周 平,陳天毅,王 帆,蔣鐵登,郭守春,沈 紅,楊孝松

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 62100)

0 引 言

8m×6m風洞大迎角機構(gòu)采用計算機控制液壓伺服油缸來實現(xiàn)試驗模型姿態(tài)變化控制,并完成所要求的各種運動控制功能。機構(gòu)由7根油缸驅(qū)動,如圖1所示。偏航角由4根油缸(β1油缸組、β2油缸組)驅(qū)動實現(xiàn),俯仰角α由兩根油缸驅(qū)動實現(xiàn),Y向位移補償由一根油缸驅(qū)動實現(xiàn)。

β1油缸組(左、右各一根)與β2油缸組(左、右各一根)聯(lián)合協(xié)調(diào)運動控制來實現(xiàn)偏航角控制,并保證模型中心在水平面上的某一軸線上運動。俯仰角由α油缸組(俯仰臂下部左、右各一根)與Y向油缸聯(lián)合協(xié)調(diào)運動控制來實現(xiàn)俯仰變化控制,并保證模型中心沿著垂直平面上在某一軸線運動。當模型姿態(tài)角α和β同時要求變化控制時,7根油缸都要參與聯(lián)合協(xié)調(diào)控制,保證姿態(tài)角到位精度和模型中心在風洞試驗段規(guī)定的軸線上運動。

設(shè)計要求：角度位置控制精度優(yōu)于±0.05°,可以無級設(shè)定角速度(大迎角Vmax=3°/s,常規(guī)迎角Vmax=1°/s)?？刂葡到y(tǒng)具有可靠的模型保護與控制安全聯(lián)鎖功能。

設(shè)計要求模型姿態(tài)變化過程中,始終保持在試驗段規(guī)定“中心”軸線上運動,且這一軸線可通過軟件任意設(shè)定,以滿足特殊試驗需求。被控對象是一個典型的復雜的多自由度聯(lián)合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過控制油缸的位移來實現(xiàn)對角度的控制,當角度按某以速度變化時,油缸將是非勻速運動。試驗模型所受的氣動負載,隨模型姿態(tài)角的變化及風洞運行工況的不同而變化,要求控制算法具有較強的自適應能力,以保證系統(tǒng)具有較高的控制精度。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)硬件方案

圖2是控制系統(tǒng)硬件組成框圖?？刂茩C構(gòu)主要由PLC、上位機及現(xiàn)場手操器等組成。系統(tǒng)在風洞試驗管理機的調(diào)度指揮下完成機構(gòu)的運行控制與安全聯(lián)鎖。PLC采用GE Fanuc 90-70 PLC,該類PLC運行速度快,功能模塊品種齊全,通信功能強易于組成各類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)完成大迎角機構(gòu)系統(tǒng)運動控制(實現(xiàn)控制算法)、油源運行控制及系統(tǒng)運行安全聯(lián)鎖,是控制系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。

圖1 控制對象三維示意圖Fig.1 Schematic of the high angle of attack mechanism

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of the control hardware system

機構(gòu)控制系統(tǒng)上位機選用工控機。實現(xiàn)系統(tǒng)運行控制方式選擇、發(fā)出控制命令以及對來自PLC采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理(顯示、記錄、分析)。

手持操作器選用掌上電腦,為現(xiàn)場(洞內(nèi))模型安裝機構(gòu)控制操作方便而設(shè)置,具有對每個自由度獨立運動控制及緊急斷油保護模型等控制操作功能。

PLC與上位機及風洞試驗管理機工作于同一個局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。PLC與上位工控機通過以太網(wǎng)進行通信。PLC根據(jù)上位機下達的各項任務(wù),完成大迎角系統(tǒng)各類運行工況的運動控制、完成對油源的升/降壓運行控制及油源運行狀態(tài)監(jiān)測,各種運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)可以實時地傳送至上位機,并通過PLC程序?qū)⒈O(jiān)測的狀態(tài)在控制操作臺上進行顯示。手持操作器的操作命令通過 RS-485傳至上位工控機,再由上位通過以太網(wǎng)絡(luò)傳至PLC,由PLC完成具體的控制。同時上位工控機可以監(jiān)視手持操作器的操作,并可對手持操作器的控制操作權(quán)進行控制。

迎角系統(tǒng)驅(qū)動油缸的位移傳感器采用具有SSI數(shù)據(jù)傳輸功能M TS數(shù)字量輸出傳感器,PLC通過SSI采集傳感器數(shù)據(jù),提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

在液壓伺服驅(qū)動控制方面,采用一個伺服閥驅(qū)動兩個油缸的方式。即β1左右油缸、β2左右油缸及α兩個油缸各分別配一個伺服閥。整個機構(gòu)共4個伺服閥驅(qū)動。

模型保護同時采用兩種方式來實現(xiàn)：通過軟件進行模型空間位置計算來防止觸壁;在風洞洞壁四周設(shè)置光幕與激光掃描雷達組合而成的安全保護“網(wǎng)”。

1.2 系統(tǒng)主要硬件配置

PLC主機架上配置有電源模塊、CPU模塊、總線傳輸模塊、以太網(wǎng)模塊、SSI接口模塊、模擬量輸入/輸出模塊、光隔開關(guān)量輸入及繼電器輸出模塊。

電源模塊選用IC697PWR711。CPU模塊選取IC697CPX935,布爾運算速度0.4ms/K,支持浮點運算。

總線傳輸模塊提供總線擴展接口和高性能并行編程器接口。

以太網(wǎng)絡(luò)控制器模塊支持MMS/SRTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,支持TCP/IP,傳輸速率10Mbps。

SSI接口模塊,用于接收來自于液壓缸位移傳感器的位置數(shù)據(jù)。該模塊與GE VMEbus(VME-I)兼容,支持單字SSI格式信號輸出的傳感器。

模擬量輸入模塊為IC697ALG230,每個模塊提供8路16位模擬量輸入通道,用于油壓信號的采集。

模擬量輸出模塊為IC697ALG320,每個模塊提供4路16位模擬量輸出通道。用于閉環(huán)控制輸出。

開關(guān)量輸入/輸出模塊,分別用于系統(tǒng)狀態(tài)的檢測,油源系統(tǒng)的控制等。

模型防撞壁保護的硬件系統(tǒng)采用德國施克(SICK)光電公司的激光掃描雷達和光幕。試驗段側(cè)壁頂部安裝一臺掃描雷達,在試驗段頂面的平面上快速掃描。在試驗段的兩個側(cè)壁和底面,采用三套安全光幕系統(tǒng)。

模型或機構(gòu)接觸或超過雷達掃描平面或光幕時,給控制系統(tǒng)輸出一個報警信號?？刂葡到y(tǒng)檢測到報警信號時,將自動切斷所有油缸油路,實現(xiàn)模型或機構(gòu)的保護。

2 軟件開發(fā)

上位機開發(fā)軟件開發(fā)平臺為Windows 2000,軟件采用LabWindows/CVI6.0開發(fā)完成。上位機與PLC通信,利用GE公司Host Communication Toolkit軟件進行開發(fā)。

PLC軟件軟件開發(fā)工具為Cimplicity ME和C Programmer's Software。前者用于PLC程序開發(fā),后者用于PLC程序開發(fā)的C語言編程軟件。

在上位機軟件開發(fā)方面,具有機構(gòu)各自由度單動調(diào)試、聯(lián)動調(diào)試及吹風試驗等選擇功能。為確保模型安全,上位機還設(shè)計了試驗模型特征參數(shù)輸入界面,這些參數(shù)發(fā)給PLC,PLC程序?qū)崟r計算模型空間位置,并發(fā)出告警或強行停止機構(gòu)運行等安全保護聯(lián)鎖。

PLC是大迎角系統(tǒng)的控制核心機,負責實現(xiàn)大迎角機構(gòu)的運動控制(單自由度運動控制算法、機構(gòu)聯(lián)動運行控制算法、機構(gòu)空間位置計算)及機構(gòu)系統(tǒng)運行安全聯(lián)鎖;油源系統(tǒng)運行控制與運行聯(lián)鎖等。上位機界面涉及到的控制均由PLC軟件實現(xiàn)。

手持操作器——掌上電腦,應用軟件開發(fā)采用基于微軟VC6.0的Windows CE軟件開發(fā)工具包?，F(xiàn)場手持操器可以實現(xiàn)四個自由度的獨立運動控制操作;各個角度位置值的實時顯示;應急控制等功能。

3 控制策略

控制策略主要包括：單自由度位置控制算法;負載補償控制算法;速度、位移生成算法;高精度單自由度智能角度補償控制算法;智能協(xié)調(diào)控制算法。

多自由度聯(lián)動采用跟隨協(xié)調(diào)控制[2-3],a與β之間的協(xié)調(diào),采用β跟隨a的協(xié)調(diào)控制模式。Y與a之間,以Y跟隨a。在β內(nèi)部以β2跟隨β1。

圖3是定β、變a控制實現(xiàn)框圖。該運行工況可分為12個控制算法模塊和7個速度、位移生成算法模塊。

“控制算法模塊1”主要完成a油缸位置系統(tǒng)的負載智能補償及高精度位置控制。a的“速度、位移生成算法”是根據(jù)a的給定及要求的速度算出a油缸的運動給定軌跡。

“控制算法模塊3”實現(xiàn)a角度高精度智能補償,確保角度定位精度。

根據(jù)a角度的實際位置及a的給定值,Y油缸位置系統(tǒng)的“速度、位移生成算法”模塊生成Y油缸的運動給定軌跡。

“β速度、軌跡生成及控制算法模塊5”實現(xiàn)β跟隨a,β抗負載智能補償及高精度位置控制。

“控制算法模塊8”、“控制算法模塊11”及“控制算法模塊12”分別實現(xiàn)β1角度、β2角度及β1和β1組成的β角度的高精度智能補償,確保角度定位精度。

控制算法模塊3、8、11、12四個算法模塊,均采用“智能高階PID”算法。協(xié)調(diào)跟隨采用了仿人智能控制算法[1-2]。

高階PID可用式(1)表示：

圖3 定β、變a控制框圖Fig.3 Block diagram of the control system(β Changed with αconstant)

仿人智能控制算法[2,4],由特征信息處理器和控制模態(tài)集組成?！疤卣餍畔ⅰ眮碓从诮嵌日`差信息和操作信息兩部分。智能控制器的系統(tǒng)特征模型可用下式表示：

式中,Tm×n為m×n的矩陣,取值1或0。Qn×1為特征基元向量,通過調(diào)試結(jié)果總結(jié)形成,“Θ”為邏輯乘。

智能控制模態(tài)集可表示為：

由(2)和(3)式形成一一對應關(guān)系,通過(2)式計算出的特征信息,對應(3)式的控制模態(tài)集,得出相應的控制輸出。

由于篇幅有限,就不詳細介紹各算法模塊的具體實現(xiàn)。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)已用于風洞試驗,系統(tǒng)運行良好,并完成多項型號試驗任務(wù)。從最終結(jié)果看,機構(gòu)的控制精度優(yōu)于±0.008°,超過了設(shè)計指標±0.05°的要求。

表1是定β(β=20°)步進變a控制系統(tǒng)獲得的控制數(shù)據(jù)。

8m×6m特大迎角機構(gòu)控制系統(tǒng)采用了以GE 90-70PLC為核心控制機的硬件結(jié)構(gòu)。該類PLC系統(tǒng)抗干擾力強,模塊豐富,運算速度快,可擴展性強。本系統(tǒng)采用了基本的硬件系統(tǒng),通過軟件成功地實現(xiàn)了多自由度系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動控制,解決了聯(lián)動協(xié)調(diào)控制算法可能導致自由度之間的耦合問題,以及解決了負載對控制品質(zhì)的影響等難題。最終達到的控制指標優(yōu)于設(shè)計要求。

表1 定β(β=20°)步進變α(Vα=3°/s)控制效果(單位：度)Table 1 Control result of the position of attack angle(αstep Changed with β=20°)

[1] 周 平,王 帆,蔣鐵登,等.8m×6m風洞特大迎角機構(gòu)控制系統(tǒng)研制[R].全國空氣動力測控技術(shù)交流會(五屆二次)[C].廣西北海2006,09.

[2] 周 平,李尚春,韓 杰,等.智能控制在2.4m風洞同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)上的應用[J].流體力學試驗與測量,2002,16(3)：68-72.

[3] 施光林,史維祥,李天石,等.液壓同步控制及其應用[J].機床與液壓,1997,(3)：3-7.

[4] 李士勇.模糊控制?神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社,1996.