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(fēng)洞大迎角機(jī)構(gòu)采用計算機(jī)控制液壓伺服油缸來實現(xiàn)試驗?zāi)Ｐ妥藨B(tài)變化控制,并完成所要求的各種運動控制功能。機(jī)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(bǔ)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(dāng)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(fēng)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(hù)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(fù)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(dāng)角度按某以速度變化時,油缸將是非勻速運動。試驗?zāi)Ｐ退艿臍鈩迂?fù)載,隨模型姿態(tài)角的變化及風(fēng)洞運行工況的不同而變化,要求控制算法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)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(jī)構(gòu)主要由PLC、上位機(jī)及現(xiàn)場手操器等組成。系統(tǒng)在風(fēng)洞試驗管理機(jī)的調(diào)度指揮下完成機(jī)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(qiáng)易于組成各類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)完成大迎角機(jī)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(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)上位機(jī)選用工控機(jī)。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(jìn)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(jī)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(hù)模型等控制操作功能。

PLC與上位機(jī)及風(fēng)洞試驗管理機(jī)工作于同一個局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。PLC與上位工控機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。PLC根據(jù)上位機(jī)下達(dá)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(jī),并通過PLC程序?qū)⒈O(jiān)測的狀態(tài)在控制操作臺上進(jìn)行顯示。手持操作器的操作命令通過 RS-485傳至上位工控機(jī),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(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)共4個伺服閥驅(qū)動。

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

1.2 系統(tǒng)主要硬件配置

PLC主機(jī)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(kuò)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(hù)的硬件系統(tǒng)采用德國施克(SICK)光電公司的激光掃描雷達(dá)和光幕。試驗段側(cè)壁頂部安裝一臺掃描雷達(dá),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(jī)構(gòu)接觸或超過雷達(dá)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(jī)構(gòu)的保護(hù)。

2 軟件開發(fā)

上位機(jī)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(jī)與PLC通信,利用GE公司Host Communication Toolkit軟件進(jìn)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(jī)軟件開發(fā)方面,具有機(jī)構(gòu)各自由度單動調(diào)試、聯(lián)動調(diào)試及吹風(fēng)試驗等選擇功能。為確保模型安全,上位機(jī)還設(shè)計了試驗?zāi)Ｐ吞卣鲄?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(qiáng)行停止機(jī)構(gòu)運行等安全保護(hù)聯(lián)鎖。

PLC是大迎角系統(tǒng)的控制核心機(jī),負(fù)責(zé)實現(xiàn)大迎角機(jī)構(gòu)的運動控制(單自由度運動控制算法、機(jī)構(gòu)聯(lián)動運行控制算法、機(jī)構(gòu)空間位置計算)及機(jī)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(jī)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(yīng)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(yīng)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(fù)載補(bǔ)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(bǔ)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(fù)載智能補(bǔ)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(bǔ)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(fù)載智能補(bǔ)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(bǔ)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。“特征信息”來源于角度誤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(yīng)關(guān)系,通過(2)式計算出的特征信息,對應(yīng)(3)式的控制模態(tài)集,得出相應(yīng)的控制輸出。

由于篇幅有限,就不詳細(xì)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(fēng)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(jī)構(gòu)的控制精度優(yōu)于±0.008°,超過了設(shè)計指標(biāo)±0.05°的要求。

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

8m×6m特大迎角機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用了以GE 90-70PLC為核心控制機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。該類PLC系統(tǒng)抗干擾力強(qiáng),模塊豐富,運算速度快,可擴(kuò)展性強(qiáng)。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(dǎo)致自由度之間的耦合問題,以及解決了負(fù)載對控制品質(zhì)的影響等難題。最終達(dá)到的控制指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計要求。

表1 定β(β=20°)步進(jìn)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(fēng)洞特大迎角機(jī)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(fēng)洞同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].流體力學(xué)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(yīng)用[J].機(jī)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(xué)出版社,1996.