吝繼鋒，陳 戈，馮建民

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

目前，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞試驗(yàn)的加載方式為多通道協(xié)調(diào)加載[1]，如圖1所示，若試驗(yàn)加載過程中出現(xiàn)超差、超限以及一些故障導(dǎo)致試驗(yàn)保護(hù)，液壓系統(tǒng)應(yīng)急卸載，各加載點(diǎn)作動(dòng)筒卸壓。在這種卸壓狀態(tài)下，由于各作動(dòng)筒的卸載過程不可主動(dòng)控制，導(dǎo)致各作動(dòng)筒卸載速率(活塞桿伸出/收回速率)差異較大，尤其在大變形結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)中，應(yīng)急卸載時(shí)各加載點(diǎn)不能快速協(xié)調(diào)卸載，作動(dòng)筒卸載較慢的加載點(diǎn)可能會(huì)承受很大的載荷，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部過載情況，增加了應(yīng)急卸載過程結(jié)構(gòu)發(fā)生二次破壞的風(fēng)險(xiǎn)。所以，對(duì)于大變形結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)可控應(yīng)急卸載技術(shù)的研究是急需解決的技術(shù)難點(diǎn)。

圖1 多通道協(xié)調(diào)加載示意圖

目前，MTS公司的主動(dòng)式卸載保護(hù)產(chǎn)品和被動(dòng)式卸載保護(hù)產(chǎn)品可以解決應(yīng)急卸載時(shí)的協(xié)調(diào)問題。其中，被動(dòng)式卸載產(chǎn)品是應(yīng)用最廣泛的液壓卸載保護(hù)產(chǎn)品。在過去的30年里，美國(guó)、歐洲、俄羅斯、中國(guó)、日本的航空結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室都能看到此類產(chǎn)品的身影[2]。利用被動(dòng)式保護(hù)產(chǎn)品，當(dāng)應(yīng)急卸載時(shí)可以控制作動(dòng)筒以一定的速度完成卸載工作，不過卸載的速度完全依賴于保護(hù)模塊調(diào)節(jié)閥本身的物理特性以及用戶的調(diào)節(jié)技巧。全機(jī)靜力/疲勞試驗(yàn)少則幾十多則上百個(gè)加載點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)的載荷大小和加載方式都不相同，而且目前使用的作動(dòng)筒廠家、型號(hào)不同，要將所有加載點(diǎn)作動(dòng)筒手動(dòng)調(diào)節(jié)到卸載時(shí)步調(diào)一致難度太大。所以，現(xiàn)有的條件和被動(dòng)式卸載產(chǎn)品的局限性決定了不宜采用被動(dòng)式卸載。

MTS主動(dòng)式卸載保護(hù)產(chǎn)品通過增加相應(yīng)的硬件設(shè)備和軟件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)可控卸載，但采購(gòu)價(jià)格比現(xiàn)有的控制系統(tǒng)還要增加一倍以上[3]。雖然由于成本因素不能采用MTS主動(dòng)式卸載保護(hù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)可控卸載，但是可以借鑒其思想和方法，即在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套控制系統(tǒng)(可控卸載控制系統(tǒng))，當(dāng)試驗(yàn)由于意外情況應(yīng)急卸載，當(dāng)前控制系統(tǒng)對(duì)作動(dòng)筒失去控制時(shí)，另外增加的可控卸載控制系統(tǒng)接管對(duì)作動(dòng)筒的控制，使所有加載點(diǎn)作動(dòng)筒協(xié)調(diào)卸載到一定載荷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)試驗(yàn)件的目的。

本文通過對(duì)應(yīng)急卸載原因分析，借鑒MTS主動(dòng)式卸載保護(hù)產(chǎn)品的思想，在大變形結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)過程中出現(xiàn)意外情況應(yīng)急卸載時(shí)，根據(jù)卸載原因和當(dāng)前載荷譜狀態(tài)，建立按當(dāng)前載荷譜狀態(tài)卸載、多通道協(xié)調(diào)卸載及機(jī)械式卸載的三級(jí)應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制，對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)功能進(jìn)行研究，通過獨(dú)立可控卸載控制系統(tǒng)及可控卸載保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)三級(jí)應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制的控制策略，達(dá)到保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全和提高試驗(yàn)效率的目的。

2 應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制建立

按當(dāng)前載荷譜狀態(tài)卸載，根據(jù)卸載原因和當(dāng)前載荷譜狀態(tài)，利用現(xiàn)有的協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)將各加載點(diǎn)載荷卸至需要的載荷狀態(tài)，而非直接卸載至停機(jī)狀態(tài)，避免造成試驗(yàn)件的額外損傷。

多通道協(xié)調(diào)卸載基于獨(dú)立可控卸載控制系統(tǒng)，在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，現(xiàn)有的加載控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，相同通道數(shù)的獨(dú)立可控卸載控制系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，一但試驗(yàn)保護(hù)，獨(dú)立可控卸載控制系統(tǒng)馬上接管試驗(yàn)，控制作動(dòng)筒卸載流量閥，以作動(dòng)筒力傳感器值作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)多通道協(xié)調(diào)卸載。

機(jī)械式卸載就是現(xiàn)有的應(yīng)急保護(hù)機(jī)制，即直接卸壓，和MTS公司的被動(dòng)式卸載保護(hù)產(chǎn)品類似[4]，需在試驗(yàn)調(diào)試階段手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。

建立應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制(如圖2所示)如下：當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)應(yīng)急保護(hù)時(shí)，根據(jù)應(yīng)急保護(hù)原因的危險(xiǎn)程度，啟動(dòng)3種卸載方式之一；在按載荷譜卸載過程中，如果遇到意外難以卸載，應(yīng)根據(jù)原因切換到多通道協(xié)調(diào)卸載或機(jī)械式卸載；在應(yīng)急可控卸載過程中， 如果遇到意外難以卸載， 應(yīng)切換到機(jī)械式卸載。該機(jī)制結(jié)合了MTS主動(dòng)卸載和被動(dòng)卸載的優(yōu)點(diǎn)，而且能根據(jù)當(dāng)前載荷譜的狀態(tài)卸載到指定載荷狀態(tài)。

圖2 應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制

3 控制策略

統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)有大變形結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)中應(yīng)急卸載的原因,包括現(xiàn)場(chǎng)原因以及反映在控制系統(tǒng)的原因，為控制策略的制定提供實(shí)際數(shù)據(jù)支持[5]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析不同的現(xiàn)場(chǎng)原因?qū)υ囼?yàn)的影響，確定不同的應(yīng)急卸載方式，制定具體應(yīng)急卸載策略，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)急卸載控制策略

目前，能引起控制系統(tǒng)保護(hù)的原因有外環(huán)誤差檢測(cè)限EDⅡ(Outer Error Detector)和載荷外限、系統(tǒng)應(yīng)急等，而內(nèi)環(huán)誤差限EDⅠ(Inner Error Detector)和載荷內(nèi)限基本沒有使用[6]。所以，本文利用EDⅠ和載荷內(nèi)限等多種系統(tǒng)事件動(dòng)作觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)了上述控制策略[7]，具體如表1所示。

當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)急保護(hù)時(shí)， 根據(jù)觸發(fā)的事件動(dòng)作， 按照表1對(duì)應(yīng)的應(yīng)急卸載方式執(zhí)行。按當(dāng)前載荷譜狀態(tài)卸載是研究現(xiàn)有控制系統(tǒng)的軟硬件功能并進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)[8]，機(jī)械式卸載是現(xiàn)有的應(yīng)急卸載方式，研究的難點(diǎn)在于多通道協(xié)調(diào)卸載方式的實(shí)現(xiàn)。

表1 控制參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

4 多通道協(xié)調(diào)卸載

4.1 總體設(shè)計(jì)

多通道協(xié)調(diào)卸載技術(shù)通過研究設(shè)計(jì)獨(dú)立的可控卸載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。具體功能為：當(dāng)出現(xiàn)一定保護(hù)原因時(shí)，當(dāng)前控制系統(tǒng)卸壓，可控卸載系統(tǒng)接管各加載點(diǎn)的控制，通過控制作動(dòng)筒兩腔的余壓實(shí)現(xiàn)載荷卸載到0。各加載點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)通過相同的卸載時(shí)間實(shí)現(xiàn)，卸載時(shí)間可設(shè)定。

可控卸載系統(tǒng)與現(xiàn)有控制系統(tǒng)關(guān)系如圖4所示，陰影部分是相對(duì)于原來(lái)的控制系統(tǒng)和作動(dòng)筒需要增加或者進(jìn)行改造的部分：將原來(lái)的單橋傳感器更換為雙橋傳感器，一路傳感器信號(hào)用于MTS控制系統(tǒng)，另一路傳感器信號(hào)用于可控卸載系統(tǒng)；卸載流量閥需由人工調(diào)節(jié)變?yōu)殚]環(huán)控制；增加一套獨(dú)立的可控卸載系統(tǒng)。

圖4 可控卸載系統(tǒng)與MTS系統(tǒng)關(guān)系圖

以作動(dòng)筒在應(yīng)急卸載時(shí)拉向載荷為例，拉壓腔壓力以及載荷變化如圖5所示。圖5所示的載荷曲線是可控卸載系統(tǒng)的控制目標(biāo)，初始的動(dòng)作會(huì)引起一腔的壓力掉到0，可控卸載通過控制另一腔壓力的減小實(shí)現(xiàn)。

圖5 控制目標(biāo)

可控卸載控制邏輯如圖6所示，在收到當(dāng)前控制卸載觸發(fā)信號(hào)時(shí)，采樣當(dāng)前傳感器信號(hào)為初始值生成命令曲線，再以傳感器信號(hào)為實(shí)時(shí)反饋，利用PID算法控制卸載流量閥的實(shí)時(shí)流量實(shí)現(xiàn)可控卸載。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

可控卸載控制系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖7所示，其核心設(shè)計(jì)思想是盡可能地將系統(tǒng)功能分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)以微處理器為核心，完成傳感器數(shù)據(jù)采集和作動(dòng)筒控制功能。各加載點(diǎn)協(xié)調(diào)卸載通過設(shè)置相同的卸載時(shí)間實(shí)現(xiàn)，即保證所有加載點(diǎn)在相同的時(shí)間內(nèi)卸載到一定載荷。

圖6 控制邏輯

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖8所示，當(dāng)收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)各節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)卸載。關(guān)鍵問題在于節(jié)點(diǎn)遇到問題時(shí)的處理流程，本文的具體思路為：如果是線路故障，則啟動(dòng)冗余網(wǎng)絡(luò)；如果個(gè)別節(jié)點(diǎn)卸載較慢，則首先進(jìn)行自身調(diào)節(jié)，其次進(jìn)行上位機(jī)調(diào)節(jié)，若最后還是難以完成卸載則觸發(fā)機(jī)械式卸載。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用現(xiàn)有控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)加載、可控卸載系統(tǒng)進(jìn)行可控卸載，將現(xiàn)有控制系統(tǒng)與可控卸載控制系統(tǒng)通過應(yīng)急高低電平通信。試驗(yàn)保護(hù)模塊用原保護(hù)模塊，同時(shí)在保護(hù)模塊載荷限制閥位置安裝可控卸載單元，通過搭建可控卸載保護(hù)模塊進(jìn)行試驗(yàn)。采用兩個(gè)傳感器串聯(lián)模擬雙橋傳感器的作用，試驗(yàn)首先加載到一定載荷，然后應(yīng)急卸載，監(jiān)控卸載可控性能。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及卸載曲線如圖9、圖10所示。

圖8 工作流程

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖10 卸載曲線

從試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果看，單通道可控應(yīng)急卸載效果較好，MTS控制系統(tǒng)與可控卸載控制系統(tǒng)通信正常，卸載曲線能夠跟隨卸載指令，卸載時(shí)間可調(diào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)大變形結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)卸載原因和當(dāng)前載荷譜狀態(tài)，建立了按當(dāng)前載荷譜狀態(tài)卸載、多通道協(xié)調(diào)卸載及機(jī)械式卸載的三級(jí)應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制，對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)功能進(jìn)行研究，通過獨(dú)立可控卸載控制系統(tǒng)及可控卸載保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)三級(jí)應(yīng)急保護(hù)卸載機(jī)制的控制策略，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，可以在正式試驗(yàn)中應(yīng)用。