張 靜，劉 潔，侯京鋒，韓 澈，張夢妍

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

基于MOOG/SDK的多通道靜力加載控制系統(tǒng)設計

張 靜，劉 潔，侯京鋒，韓 澈，張夢妍

(北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

針對目前國外靜力加載控制軟件價格昂貴且不能二次開發(fā)的問題，設計了多通道靜力加載控制軟件，該軟件基于MOOG硬件平臺，以LabVIEW軟件為開發(fā)語言研制，詳細闡述了基于SDK接口函數(shù)的主要功能的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方式，如硬件連接、信號標定、安全保護、試驗加載和自動尋位等功能；結(jié)果表明，控制軟件滿足靜力加載試驗的功能需求，能夠提高靜力加載試驗水平，為其他相關(guān)軟件開發(fā)提供參考。

靜力加載;多通道;控制軟件;SDK;LabVIEW

0 引言

靜力加載，是用試驗的方法觀察和研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在靜載荷作用下的強度、剛度、穩(wěn)定性以及應力和變形分布情況，它不僅是驗證結(jié)構(gòu)形式的合理性和結(jié)構(gòu)靜力分析正確性的重要手段，也為建立新的分析模型和工程理論提供結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，對改進結(jié)構(gòu)設計減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量與提高產(chǎn)品可靠性等方面均起著重大作用。在國防軍事和航空、航天等許多領(lǐng)域中都有廣泛的應用[1-2]。

隨著科學實踐的深入和航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，新材料、新設備不斷的研制和開發(fā)出來，人們希望靜力加載試驗能夠滿足高精度、高響應、大負荷和多功能的要求，靜力加載試驗的復雜度也日益提高，因此對靜力加載試驗軟件提出更多挑戰(zhàn)[3-5]，現(xiàn)有的靜力加載軟件多為國外研制開發(fā)，價格昂貴且在特殊需求方面不可能為國內(nèi)研究開發(fā)新的功能，使得新的試驗開展受到限制。

穆格(MOOG)公司的STX控制器，是目前市場上控制特性擴充最好的獨立控制器，其提供的SDK(Software Development Kit)軟件開發(fā)工具包，具有獨特的帶“阻尼”功能控制算法實現(xiàn)閉環(huán)控制，具有極好的穩(wěn)定性，還具有一系列的安全保護模塊及安全策略，能最大程度保護試驗安全[6-7]，并且提供功能完備的程序開發(fā)工具包，為用戶開發(fā)需要的靜力加載軟件和進一步擴充以實現(xiàn)各種期望的功能提供可能性。

本文針對多通道靜力加載試驗的實際需求，結(jié)合MOOG/STX硬件及其SDK，開發(fā)了多通道靜力協(xié)調(diào)加載控制軟件系統(tǒng)，用以滿足靜力加載試驗的需求，提高靜力加載試驗水平，同時方便進行系統(tǒng)升級，滿足特殊試驗的需求。

1 控制系統(tǒng)組成

多通道靜力協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，由上位機及下位機組成，下位機由MOOG實時控制器(可實現(xiàn)2500 Hz閉環(huán)控制)和非實時(VXWorks計算機，完成加載譜協(xié)調(diào))兩個部分組成。MOOG STX實時控制器，主要由控制器SMC，其內(nèi)插通道閉環(huán)伺服控制卡SCU，該伺服控制卡整合力、位移信號調(diào)理、采集和電流輸出模塊，能夠完成力和位移的控制及平滑切換，下位機還包括液壓子站控制接口板和數(shù)字I/O板卡等。上位機的是應用設計的頂層模塊，包括實現(xiàn)多通道靜力協(xié)調(diào)加載用戶需要的的全部功能，通過以太網(wǎng)與控制器連接，在LabVIEW軟件平臺下設計開發(fā)，通過Software Development Kit軟件開發(fā)工具包(簡稱SDK)實現(xiàn)對控制器相應功能的調(diào)用，上位機LabVIEW語言調(diào)用SDK函數(shù)實現(xiàn)對控制器及整個靜力試驗流程及安全保護策略的控制，如圖1所示。

圖1 靜力加載控制器組成

2 軟件主要功能及流程圖

軟件主體功能包括：系統(tǒng)設置、試驗管理、加載譜設置、工況配置、執(zhí)行控制以及數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。在軟件主界面點擊按鈕進入對應模塊進行配置。其中在工況配置模塊下包含通道配置、加載譜選擇和顯示曲線配置等功能。軟件總體結(jié)構(gòu)和流程圖如圖2和3所示。

圖2 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

圖3 軟件流程圖 圖4 控制器硬件資源的樹形顯示

3 基于MOOG/SDK的多通道靜力加載系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

多通道靜力加載軟件的功能復雜，通過SDK實現(xiàn)的功能主要有：1)能夠自動識別系統(tǒng)中的所有硬件，方便系統(tǒng)硬件擴展，滿足更多通道聯(lián)合靜力協(xié)調(diào)加載的需求；2)位移和力信號的標定功能；3)試驗安全保護策略設置；4)試驗聯(lián)合加載、暫停、停止等；5)自動尋位功能等。

3.1 硬件資源自動獲取及實現(xiàn)

控制器軟件具有自動識別所有連接在系統(tǒng)中硬件的功能，方便系統(tǒng)硬件擴展，滿足更多通道聯(lián)合靜力協(xié)調(diào)加載的需求。采用SDK的API函數(shù)S_GetStations配合多次級聯(lián)調(diào)用S_GetNodeChildren[8-9]的方式實現(xiàn)硬件資源的，將其添加到樹形控件顯示，顯示級別可按照用戶需求進行設計編寫。硬件信息樹形顯示如圖4所示。

3.2 采集信號的標定

靜力加載控制器軟件，具有對控制器硬件板卡的模擬輸入通道進行遠程標定和修正的功能，并能保存標定所設置的參數(shù)，如標定完成后不做修改，可保持不變并自動加載調(diào)用上一次設置的參數(shù)。以力和位移信號為例，標定設置界面如圖5所示。

圖5 力傳感器和位移傳感器標定界面

以力傳感器標定為例，圖6為力傳感器標定原理框圖[10]，由圖可以看出，力傳感器信號進入控制器后經(jīng)過硬件級和軟件級兩層標定。與SCU連接的力傳感器，是一個連接有激勵電壓的惠斯通電橋，它能夠輸出以mV為單位的反饋信號。這個信號的強弱與激勵電壓有關(guān)，而硬件系統(tǒng)自帶激勵補償機制，保證激勵電壓為10 V。為了使ADC獲得最佳的分辨率，這個mV信號需要通過硬件增益來放大，以便信號在滿量程時能達到±10 V。該硬件增益通過用戶設定，經(jīng)過初步放大之后，信號被送到ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于放大器和ADC之間有微小的誤差，系統(tǒng)通過對數(shù)字輸出信號進行修正以獲得一個更精準的信號，并將標定參數(shù)Hardware calibration gain 和Hardware calibration offset存儲在SCU Flash中。反饋信號隨后通過軟件標定進行修正，該標定參數(shù)Transducer calibration gain 和Transducer calibration offset是通過表格的形式進行設置的，以修正傳感器的非線性度。

圖6 力和位移傳感器標定原理框圖

結(jié)合圖4，用戶需要根據(jù)傳感器的靈敏度，選擇合適的硬件增益檔，保證A/D轉(zhuǎn)換器不要飽和，以免信號截斷。輸入傳感器標定證書上的標定結(jié)果，即相應的靈敏度下對應的工程值。根據(jù)上述標定原理自動計算出Transducer calibration gain 和Transducer calibration offset值并發(fā)送至控制器，同時將通道范圍也發(fā)送至控制器實現(xiàn)物理量到工程值的轉(zhuǎn)化。標定參數(shù)通過SDK SetPropertyValueList[8-9]函數(shù)發(fā)送至控制器，實現(xiàn)標定過程。SetPropertyValueList參數(shù)如圖7所示。

圖7 力傳感器標定參數(shù)

3.3 試驗安全保護策略設置及實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的安全保護權(quán)限分為三層，報警級、腳本級和液壓級(緊急停止試驗級)。

報警級，如果反饋信號超過了這一層極限值，就會激活一個報警窗口，提示操作員，但是試驗還會繼續(xù)運行。

腳本級，如果反饋信號超過了這一層設置極限值，就會激活系統(tǒng)運行一個名稱為“FCS_controller_script”的腳本程序。默認的程序動作是在不關(guān)閉系統(tǒng)壓力的條件下，把載荷降到初始狀態(tài)“goto_rest_condition”。當然，這個腳本程序是用戶根據(jù)自己的實際需要編寫的，但要符合ruby語法規(guī)則。

液壓級(緊急停止試驗級)，如果反饋信號超過了這一層極限設置值，SCU控制器的安全限的SCU_on_request信號就會置低，系統(tǒng)會在最短的時間內(nèi)卸除液壓系統(tǒng)的壓力，SCU也會變?yōu)镺FF狀態(tài)。

控制軟件的三級安全設置如圖8所示。

報警級和腳本級保護的實現(xiàn)，需要通過SDK函數(shù)SetPropertyValue[8-9]實現(xiàn)，設置inPropertyName 為Script alarm action屬性，其中0=無動作(默認)；1=顯示報警；2=移動到park；3=移動到ride；4=執(zhí)行路徑指示的腳本，報警級設置其inValue屬性值為1，腳本級設置其inValue屬性值為4[4]，對于報警級而言，如此設置即可實現(xiàn)；但對于腳本級，還需要用戶編寫符合語法和功能要求的腳本程序，驗證可以執(zhí)行后，命名為FCS_controller_script.scr，當應用程序初始化與連接建立之后，通過FtpLogin[8-9]函數(shù)登錄到控制器，屬性inUsername為fcs，inPassword為fcsworks，然后通過FtpPutBinaryFile[8-9]將腳本程序下發(fā)到控制器指定調(diào)用的位置。液壓級保護可通過當設置的值觸發(fā)后，自動執(zhí)行failsafe命令，卸除液壓系統(tǒng)的壓力實現(xiàn)。

3.4 試驗聯(lián)合加載、暫停和停止功能實現(xiàn)

圖8 控制器安全參數(shù)設置

多通道靜力協(xié)調(diào)加載，是為滿足大型靜力試驗而設計。首先需要通過上位機編寫符合控制器接口形式的多通道加載譜，其次要通過SDK下發(fā)至控制器，才能完成試驗操作人員要求的加載譜。試驗過程中，可根據(jù)控制效果隨時調(diào)整PID控制參數(shù)。

實現(xiàn)過程如下，首先通過LocalFilenameToUri[8-9]將上位機的路徑轉(zhuǎn)化為LoadSequence[8-9]函數(shù)可以正確加載的路徑格式，另外STX控制器默認加載的譜為相對譜，而靜力加載一般為絕對值，所以要做相應的譜處理，將相對譜轉(zhuǎn)換成絕對譜，通過PlaySequence[8-9]運行加載譜，StopSequence[8-9]可停止加載譜的運行，再使用goto Restconditon函數(shù)實現(xiàn)停止到restcondition值，實現(xiàn)停止功能。

試驗中，如果需要暫停加載，則需要停止在點擊時刻的加載譜值上不動，或者在進行單步調(diào)節(jié)時停止在當前值不動，為實現(xiàn)該功能，首先將Simulation application.Sequence fading enabled 設置為false，采用StopSequence函數(shù)可實現(xiàn)暫停功能。

圖9 多通道加載控制界面

3.5 自動尋位功能實現(xiàn)

在靜力加載試驗中，頂壓式試驗是其中重要的一種，頂壓式試驗的自動尋位流程如圖10所示。在試驗準備階段，先將控制方式設置為位控方式，保證運行在并且設置相應的安全保護限，以免對試件發(fā)生意外損害。設置位控切換力控的轉(zhuǎn)換條件，一般設置反饋力信號達到一定值(該值一般設置為比較小的值，液壓桿剛接觸試驗件)時，位置控制切換到力控。如果沒有自動尋位功能，操作人員需要設置多次位控單步調(diào)節(jié)的指令，緩慢接近，直到力反饋信號滿足一定的條件，進行手動切換，操作起來效率不高。

圖10 頂壓式試驗自動尋位流程

該功能通過巧妙地通過運用Breakout Force實現(xiàn)，Breakout Force功能是當控制系統(tǒng)運行在位置控制方式下，通過設置合適的正負Breakout Force值，在力反饋達到該值后可自動實現(xiàn)位控到力控的切換。該判斷過程是以閉環(huán)控制速度進行的，所以一旦觸發(fā)，轉(zhuǎn)換速度很快，完全可以保證轉(zhuǎn)換精度。

4 結(jié)束語

本文以MOOG的STX控制器為硬件平臺，通過LabVIEW軟件調(diào)用SDK 的API函數(shù)，提供了多通道靜力協(xié)調(diào)加載控制軟件的設計方案并給出了主要功能的關(guān)鍵技術(shù)的詳細實現(xiàn)方式，軟件滿足多通道靜力協(xié)調(diào)加載控制軟件的使用要求，這為使用MOOG的控制器硬件和SDK函數(shù)開發(fā)類似控制系統(tǒng)提供了有益的參考。

[1] 魏生道.結(jié)構(gòu)靜力試驗技術(shù)[M].北京：宇航出版社,1991.

[2] 江禮鵬.用于結(jié)構(gòu)靜力試驗的電液伺服加載系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].南京：南京理工大學.2012.

[3] 董 天,張再林,胡新玲等.MOOG控制器的應用與多通道軟件的設計[J].工程與試驗,2013,53(1):57-60.

[4] 王大鵬,田石柱.混合編程控制的多自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法[J].工程抗震與加固造,2013,35(1):120-126.

[5] 田石柱,趙 桐,趙雪峰.位移保護下力-控制擬動力試驗方法的原理[J].地震工程與工程振動，2002，22( 3) :37-41.

[6] Test controlller and portable test controller digital servo controller user manual[Z]. Moog.Inc,2014.

[7] PTCNodetreeManual[Z].Moog.Inc,2014.

[8] Test Controller SDK Programmers Manual v2.2[Z]. Moog.Inc,2014.

[9] Test Controller SDK Reference Manual 2.12[Z].Moog.Inc, 2014.[10] Test Controller Unit User Manual[Z]. Moog.Inc,2014.

DesignandRealizationofMulti-channelStaticLoadingControlSoftwareBasedonMOOG/SDK

ZhangJing，LiuJie，HouJingfeng，HanChe，ZhangMengyan

(BeijingInstituteofStructureandEnvironmentEngineering,Beijing100076,China)

A multi-channel static loading control system software is designed based on Moog hardware in order to deal with the issue that the software abroad is expensive and can not be-redeveloped, using LabVIEW programming language. The key technology of the main feature based on SDK interface function was introduced in detail, i.e hardware connect, signal calibration, safe protect, test load and position control under break force. The results show that the control software satisfies the functional requirements of the static loading test, which can improve the test level and provide reference for other related software development.

static loading;multi-channel;control software;SDK;LabVIEW

2016-10-25；

2016-12-01。

張 靜(1984-)，女，遼寧朝陽人，碩士，工程師，主要從事測控技術(shù)與系統(tǒng)集成方向的研究。

1671-4598(2017)04-0047-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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