【信息科學與控制工程】

某高超聲速風洞五自由度機構控制系統(tǒng)研制

楊海濱，張偉，夏洪亞

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000)

摘要：為了克服某高超聲速風洞五自由度機構控制系統(tǒng)功能單一、精度低、運行可靠性差等缺點，對其控制系統(tǒng)進行了重新研制。新的控制系統(tǒng)采用模塊化設計，以DMC-2180獨立型多軸運動控制器為核心，通過PDC系列直流伺服單元，連接5臺直流伺服電機，并通過絕對編碼器反饋機構位置，從而構成高精度的閉環(huán)直流伺服控制系統(tǒng)?？刂栖浖捎眠\動控制器自帶的GALIL兩字符命令集同時結合VB/VC++語言等編程方式，實現(xiàn)了多種運動控制功能。經過調試并結合幾年來的運行實際情況表明，該控制系統(tǒng)精度高、運行穩(wěn)定可靠、設計先進、功能齊全。

關鍵詞：五自由度；控制；硬件；軟件

收稿日期：2014-08-05

作者簡介：楊海濱(1972—)，男，高級工程師，主要從事風洞自動控制方面的研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.029

中圖分類號：TP274

文章編號：1006-0707(2015)01-0102-04

本文引用格式：楊海濱，張偉，夏洪亞.某高超聲速風洞五自由度機構控制系統(tǒng)研制[J].四川兵工學報，2015(1):102-105.

Citationformat:YANGHai-bin,ZHANGWei,XIAHong-ya.DevelopmentofFive-DegreesofFreedomMechanismControlSysteminHypersonicWindTunnel[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):102-105.

DevelopmentofFive-DegreesofFreedomMechanismControl

SysteminHypersonicWindTunnel

YANGHai-bin,ZHANGWei,XIAHong-ya

(ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

Abstract:In order to overcome the defect of control system of five-degrees of freedom mechanism in the hypersonic wind tunnel such as single function, low precision and reliability, a new control system was developed. The DC servo control system was composed of DMC-2180 unaided multi-axis locomotion controller, 5 PDC DC servo cells, DC motors and absolute encoders. Computer control software adopted GALIL two-characters command and VB/VC++. It has proved that the control system has many characters such as high control precision and stabilization, advanced design method and perfect function. We mainly introduced technique target, design scheme，hardware structure, software development and application effect of it.

Keywords:five-degreesoffreedom;control;hardware;software

風洞的模型支撐機構運動自由度共有6個：即風洞軸線方向位移x、垂直方向上下位移y、垂直方向橫向位移z、攻角α(沿z軸旋轉)、側滑角β(沿y軸旋轉)、滾轉角γ(沿x軸旋轉)，其坐標定義見圖1。

大多數(shù)風洞的模型支撐機構運動自由度只有2～3個，某高超聲速風洞由于試驗流場溫度較高，為了最大程度地降低模型、天平的溫度效應，同時為了試驗時模型各種姿態(tài)的調整，該風洞模型支撐機構采用具有五自由度(即X、Y、α、β、γ)的上下投放式機構。試驗時流場建立之前，由于試驗段受高溫氣流的沖擊，模型連同其支撐機構位于試驗段流場下面，中間用隔熱板隔開，以防止模型、天平以及機構長時間受高溫氣流的影響而影響設備及試驗數(shù)據(jù)。當流場建立后，隔熱板打開，機構連同試驗模型投放(Y軸上升)到流場中，模型變換各種姿態(tài)并采集數(shù)據(jù)，試驗完成后模型回收(Y軸下降)，控制系統(tǒng)應根據(jù)試驗需要完成5個自由度的復雜變化。

五自由度機構控制系統(tǒng)在設計中有以下幾個技術難點：① 機構運動自由度個數(shù)多，自由度個數(shù)總共有5個，每個運動自由度既可單獨運動又可每2個、3個、4個聯(lián)動，這在國內外同類高超聲速風洞中使用的模型支撐機構是不多見的。② 機構各自由度運動速度相差大，由于受高溫氣流的作用，要求Y軸能夠快速運動。③ 機構工作空間尺寸小、載荷大、運動范圍寬。通過合理地選擇硬件和進行軟件設計，研制了一套新的五自由度機構控制系統(tǒng)，達到了設計指標和使用要求。

圖1　模型支撐機構坐標系

1設計技術指標

1) 各自由度運動技術指標：

運動范圍：α=-5°～50°

β=-12°～12°

γ=-180°～180°

x =-300～300mm

y =-800～100mm

運動精度：Δα=Δβ=±1′

Δγ=±3′

Δx =Δy =±0.15mm

運動速度：

快速回零Vxmax=100mm/s

ωαmax=ωβmax=ωγmax=15 °/s

慢速運動Vxmin=Vymin=5mm/s

ωα=ωβ=ωγ≤3 °/s

階梯運動ωα=ωβ=ωγ≤5 °/s

2) Y軸最大運動速度Vymax由原來的100mm/s提高至250mm/s。

3) 控制系統(tǒng)為開放式系統(tǒng)，能實現(xiàn)四軸聯(lián)動的功能。

2系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)多自由度運動控制的相關理論[1]，五自由度機構控制系統(tǒng)分為上位機和下位機。下位機選用DMC-2180獨立型多軸運動控制器為核心單元，通過互聯(lián)模塊PICM2900，連接5臺PDC系列直流伺服單元[2]，驅動Y、X、α、β、γ的直流伺服電機，通過電機的絕對式脈沖編碼器構成系統(tǒng)的閉環(huán)位置伺服，從而完成對機構升降、沿風洞軸線移動以及模型姿態(tài)角的位置控制?？刂葡到y(tǒng)結構框圖如圖2所示。

圖2　五自由度機構控制系統(tǒng)結構

上位機和運動控制器通過以太網通訊，運動控制器上專用CPU與上位機CPU構成主從式雙CPU控制模式，運動控制器上專用CPU用來處理所有運動控制的細節(jié)，不占用上位機資源。運行在上位機上的系統(tǒng)管理軟件主要完成人機界面，程序編制，實時監(jiān)控，系統(tǒng)運行管理以及與檢測系統(tǒng)的通訊等任務。手搖脈沖發(fā)生器用于試驗前在現(xiàn)場手動調整模型的位置和姿態(tài)，以確定試驗時模型的運動范圍。

運動控制器采用雙環(huán)伺服控制，以實現(xiàn)對機構運行速度、線位移和角位移的精確控制。圖3給出了一個軸的伺服控制原理示意圖，其余各個軸的控制原理均與其相同。內環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)[3]。內環(huán)為模擬閉環(huán)調節(jié)，外環(huán)為數(shù)字閉環(huán)調節(jié)。在直流伺服電機末端軸上安裝高精度的脈沖編碼器(2000PPR)作為檢測元件，在速度環(huán)控制中，返回的脈沖信號經F/V變換，作為反饋信號進入速度伺服單元，通過設定速度伺服單元的有關參數(shù)，可調節(jié)直流伺服電機的驅動電壓，從而調節(jié)電機的運行速度；在位置環(huán)控制中，返回的脈沖信號通過計數(shù)和比例變換，與預置的位置值進行比較運算，再經D/A變換輸入到速度伺服單元，控制電機運行，使機構精確定位于預置位置[4-5]。

圖3　伺服控制原理

3系統(tǒng)硬件及軟件設計

3.1控制系統(tǒng)硬件設計

1) 運動控制器：本控制系統(tǒng)采用具有遠程網絡控制功能的DMC-2180獨立型8軸運動控制器，能夠編程的運動方式有JOG、PTP定位、直線、圓弧插補、多軸聯(lián)動控制等[6]。

2) 伺服驅動單元：PDC系列直流伺服系統(tǒng)采用智能型功率模塊(IPM)、混合集成電路，實現(xiàn)PWM控制。該系統(tǒng)具有頻帶寬、響應速度快、調速范圍寬、變流效率高、無噪音等特點[7]，并提供了完善的故障報警提示功能。

3) 直流伺服電機：由于直流伺服電機具有大扭矩、寬調速、大慣量、低速特性較好的特點，因此可直接與滾珠絲杠聯(lián)接，減少誤差環(huán)節(jié)；同時，由于其本身的慣量大，受機械傳動影響小，配上先進的控制系統(tǒng)組成閉環(huán)伺服系統(tǒng)，可以得到較高的精度。

根據(jù)數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)有關理論，直流伺服電機的選擇應滿足下列關系：

Jr=Jm+Jt<3Jm

Ma=Mamax+Mf+M0

Mt

式中：Jm為電機轉動慣量(kg·m2)；Jt為負載慣量(kg·m2)；Jr為電機轉動慣量與負載慣量之和(kg·m2)；Ma為快速啟動時的力矩總和(N·m)；Mamax為快速啟動時的最大加速力矩(N·m)；Mf為快速啟動時的摩擦力矩(N·m)；Mmax為直流伺服電機的最大轉矩(N·m)；Mt為直流伺服電機工作力矩(N·m)；M0為直流伺服電機的額定轉矩(N·m)。

以Y軸電機的選擇為例，當Y軸以250 mm/s的速度運行時，有

Jt=0.629 kg·m2Mt=14.3 N·m

五自由度機構選用了性能優(yōu)良的FANUC直流伺服電機作為整個控制中的執(zhí)行元件。FANUC直流伺服電機是為晶體管驅動用電動機專門設計的，有著很高的加速能力和快速響應性能，可不受負荷的影響，發(fā)揮穩(wěn)定的動態(tài)性能。

3.2控制系統(tǒng)軟件設計

3.2.1控制軟件功能

根據(jù)機構的使用特點和風洞的實際情況，五自由度機構控制軟件具有如下功能：系統(tǒng)自檢、機構運行選擇、參數(shù)設置、運行路徑規(guī)劃、實時處理、安全保護、在線幫助。

1) 機構運行選擇包括：手動、自動、手輪、仿真、急停、回零等。

2) 參數(shù)設置包括：試驗運行參數(shù)、系統(tǒng)工作參數(shù)。

3) 運行路徑規(guī)劃：采用參數(shù)化編程方式，完成試驗中模型運行軌跡的規(guī)劃，并生成路徑數(shù)據(jù)文件。

4) 實時監(jiān)測處理包括：實時運動狀態(tài)顯示、實時監(jiān)測、實時自診斷、實時報警。

5) 安全保護包括：安全口令、限位保護。

3.2.2控制程序流程

控制程序由2部分內容構成—準備程序和試驗程序，包含了以下幾項控制功能：

1) 自動生成風洞試驗的程序，并通過Ethernet通訊口傳送到DMC系統(tǒng)；

2) 完成機構運行誤差修正處理；

3) 在試驗中監(jiān)控DMC系統(tǒng)自動運行；

4) 與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊。

圖4為主控程序的流程，根據(jù)該流程圖可實現(xiàn)各種運動方式的編程。

圖4　五自由度機構主控程序流程

3.2.3編程實現(xiàn)方式

為了實現(xiàn)各種運動形式和功能，五自由度控制軟件中采用了3種編程方式。根據(jù)這3種編程方式各自的特點以及難易程度，不同的控制功能采用不同的編程方式來實現(xiàn)。

1) 基于VB及其ActiveX控件的編程。在五自由度控制軟件中，手脈、點動、定義零點、回機械零點等功能采取基于VB的編程方式，優(yōu)點是編程簡單、方便、直觀。為了二次開發(fā)方便，使用了ActiveX控件。

2) 基于VC++及其動態(tài)鏈接庫DLLS的編程[8]。五自由度機構的運動控制界面、仿真等功能采用VC++編程，優(yōu)點是性能安全穩(wěn)定、可靠性高、可擴展性強。圖5為五自由度機構運動控制界面。

3) 基于GALIL兩字符命令集的編程。GALIL兩字符命令集是專門針對DMC運動控制器而開發(fā)的ASCII兩字符指令。

圖5　五自由度機構運動控制界面

GALIL兩字符命令可以用指令來指定運動形式，對輸出編程，檢查輸入狀態(tài)等。GALIL兩字符命令集編程如下：

LI-50,620,50X軸運動到前方50 mm處，Y軸運動到620 mm處，攻角α運動到50°(3軸聯(lián)動)

…

EN程序結束

編程完成后，對原始程序進行轉換，由于各個軸單位運動距離對應運動控制器一定的計數(shù)單位，因此程序要轉換為按計數(shù)單位設定的各軸運動距離和運動速度才能運行。五自由度機構編程參數(shù)換算如表1所示。

表1　各自由度對應計數(shù)單位換算表

4系統(tǒng)應用情況

新研制的五自由度機構控制系統(tǒng)投運后，經過了幾千次型號試驗運行的檢驗，在風洞中發(fā)揮了應有的作用，保障了型號試驗的順利進行。

如在某型號超大攻角測力試驗中，模型支撐拐臂預埋角40°，模型最大攻角達到90°。首次在風洞試驗中運用了4軸聯(lián)動指令，保證了模型在攻角運動時始終保持在流場均勻區(qū)的范圍內，成功完成了試驗，拓展了該風洞的試驗能力。

5結論

五自由度機構控制系統(tǒng)采用模塊化設計，以DMC-2180獨立型多軸運動控制器為核心，通過直流伺服單元連接伺服電機，從而構成高精度的閉環(huán)直流伺服控制系統(tǒng)?？刂栖浖捎肎ALIL兩字符命令集同時結合VB/VC++語言等編程方式，實現(xiàn)了多種運動控制功能。該系統(tǒng)具有以下特點：

1) 控制系統(tǒng)設計先進，功能齊全，操作簡單，系統(tǒng)采用多種編程方式，極其靈活，效率高，開放性好，二次開發(fā)方便。

2)Y軸最大運行速度由100 mm/s提高到250 mm/s，上升時間由原來10 s縮短到4 s左右，不僅有利于設備的安全運行，還節(jié)約了大量能源。

3)控制系統(tǒng)具有運動實時監(jiān)測的功能，并能在系統(tǒng)運行過程中進行人工干預，在特殊情況下可執(zhí)行緊急回零或者順序回零指令。

4) 在設計中很好地解決了運動精度高、各軸速度變化范圍寬、載荷大、五軸四聯(lián)動高精度控制等技術難點，拓展了該高超聲速風洞的試驗能力。

參考文獻：

[1]丁學恭著.機器人控制研究[M].浙江：浙江大學出版社，2006：53-55.

[2]張海根.機電傳動控制[M].北京：高等教育出版社，2001：159-163.

[3]金以慧.過程控制[M].北京：清華大學出版社，1998：103-106.

[4]張振，都基炎，葉純.小型無人機三軸飛行仿真轉臺設計[J].兵工自動化，2013(11)：73-76.

[5]李小松，馬利業(yè).懸掛運動控制系統(tǒng)[J].四川兵工學報，2010(7)：89-92.

[6]北京中寶倫自動化技術有限公司.GALIL應用編程指南[Z].北京:北京中寶倫自動化技術有限公司,2002.

[7]天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[Z].天津:天津電氣傳動設計研究所,2008:479-481.

[8]徐曉剛，高兆法，王秀娟.Visual C++入門與提高[M].北京：清華大學出版社，1999:102-105.

(責任編輯楊繼森)