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(1.西安遠(yuǎn)方航空技術(shù)發(fā)展有限公司，西安 710089; 2.中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

0 引言

航空母艦是一個國家綜合實(shí)力的體現(xiàn)，它的出現(xiàn)大大提高了各國海軍的綜合作戰(zhàn)能力。航空母艦主要的武器裝備是艦載戰(zhàn)斗機(jī)，它也使航母編隊(duì)的軍事作戰(zhàn)能力覆蓋到全球。通過航母上的攔阻系統(tǒng)進(jìn)行減速制動才能使艦載飛機(jī)在有限長度的甲板上安全著艦。性能良好的攔阻系統(tǒng)，是艦載機(jī)飛行員和甲板工作人員安全的重要保障。在攔阻系統(tǒng)的作用下，可以實(shí)現(xiàn)不同速度和質(zhì)量的艦載機(jī)等距離攔停，從而極大地提高了航母的綜合作戰(zhàn)能力。

艦載機(jī)著艦時將產(chǎn)生很大的沖擊載荷，風(fēng)險(xiǎn)極高。相應(yīng)于飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證艦載機(jī)攔阻系統(tǒng)特性的兩個重要方法是建立艦載機(jī)動力學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬和建立大型非標(biāo)試驗(yàn)臺。目前對于攔阻系統(tǒng)進(jìn)行性能分析和建模的研究比較多，而使用大型非標(biāo)試驗(yàn)臺得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及特性評估相對于仿真模擬的方法更真實(shí)精確，能夠有效減少實(shí)際地面測試的次數(shù)。因而為驗(yàn)證攔截索的工作特性，對艦載機(jī)攔阻系統(tǒng)建立大型非標(biāo)試驗(yàn)臺是非常有必要的。

傳統(tǒng)的這類非標(biāo)試驗(yàn)臺，基本上都采用大型電機(jī)作為動力源[1]，對鋼索進(jìn)行拖拽驗(yàn)證其工作特性。單純的利用電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動，可以有效的控制鋼索運(yùn)行的速度及加載力。

但是利用電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動，電機(jī)的功耗很大，并且難以達(dá)到預(yù)期的加載力及速度(受電機(jī)功率所限)。這種傳統(tǒng)的非標(biāo)試驗(yàn)臺難以對攔截索的性能做全面的檢測。本文提出了一種基于RT系統(tǒng)的高速液壓缸測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能夠解決直接驅(qū)動電機(jī)功耗大，系統(tǒng)啟動慢，攔截索加速慢等問題。并將其應(yīng)用于實(shí)際的艦載機(jī)攔阻系統(tǒng)大型非標(biāo)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)中，解決了傳統(tǒng)電機(jī)直接驅(qū)動存在的問題，取得了較好的控制測量效果，并為真實(shí)的飛行試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 液壓控制型試驗(yàn)臺

1.1 液壓控制型試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要對攔阻索施加0～900 kN連續(xù)可調(diào)的加載力，0～9 m/s連續(xù)可調(diào)的滑行速度為，100°～180°連續(xù)可調(diào)的包角值。

由加載的力值上限、角度變化、速度變化，加上安裝場地的限制等綜合因素考慮考慮，可以得到液壓缸的參數(shù)。選擇合適的液壓缸后，可根據(jù)一次試驗(yàn)的狀態(tài)機(jī)模型得到一次試驗(yàn)所需的最小流量要求。

根據(jù)最小流量要求乘以安全系數(shù)可得到泵站主泵的流量參數(shù)，從而得到電機(jī)參數(shù)以及主泵壓力參數(shù)。根據(jù)這一參數(shù)可選擇蓄能器耐壓力參數(shù)。根據(jù)不同液壓缸的壓力要求，可選擇合適的減壓閥，將泵出口壓力進(jìn)行減壓。根據(jù)位移、力、流量、壓力等參數(shù)，可選擇合適的傳感器。根據(jù)控制要求，可選擇控制系統(tǒng)形式及軟件實(shí)現(xiàn)形式。

以流量參數(shù)為例，在試驗(yàn)時，先將鋼絲繩按順序繞過每一個滑輪，將鋼絲繩連接好后，調(diào)節(jié)鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)，使鋼絲繩拉緊即可，隨后，按照試驗(yàn)要求，調(diào)整尾鉤位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，即調(diào)整鋼絲繩包角至試驗(yàn)要求位置，然后按照試驗(yàn)要求，設(shè)定鋼絲繩驅(qū)動機(jī)構(gòu)張緊力值，鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)則自動調(diào)節(jié)張力，待張力穩(wěn)定后，開啟鋼絲繩驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩與模擬尾鉤的摩擦，此過程中，鋼絲繩驅(qū)動機(jī)構(gòu)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，即實(shí)時監(jiān)控鋼絲繩張力，并將鋼絲繩張力保持在試驗(yàn)要求數(shù)值。待鋼絲繩運(yùn)動停止后，鋼絲繩驅(qū)動機(jī)構(gòu)將鋼絲繩牽引至原位置，即一次試驗(yàn)完成。驅(qū)動時驅(qū)動油缸所需油量為125 L，復(fù)位時所需油量為152 L，完成一次試驗(yàn)總共需要油量為277 L。包角調(diào)整缸鎖死后不調(diào)整，因此不需要補(bǔ)充油量。張緊油缸運(yùn)動距離按300 mm計(jì)算，有桿腔油量為13.565 L，無桿腔補(bǔ)充油量為21.195 L。因此完成一次試驗(yàn)，系統(tǒng)總共需要油量為301.8 L。

液壓系統(tǒng)流量為120 L/min, 補(bǔ)充系統(tǒng)油量所需時間為3分鐘，估算試驗(yàn)控制、計(jì)算等時間按照1分鐘計(jì)算，連續(xù)每次試驗(yàn)循環(huán)所需時間應(yīng)不大于4分鐘。

1.2 液壓控制型試驗(yàn)臺控制需求

將動力源更換為液壓系統(tǒng)是目前一種比較好的思路，工程設(shè)計(jì)時基本朝著這個方向進(jìn)行研究。本文描述的非標(biāo)試驗(yàn)臺采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，利用多個蓄能器瞬間釋放的動能來驅(qū)動液壓缸，并帶動攔截索運(yùn)動，從而模擬攔截索實(shí)際工作時的速度、加載力、角度。這樣做能達(dá)到攔截索需要的試驗(yàn)環(huán)境，但隨之而來的問題出現(xiàn)了，在大流量驅(qū)動下，液壓缸的速度控制問題出現(xiàn)了。

圖1 非標(biāo)試驗(yàn)臺臺體圖

如圖1所示，臺體上的尾鉤缸負(fù)責(zé)加載時角度的調(diào)整，張緊缸負(fù)責(zé)張緊力的調(diào)整0～900 kN，驅(qū)動缸負(fù)責(zé)速度控制0～9 m/s，系統(tǒng)的難點(diǎn)在于驅(qū)動缸的控制，由于受條件所限，驅(qū)動缸的行程只有4 m，要在4 m的行程內(nèi)，使得驅(qū)動缸速度升至9 m/s并安全停止。這種工況對測控系統(tǒng)提出了比較苛刻的要求。

1.3 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

針對上述設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了高速液壓缸測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該測控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)

上位機(jī)采用研華IPC610工控機(jī)，下位機(jī)采用泛華測控的PXI9108工控機(jī)，系統(tǒng)中的主泵、風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵采用西門子S7-1215系列PLC加人機(jī)屏進(jìn)行控制顯示，PLC與上位機(jī)之間通過OPC接口進(jìn)行通訊。

其中PXI9108安裝了RT實(shí)時操作系統(tǒng)，RT是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)，調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時任務(wù)，并控制所有實(shí)時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)。RT實(shí)時操作系統(tǒng)的周期為μs級。

基于以上原因在設(shè)計(jì)時采用了RT實(shí)時操作系統(tǒng)的PXI總線控制器，并沒有采用Windows系統(tǒng)，而PLC控制器為全語句循環(huán)模式，運(yùn)行時間長不適合在此處使用。

系統(tǒng)中力的測量，由于攔截索具有一定的彈性形變，在張緊缸將其張緊的過程中，攔截索兩端的力值不相等，待張緊缸停止后，兩端力值會慢慢靠近，這個過程會進(jìn)行往復(fù)調(diào)整，直到張緊到我們需要的力值。

位移測量時采用了滑阻式位移傳感器[2]，避免了拉線式位移傳感器在快速拉動中振顫導(dǎo)致的信號抖動，并能適應(yīng)驅(qū)動缸快速拉動的需要。

2 測控系統(tǒng)仿真

在實(shí)際搭建系統(tǒng)前對其進(jìn)行建模仿真是需要的。

2.1 模型的建立

伺服閥模型[3]如式(1)所示，采用一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行表示。

伺服閥：

(1)

伺服閥流量增益：KSV

伺服閥時間常數(shù)：TSV

液壓缸模型如式(2)所示，采用二階振蕩環(huán)節(jié)進(jìn)行表示。

液壓缸：

(2)

其中:

(3)

作用面積為AP；負(fù)載質(zhì)量M；空行程Vt；阻尼比εn。

2.2 模型計(jì)算

由于速度閉環(huán)控制是不穩(wěn)定的，故在前端加入積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)增穩(wěn)。

通過帶入實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)并計(jì)算，得到的結(jié)果在simulink進(jìn)行建模[4]，搭建的模型如圖3所示。

圖3 simulink中的模型

將該模型的輸入信號給定為0.8 s，9 V有效激勵，該激勵信號表示系統(tǒng)在這一時間段內(nèi)的極限控制期望，適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)，得到的速度曲線如圖4所示。

圖4 速度仿真結(jié)果

由圖4可以看出，速度仿真曲線的上升下降均較為平穩(wěn)，無明顯抖動，并具有平滑段，理論上說明驅(qū)動缸有一段勻速運(yùn)動段。從速度曲線的仿真結(jié)果上看，模型較為理想。

分析完在特定激勵下，驅(qū)動缸的速度運(yùn)行軌跡，對它在這一時間段的位移情況進(jìn)行研究也是必要的。通過位移曲線可以看出，該速度曲線的出現(xiàn)，是否是驅(qū)動缸在預(yù)先設(shè)計(jì)的行程內(nèi)完成的。對速度仿真結(jié)果進(jìn)行積分得到位移仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 位移仿真結(jié)果

圖5反應(yīng)的信息說明，在仿真結(jié)果中可以看出在這段時間內(nèi)，驅(qū)動缸移動了4 m的行程，在達(dá)到目標(biāo)速度時達(dá)到了目標(biāo)行程。在忽略機(jī)械碰撞的問題時，該模型是滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果來看，在液壓系統(tǒng)流量、壓力足夠，且在運(yùn)行過程中變化不大的工況下，現(xiàn)有的模型可以滿足使用的要求。同時，仿真結(jié)果中還潛藏著一個隱含的控制條件，理論上，在極限速度下，比例閥的接通時間不能超過0.8 s，即PID的調(diào)節(jié)時間也不能超過0.8 s，這是本系統(tǒng)的難點(diǎn)所在。

3 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

測控系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示，分為兩部分，一部分是泵站，即人機(jī)屏加PLC控制泵站的正常運(yùn)行。另一部分為測控部分。測控部分采用通過采集位移傳感器、力傳感器的值作為力閉環(huán)、速度閉環(huán)、位移閉環(huán)控制參數(shù)，通過控制電磁閥、電磁球閥、比例閥來完成對缸的閉環(huán)控制。

圖6 測控系統(tǒng)架構(gòu)

測控部分由上位機(jī)、下位機(jī)、位移傳感器、力傳感器、電磁閥、球閥、伺服閥組成，上下位機(jī)之間通過以太網(wǎng)連接[5]。上位機(jī)主要完成控制命令的下發(fā)以及信息的接收；下位機(jī)主要接收來自上位機(jī)的控制命令，并執(zhí)行該命令并完成閉環(huán)控制，同時采集系統(tǒng)當(dāng)前傳感器信息，并將當(dāng)前信息上傳。力傳感器在鋼索緊邊與松邊，各安裝一個，在運(yùn)行過程中實(shí)時監(jiān)測力值變化。張緊缸與尾鉤缸的位移傳感器均為1.5米，驅(qū)動缸位移傳感器為4米。

YVK1、YVK2回油球閥主要液壓系統(tǒng)的回油控制，同時為驅(qū)動缸空載伸出提供備壓。YVH3、YVH4電磁閥用于驅(qū)動缸空載伸出、縮回控制；比例閥YVP1用于驅(qū)動缸高速控制。YVH5電磁閥、YVP2比例閥用于尾鉤缸伸出、縮回控制。YVH6電磁閥、YVC1比例閥用于張緊缸伸出、縮回控制。YVH1電磁閥用于泵源出口壓力控制、YVH2用于旁路補(bǔ)油、YVH7用于張緊力釋放。

4 測控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 上位機(jī)軟件功能

上位機(jī)為XP系統(tǒng)，采用LABVIEW編程語言，套用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式進(jìn)行編寫。主要功能為工況狀態(tài)設(shè)置，下位機(jī)信息讀取顯示,PLC信息讀取顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)清除、試驗(yàn)次數(shù)記錄、試驗(yàn)參數(shù)記錄等功能。

4.2 PLC軟件

PLC控制軟件采用梯形圖編寫[6]，主要功能為控制風(fēng)機(jī)、主泵、循環(huán)泵的運(yùn)行及部分傳感器信號采集等。

4.3 下位機(jī)軟件

下位機(jī)為RT實(shí)時操作系統(tǒng)[7]，采用LABVIEW編程語言[8-10]，套用狀態(tài)機(jī)模式，使得系統(tǒng)的運(yùn)行步驟按照狀態(tài)機(jī)的邏輯進(jìn)行。驅(qū)動缸的速度控制依賴于下位機(jī)的控制。RT實(shí)時操作系統(tǒng)的周期為μs級，PID控制環(huán)節(jié)的運(yùn)行周期為ms級別[11]，這是液壓缸高速控制的有效保證。下位機(jī)流程圖如圖7所示。

圖7 下位機(jī)流程圖

尾鉤位置調(diào)整利用PID調(diào)節(jié)，以尾鉤位移傳感器為閉環(huán)參數(shù)，輸入角度為目標(biāo)值進(jìn)行控制。張緊力調(diào)整，以緊邊松邊力傳感器為閉環(huán)參數(shù)，以輸入張緊力值為目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)控制。驅(qū)動缸速度控制，以驅(qū)動缸位移傳感器為閉環(huán)參數(shù)，以輸入控制速度為目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)控制。

5 實(shí)際控制效果

5.1 準(zhǔn)備階段控制

首先啟動上下位機(jī)，啟動完成后，先運(yùn)行下位機(jī)軟件，隨后運(yùn)行上位機(jī)軟件。當(dāng)測控系統(tǒng)軟件啟動完成后，通過控制系統(tǒng)先將循環(huán)泵、主泵、風(fēng)機(jī)、告警的設(shè)備啟動。當(dāng)主泵啟動完成后，此時電機(jī)測控主界面左上角上位機(jī)啟動按鈕，此時下位機(jī)運(yùn)行指示燈亮起，泵源出口電磁閥YVH1打開，液壓系統(tǒng)壓力升高至設(shè)定值，此時系統(tǒng)完成前期準(zhǔn)備工作。

當(dāng)系統(tǒng)未調(diào)整到位時可進(jìn)行輔助動作操作，輔助動作包括：張緊力釋放、電磁球閥開啟、電磁球閥關(guān)閉、驅(qū)動缸空載伸出、驅(qū)動缸空載縮回、尾鉤缸空載伸出、尾鉤缸空載縮回、張緊缸空載伸出、張緊缸空載縮回。

5.2 低速情況下控制效果

低速情況下，驅(qū)動缸的速度位移曲線如圖8所示。

圖8 低速情況下驅(qū)動缸的速度位移曲線

可以看出在低速情況下，驅(qū)動缸的速度控制效果較為理想，超調(diào)不大，穩(wěn)態(tài)時間較長，能平穩(wěn)的停止運(yùn)行。

同時從圖上可以看出，在實(shí)際控制時，將驅(qū)動的行程縮短，給驅(qū)動缸留出了安全行程，避免不必要的機(jī)械碰撞，從而延長了驅(qū)動缸的使用壽命。

5.3 高速情況下的控制效果

高速情況下，驅(qū)動缸仍可以被有效的控制，能夠急速起動，并達(dá)到8 m/s的峰值速度，并可靠停止。由于受液壓系統(tǒng)、測控系統(tǒng)性能的影響，及驅(qū)動缸有效行程短等因素，在高速運(yùn)動時，只能檢測到幾個速度峰值。

要改善這一問題，行之有效的辦法是將驅(qū)動缸的行程加長，使得測控系統(tǒng)有更長的時間進(jìn)行控制，速度能得到更好的控制。另外還需要適當(dāng)增大蓄能器的流量，使得驅(qū)動缸能夠有更大的動能，使驅(qū)動缸的初始加速度變大，使測控系統(tǒng)有更大的調(diào)整空間。

6 結(jié)束語

本文闡述了一種改進(jìn)型的攔截索試驗(yàn)臺高速液壓缸設(shè)計(jì)方法，描述了該試驗(yàn)臺與傳統(tǒng)試驗(yàn)臺的區(qū)別。詳細(xì)描述了該試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，及設(shè)計(jì)中遇到的問題，以及問題的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，對模型進(jìn)行了仿真，在得到可靠的仿真結(jié)果后，進(jìn)行測控系統(tǒng)搭建。試驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動缸的控制效果較好，實(shí)際使用中為真實(shí)飛行試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)，充分說明了其實(shí)用性。