力的支撐，對風洞流場品質達到世界先進水平發(fā)揮了關鍵作用。
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