某超声速风洞喷管控制系统的设计与应用研究论文
0 引 言
某超声速风洞是我国自行设计及建造的大型暂冲、下吹、引射式、增压型超声速风洞，是我国先进超声速飞行器研制的理想地面试验模拟平台。
喷管是保证风洞模型试验区获得设计马赫数的均匀气流的重要部件，其控制精度对试验流场品质有决定性的影响，喷管结构如图1所示。喷管采用二元多支点全挠性喷管壁，挠性板背气流面布置了许多铰链支撑点并与其相应的执行机构(节点)相连。
喷管控制系统工作原理为通过交流伺服驱动系统，控制执行机构的定位螺母运动到指定位置，实现系统的预定位。定位完成后,通过控制液压系统与换向阀，驱动执行机构运动，同步调节挠性板的弯曲形状，使喷管型面与定位螺母的预定位置相吻合而得到不同马赫数的喷管型面。然后将挠板用高压顶紧，确保在吹风过程中型面不变。
1 系统硬件结构
喷管控制系统主要任务是实现喷管型面控制，机构运行安全联锁与控制数据处理。系统采用电气—机械—液压系统控制方式，由一台专用喷管型面工控机统一协调控制，根据给定马赫数计算型面定位参数，通过网络向PMAC控制器下达指令，利用交流伺服驱动系统实现定位螺母机械定位;通过MPI/DP总线通信向PLC发送控制指令，实现喷管型面的低压成型与高压锁紧;通过网络交换机与上位机通信，将喷管控制子系统纳入到风洞安全监控系统中，满足风洞试验需求。
1.1 定位螺母控制系统
喷管控制系统定位螺母驱动控制采用美国DELTA TAU公司的PMAC控制安川交流伺服系统来实现定位，并通过25位的多圈式绝对光电编码器来间接测量得到其位置反馈信息。
1.1.1硬件结构
PMAC是美国DELTA TAU公司开发的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控基本功能，PMAC具有开放的开发平台，支持多种编程语言，它能够对存储在内部的'程序进行单独运算，执行控制程序、PLC程序，并可进行伺服控制更新。
定位螺母控制系统由PMAC控制器、伺服控制系统、蜗轮蜗杆减速机构和多圈式绝对光电编码器组成，其控制原理如图3所示。该系统是一个双闭环控制系统：内环由交流伺服控制器、交流伺服电机和增量编码器组成，安川交流伺服控制器计算出螺母到位所需电机转动的圈数并控制伺服电机转动，通过增量编码器将测得的电机转动圈数反馈给伺服控制器;外环由PMAC位置控制卡、交流伺服控制系统、蜗轮蜗杆减速机构和绝对编码器组成，交流伺服系统拖动蜗轮蜗杆减速机构使丝杆转动，进而使得定位螺母运动，多圈式绝对光电编码器通过计算编码器转动圈数与蜗轮蜗杆每圈位移行程关系来间接测量定位螺母的行程，并反馈给PMAC控制卡。
1.1.2 精度分析
根据位置控制算法，每个节点蜗轮蜗杆带动丝杆最大行程在25-1440mm之间，对应的编码器转数在5-288转之间。系统采用德国HEIDENHAIN公司的ROQ425绝对型多圈编码器可连续转4096圈，每圈8192线。
1.2 喷管型面控制系统
喷管型面控制系统采用西门子S7-300 PLC作为喷管型面控制系统核心控制PLC，其具有适应性强、处理速度高、应用灵活、扩展自由等特点。此外，采用西门子公司提供的软件，很容易在上位机用WINCC或CVI开发的软件实现对PLC寄存器读/写操作，从而实现PLC运行控制。
喷管型面控制系统采用高压泵、低压泵双油泵为执行机构提供动力，控制原理如图4所示。油泵的启闭由PLC数字量输出模块DO1控制，DO1输出开关量转化为继电器所需的电压信号，继电器触点控制电机启动器，实现循环泵、油泵的开关。电磁换向阀采取冗余控制，PLC数字量输出模块DO2输出开关信号激励继电器触点，控制电磁换向阀换向，实现型面的成型与回零。油缸流量通过比例溢流阀和比例减压阀来调节,电磁比例阀根据PLC模拟量输出模块(AO)输出电压值大小调节阀后压力，实现型面的成型(回零)与锁紧。PLC模拟量输入模块AI将液位、压力和温度传感器采集的电流值通过A/D模块转化为数字量，用于监视油源的重要参数。PLC数字量输入模块DI用于液压系统的油源电机起停与辅助状态、油缸到位状态的采集。PLC的CPU集成了2个通讯接口：MPI接口和PROFIBUS-DP接口，其中MPI接口用于PLC与上位机的通讯，PROFIBUS-DP用于连接油源控制人机界面。
1.3 通信系统
喷管控制系统采用星型拓扑结构，工控机作为系统结构核心通过网络实现与定位螺母控制系统和上位监控计算机的通信，通过MPI接口实现与喷管型面控制系统的通信。
工控机通过西门子网络交换机连接UMAC运动控制器(含以太网接口)组成以太网网络，分别设置上UMAC与下UMAC的IP地址与设备号，并下发到UMAC中;同时工控机与测控间通讯采用以太网C/S模式结构，本系统为服务器，测控间为客户端，定时读取本系统的数据与状态信息，当网络处于联接状态时，工控机定时向风洞运行监控系统发送系统状态数据。工控机机箱内置西门子CP5611通信卡，使用MPI总线与PLCS7-300通信，工控机通过MPI读取PLC中的DB数据块数据。PLC通过Profibus-DP总线与人机界面相连接，设置PLC主站的Profibus-DP地址和人机界面从站的Profibus-DP地址，实现人机界面与PLC之间的通讯。
2 系统软件设计
喷管控制系统人机交互软件基于NI公司的Labwindows/CVI平台研制和开发。Labwindows/CVI是交互式C语言的图形化开发语言环境，它集成了图形化编程方式的高性能与灵活性，交互式编程方法，以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高性能模块及其配置功能，在测控领域受到广泛关注和应用。
根据定位螺母控制和喷管成型不同功能划分，分别设计程序代码和操作界面，再通过主程序对其调用完成相应功能。
2.1 主程序设计
软件主程序负责完成对各子系统的调用和状态监视，其界面如图6所示。喷管控制软件采用递进层级结构，相关功能模块程序在满足前置条件时才能做出响应，并在发生误操作时不予响应或给出提示。
在软件主程序中，首先是进行初始化操作。主程序设置一个定时器函数定时读取控制系统设备信号和状态信息，并以此作为相关变量赋值和设备运动控制的依据。各功能模块采用回调函数的形式对满足前置条件的激励做出响应，其程序结构相对单一和独立。
2.2 定位螺母控制程序设计
根据定位螺母运动控制特点，编写上、下机构联动和单动控制程序，实现执行机构的联动操作和每个节点的单独控制。联动控制分别对上(下)轴同时进行位置定位控制。首先判断输入数据的有效性，根据位置长度计算运行速度。
2.3 喷管型面控制程序设计
喷管型面控制程序包括型面成型(回零)与锁紧控制和油源控制两部分。通过控件调用回调函数，在主程序定时器内给函数变量赋值，实现油泵电机启闭、比例阀压力值给定、型面成型(回零)和锁紧等操作。程序在运行中设置软件限位控制，当成型压力超过限位值时，程序发出停止成型指令，切断换向阀，防止压力过冲造成挠板局部畸变而损坏挠板。当成型到位后，如果压力超过成型压力限位值则程序转入锁紧阶段，同样设置锁紧限位值，超过软件限位值时切断换向阀;在试验过程中，为适应气流冲击反作用引起的压力波动，设置一个锁紧的冗余回路，定义试验时的软件上下限位值，与正常锁紧通道共同保证吹风时设备安全。
3 结束语
喷管控制系统研制完成后，先后完成喷管动态调试、流场校测、标模试验等。试验验证了喷管控制系统定位螺母定位精确，喷管型面成型同步安全，通信系统实时可靠，人机交互直观简洁，实现了系统设计指标，对高质高效地完成风洞试验提供了有力的支撑，对风洞流场品质达到世界先进水平发挥了关键作用。
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