高 川，芮 偉，秦建華，王 飛，蔣婧妍

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

某跨超聲速風(fēng)洞全撓性壁噴管控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 川，芮 偉＊，秦建華，王 飛，蔣婧妍

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

為實(shí)現(xiàn)全電機(jī)直接驅(qū)動方式對某跨超聲速風(fēng)洞全撓性壁噴管型面的控制，針對其執(zhí)行機(jī)構(gòu)分布跨度大、運(yùn)動控制電機(jī)多、同步精度要求高且彎折應(yīng)力控制嚴(yán)等特點(diǎn)，采用西門子SIMOTION D＋S120運(yùn)動控制平臺，提出一種基于虛擬軸＋電子齒輪的同步控制策略，解決了全撓性噴管執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確定位與多軸比例同步的難題，同時(shí)設(shè)計(jì)多重安全聯(lián)鎖控制，避免了撓性板過載和損壞的問題。通過調(diào)試試驗(yàn)測試，各電動缸可根據(jù)比例同步要求在0～1mm／s速度范圍內(nèi)勻速運(yùn)行，跟蹤誤差≤±0.01mm／s，比例同步誤差≤±0.02mm／s，噴管喉道前型面誤差≤±0.2mm，喉道后誤差≤±0.06mm。結(jié)果表明：該系統(tǒng)功能完備，同步控制精度及重復(fù)性精度均滿足工程應(yīng)用要求，取得了實(shí)際應(yīng)用成果。

SIMOTION；風(fēng)洞；撓性壁噴管；多軸同步；運(yùn)動控制

0 引 言

跨超聲速風(fēng)洞作為高速先進(jìn)飛行器研究的重要地面設(shè)備，在軍用飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天氣動試驗(yàn)中起著不可替代的作用。噴管是保證風(fēng)洞試驗(yàn)段獲得設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下均勻氣流的重要部段，其型面質(zhì)量對風(fēng)洞流場品質(zhì)起著決定性的影響，是獲得可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本保障。早期超聲速風(fēng)洞噴管主要使用固塊型式，它具有氣流品質(zhì)好，流場重復(fù)精度高的特點(diǎn)，但因每個(gè)馬赫數(shù)均需一副對應(yīng)的噴管，風(fēng)洞造價(jià)高，運(yùn)行效率低。因此，現(xiàn)代建造的跨超聲速風(fēng)洞一般采用在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的撓性壁噴管，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動改變噴管型線來適應(yīng)不同的出口馬赫數(shù)［1－4］。

目前，世界各國跨超聲速風(fēng)洞撓性噴管所采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般分為液壓、液壓＋電機(jī)和電機(jī)3種型式。其中，液壓伺服方式通常用于連續(xù)式風(fēng)洞，可在風(fēng)洞運(yùn)行中連續(xù)改變馬赫數(shù)，如1960年建成的日本NAL 2m跨聲速風(fēng)洞撓性壁噴管；分別于1984年和2010年建成的中國空氣動力研究與發(fā)展中心（CARDC）1.2m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞和2m超聲速風(fēng)洞均采用液壓＋電機(jī)組合方式，即電機(jī)驅(qū)動機(jī)械螺母定位、液壓成型并鎖緊撓性板型面［5］。CARDC于2014年新建的某暫沖式跨超聲速風(fēng)洞（以下簡稱風(fēng)洞）同為二維多支點(diǎn)全撓性壁設(shè)計(jì)，為避免傳統(tǒng)液壓、液壓＋電機(jī)組合控制方式所帶來的操作時(shí)間長、同步性差、日常維護(hù)量大及環(huán)境因素限制等影響［6］，在滿足輸出力矩要求的情況下，采用電動缸＋電動推桿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)噴管型面控制。

針對風(fēng)洞全撓性壁噴管控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)分布跨度大、運(yùn)動控制電機(jī)多、同步精度要求高且彎折應(yīng)力控制嚴(yán)的特點(diǎn)，以電動缸與電動推桿為控制對象，基于西門子SIMOTION D＋S120運(yùn)動控制平臺開展運(yùn)動軸精確定位和同步控制策略研究，提出一種虛擬軸＋電子齒輪的同步控制方案，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)作用點(diǎn)的精確定位與同步運(yùn)行，通過型面調(diào)節(jié)重復(fù)性精度與同步性能測試，相關(guān)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，國內(nèi)首套全電機(jī)直接驅(qū)動全撓性壁噴管控制系統(tǒng)研制取得成功。

1 風(fēng)洞全撓性壁噴管結(jié)構(gòu)組成

風(fēng)洞全撓性壁噴管上壁板機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中撓性板由伺服電機(jī)驅(qū)動的14組電動缸和3組電動推桿控制，它們之間采用擺動式鉸鏈和單點(diǎn)鉸鏈連接，所有電動缸均通過各自的懸掛梁支撐在橫梁上，撓性板彎曲時(shí)，電動缸的懸掛梁軸頸可在位于橫梁處的支座內(nèi)轉(zhuǎn)動以適應(yīng)撓性板型面斜率的變化。

圖1 某跨超聲速風(fēng)洞全撓性噴管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the full flexible nozzle in the trans－supersonic wind tunnel

2 噴管型面控制方法

2.1 型面控制系統(tǒng)組成

上、下?lián)闲园逍兔婵刂葡到y(tǒng)完全鏡像，單邊撓性板型面控制系統(tǒng)硬件部分如圖2所示。系統(tǒng)的運(yùn)動控制器由西門子SIMOTION D445－2及擴(kuò)展模塊組成。工控機(jī)和觸摸屏通過以太網(wǎng)分別和主運(yùn)動控制器通訊，并發(fā)送操作指令和接收反饋信號。由于運(yùn)動軸數(shù)量較多，需通過PROFINET（PN）總線實(shí)現(xiàn)與CU320驅(qū)動控制單元的擴(kuò)展。各控制單元將接收到的控制信號通過DRIVE－CLiQ高速接口傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)模塊來驅(qū)動伺服電機(jī)，并實(shí)時(shí)將伺服電機(jī)自身位置（通過導(dǎo)程、傳動比換算）、速度、力矩等信息反饋至驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制［11，13］。

為了能夠?qū)Ω鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的同步控制，使用外置直線位移傳感器對所有電動缸進(jìn)行位移量的直接測量，位移量通過編碼器反饋接口傳輸給SIMOTION D運(yùn)動控制器來計(jì)算位移偏差。為防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同步運(yùn)行造成撓性板的損壞，在其彎曲應(yīng)力較為集中的噴管型面喉道附近的3＃～7＃執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在位置設(shè)置10片應(yīng)變片作為應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，采集的應(yīng)變信號經(jīng)調(diào)理單元處理后，通過PROFIBUS DP擴(kuò)展的ET 200M模塊發(fā)送至SIMOTION D運(yùn)動控制器，進(jìn)行安全聯(lián)鎖處理。

2.2 多電動缸同步控制實(shí)現(xiàn)方法

風(fēng)洞撓性噴管在成型過程中，所有控制電動缸運(yùn)動的伺服電機(jī)需要同步運(yùn)行，否則當(dāng)任意相鄰電動缸或電動推桿運(yùn)動不協(xié)調(diào)時(shí)，輕則影響成型精度，重則損壞連接部件，甚至是撓性壁板。針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以伺服電機(jī)對各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步精準(zhǔn)控制為目標(biāo)，基于西門子SIMOTION D運(yùn)動控制平臺，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)傳輸，采用虛擬軸同步控制方法，對風(fēng)洞撓性噴管進(jìn)行了多軸同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在保證型面控制精度的同時(shí)，也克服了復(fù)雜分布力和集中力作用對系統(tǒng)同步性能的干擾［11］。

圖2 型面控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of the contour control hardware system

2.2.1 精確定位控制

為提高單軸的定位精度，確保型面誤差符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，采用了2種途徑。

途徑1：建立冗余位置工藝軸。采用直線位移傳感器作為負(fù)載側(cè)的反饋，實(shí)現(xiàn)電動缸位置與伺服電機(jī)編碼器數(shù)值的實(shí)時(shí)比對和反饋調(diào)節(jié)，有效克服了機(jī)械傳動間隙帶來的定位誤差；

途徑2：優(yōu)化控制參數(shù)。電動機(jī)控制模型的準(zhǔn)確度直接影響其控制性能，通過建立電機(jī)、負(fù)載和連接二者的等效傳動部件所組成的二質(zhì)量系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)從驅(qū)動電壓到負(fù)載段輸出轉(zhuǎn)矩的傳遞函數(shù)（如式1所示）。以此為基礎(chǔ)，利用SINAMICS S120驅(qū)動器在SERVO模式下提供的自動控制器設(shè)置（Automatic Controller Setting）優(yōu)化工具對電流環(huán)、速度環(huán)等參數(shù)進(jìn)行自動設(shè)置［12］。

式中

TmL為負(fù)載端輸出轉(zhuǎn)矩、Ua為驅(qū)動電壓、Jmi為電機(jī)電樞和轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量（i＝1～17，下同）、JLi為負(fù)載等效到絲杠的轉(zhuǎn)動慣量、bm為電機(jī)軸的粘性阻尼系數(shù)、KL為電機(jī)軸和同步傳動帶等效剛度、bL為絲杠的粘性阻尼系數(shù)、KI為電機(jī)電流反饋系數(shù)、Ra為電樞電阻、La為電樞電感、Ce為電機(jī)反電動勢系數(shù)、Kt為電機(jī)力矩系數(shù)。

2.2.2 同步控制策略

隨著機(jī)器運(yùn)動越來越復(fù)雜，運(yùn)動軸數(shù)逐漸增多，且多個(gè)運(yùn)動軸之間存在線性或非線性配合要求（如加工中心、多軸機(jī)床等），多運(yùn)動軸同步（協(xié)調(diào)）成為行業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)研究問題之一。同步控制模式一般分為：同等式、主從式和交叉耦合式。

基于對多種同步控制模型的對比分析，綜合考慮所選運(yùn)動控制平臺特點(diǎn)，采用虛擬軸同步控制方法，原理如圖3所示。

通過定義一個(gè)勻速運(yùn)動的虛軸為主軸（Virtual Axis），將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)的伺服電機(jī)定義為從軸（Electrical Axis），從軸和主軸耦合，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的齒輪比（Gear Ratio）跟隨主軸運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步運(yùn)動控制。同時(shí)，采用該方式可以消除部分由編碼器和傳感器受測量周期和環(huán)境因素影響所帶來擾動誤差，得到更好的同步效果［13］。

圖3 電子齒輪同步Fig.3 Gearing synchronization

2.2.3 安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

針對工藝軸數(shù)量多、同步要求高、柔板制造加工費(fèi)用昂貴的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了較為完善的安全聯(lián)鎖保護(hù)措施。當(dāng)出現(xiàn)以下任意情形時(shí)，中止機(jī)構(gòu)運(yùn)行、去除電機(jī)使能并抱閘鎖緊，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理任務(wù)：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)間位置差值超限；（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程超限；（3）應(yīng)變反饋值超限；（4）現(xiàn)場控制柜急停按鈕觸發(fā)；（5）控制器電源、傳感器電源等故障；（6）伺服驅(qū)動器故障、傳感器、應(yīng)變測量系統(tǒng)故障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動缸的控制動作全部由SIMOTION D445－2完成，控制程序采用SCOUT軟件開發(fā)平臺，使用ST語言進(jìn)行程序編寫。

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中啟動任務(wù)（Startup Task）主要完成變量初始化和工藝對象復(fù)位；背景任務(wù)（Background Task）用于非固定周期循環(huán)程序如應(yīng)變信號處理、安全聯(lián)鎖控制、位置監(jiān)測等模塊的執(zhí)行；中斷任務(wù)（Interrupt Task）用于針對不同的報(bào)警／錯(cuò)誤信息做出相應(yīng)的處理措施，并將相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志送至顯示模塊；運(yùn)動任務(wù)（Motion Task）包括伺服電機(jī)驅(qū)動器使能控制、電動缸和電動推桿單動、多軸聯(lián)動控制程序，可以實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反向單獨(dú)運(yùn)動操作以及比例同步運(yùn)動操作。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the software system

4 調(diào)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)型面調(diào)試實(shí)驗(yàn)與測試方案：以馬赫數(shù)A型面為初始位置，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴管型面至馬赫數(shù)B型面位置；采用激光跟蹤儀對成型后的撓性板內(nèi)表面距撓性板中心線－250、0、250mm的3條平行線進(jìn)行測量，獲取該馬赫數(shù)對應(yīng)型面并與調(diào)試期間所測多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到重復(fù)性精度測試結(jié)果；記錄所有使能運(yùn)動軸輸出速度、力矩及相關(guān)應(yīng)變等的變化曲線，分析虛擬軸方法對多軸系統(tǒng)的控制效果。

4.1 重復(fù)性精度測試

通過激光跟蹤儀測量的馬赫數(shù)B型面的下?lián)闲园?條特征曲線如圖5所示。擬合曲面與理論計(jì)算基本吻合，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)和風(fēng)洞試驗(yàn)要求。

圖5 馬赫數(shù)B型面下?lián)闲园逄卣髑€Fig.5 The floor characteristic curve of Ma B

圖6 下?lián)闲园逯行木€誤差Fig.6 Contour error of the floor plant

以該馬赫數(shù)型面下?lián)闲园逯行木€數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明，其測點(diǎn)誤差均值與標(biāo)準(zhǔn)差見表1。如圖6所示，誤差值均以測點(diǎn)所在截面中心線上的點(diǎn)坐標(biāo)絕對值減去該測點(diǎn)處的理論坐標(biāo)絕對值得出。即誤差值為正時(shí)，實(shí)際型面比理論型面更遠(yuǎn)離噴管軸線，誤差值為負(fù)時(shí)，實(shí)際型面比理論型面更靠近噴管軸線。

由圖可知，噴管喉道前各測點(diǎn)（測點(diǎn)編號：1?！?＃）誤差基本可保證在0.2mm以內(nèi)，喉道后各測點(diǎn)（測點(diǎn)編號：10?！?7＃）誤差均在0.06mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1 Ma＝B下?lián)闲园逯行木€測試數(shù)據(jù)Table 1 Centre line test data of Ma＝B floor plant

4.2 同步性能測試

馬赫數(shù)A至馬赫數(shù)B型面調(diào)節(jié)對應(yīng)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)目標(biāo)位移差值si如表2所示，令虛擬軸以0.8mm／s勻速運(yùn)行，所有伺服電機(jī)為從軸，按照設(shè)定的比例系數(shù)（μi＝si／（sk＋2），sk為最長位移軸的目標(biāo)位移差值，同時(shí)增加2mm安全裕量）跟隨主軸運(yùn)行。

表2 電動缸目標(biāo)位移差值Table 2 D－value of electric cylinders

通過系統(tǒng)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以1?！?3＃執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例（14?！?7＃執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移變化量較小），分析計(jì)算可得實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動軸相關(guān)參數(shù)，如表3所示。

實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動軸輸出速度vi符合設(shè)定比例關(guān)系且在0～1mm／s范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，具有較高的定位準(zhǔn)確性。如圖7所示，在撓性板彎折應(yīng)力持續(xù)增大的情況下，各電動缸仍能穩(wěn)定地保持比例同步，運(yùn)動軸最大跟蹤誤差e6為4.07×10－4mm／s，運(yùn)動軸間的最大比例同步誤差δ13為1.71×10－3mm／s，均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的控制性能。說明了虛擬軸同步控制方法很好地實(shí)現(xiàn)了該多軸系統(tǒng)的運(yùn)動同步，保證了噴管撓性板成型精度及安全。

表3 電動缸輸出參數(shù)表Table 3 Output parameters of electric cylinders

圖7 撓性板彎折應(yīng)力示例Fig.7 Bending stress of the floor plant

4.3 安全聯(lián)鎖功能測試

針對系統(tǒng)安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)方案，在上位機(jī)控制界面設(shè)置電機(jī)故障，實(shí)軸、過矩、超差、應(yīng)力上／下限，上／下柔壁急停，系統(tǒng)故障等報(bào)警顯示（見圖8）。故障模擬測試表明，系統(tǒng)能對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的諸情況做出相應(yīng)處理，報(bào)警指示、電機(jī)抱閘等功能完善，可滿足風(fēng)洞試驗(yàn)需求。

5 結(jié)束語

本文針對采用全電機(jī)直接驅(qū)動方式的某跨超聲速風(fēng)洞全撓性噴管，設(shè)計(jì)了型面控制系統(tǒng)。硬件部分采用西門子SIMOTION D運(yùn)動控制器作為主控制單元，其強(qiáng)大的開發(fā)系統(tǒng)及自身集成運(yùn)動控制、PLC和工藝功能的優(yōu)良性能，使得系統(tǒng)開發(fā)周期大大縮短，可靠性也得到提升。軟件部分基于SCOUT采用模塊化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)便于擴(kuò)展和調(diào)試。同時(shí)，首次將虛擬軸方法應(yīng)用于風(fēng)洞撓性壁噴管控制中，設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全聯(lián)鎖方案，成功解決了系統(tǒng)多軸同步控制應(yīng)用的關(guān)鍵問題，型面調(diào)節(jié)和重復(fù)性精度測試驗(yàn)證了其正確性和有效性，為多電動缸／電動推桿的比例同步控制提供了一種有效方法。通過對該系統(tǒng)使用情況的長時(shí)間跟蹤觀察，證明該控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。

圖8 上位機(jī)控制界面示例Fig.8 Control system interface

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Design and realization of full flexible nozzle control system of the trans－supersonic wind tunnel

Gao Chuan，Rui Wei＊，Qin Jianhua，Wang Fei，Jiang Jingyan
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Flexible nozzle has to be designed long enough in order to ensure the elasticity of the nozzle wall material.The characteristics of long－span，large amount，complex structure of the actuators bring enormous challenge to the design of the flexible nozzle contour control system.It is not only needed to control the positon of each actuator precisely，but also to control motion axes for synchronization.The effect of synchronization control has a direct impact on the flexible plant forming quality and the wind tunnel flow quality.To solve the accurate positioning，multiaxis proportion synchronous control problems and to ensure safety of the full flexible nozzle in the new trans－supersonic wind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center，key technologies are researched.A virtual axis with the gearing synchronization strategy is proposed the redundant position technology axis is established and the control parameters is optimized based on SIMENS SIMOTION D and S120 motion control platform.The test results of actuators’displacement and servo motors’speed are analyzed based on the experiment of the multi－axis proportion synchronization motion system.The results show that the control system possesses complete functionality，that all the actuators can move uniformly in the range of 0～1mm／s，the tracking error is less than or equal to±0.01mm／s，the proportion synchronization error is less than or equal to±0.02mm／s，and the contour error before and after the nozzle throat point is less than or equal to±0.2mm and±0.06mm.The synchronization control precision and repeatability accuracy can meet the engineering application request and achieve good effect.

SIMOTION；wind tunnel；flexible nozzle；multi－axis synchronization；motion control

TP273

A

（編輯：張巧蕓）

1672－9897（2016）06－0098－07

10.11729／syltlx20160071

2016－04－26；

2016－09－27

＊通信作者E－mail：rw827130＠sohu.com

Gao C，Rui W，Qin J H，et al.Design and realization of full flexible nozzle control system of the trans－supersonic wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：98－104.高 川，芮 偉，秦建華，等.某跨超聲速風(fēng)洞全撓性壁噴管控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（6）：98－104.

高 川（1987－），男，貴州赤水人，工程師。研究方向：風(fēng)洞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制理論與控制工程。通信地址：四川省綿陽市北川101信箱24分箱（622762）。E－mail：gaochuan＠buaa.edu.cn