吝繼鋒，張革命，劉卓楨

(中國飛機(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

氣密強(qiáng)度試驗(yàn)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的關(guān)鍵試驗(yàn)之一，也是其中風(fēng)險(xiǎn)最大的試驗(yàn)。根據(jù)《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范》和《商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范》，對飛機(jī)進(jìn)氣道、座椅、油箱、機(jī)身有充氣加壓考核的要求。為了保證氣密強(qiáng)度試驗(yàn)的安全和加載精度，需要合理地選擇充壓控制器、充氣管路、傳感器、精密壓力表等設(shè)備，并設(shè)置合理的控制參數(shù)。

典型的氣密強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。充壓控制器是其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能直接影響試驗(yàn)的加載效果?，F(xiàn)有的充壓控制器充氣閥和放氣閥都是固定不變的，控制原理簡單直接，不能根據(jù)試驗(yàn)件體積的變化而變化，對個(gè)別體積較大或者較小的試驗(yàn)件加載誤差較大，給氣密強(qiáng)度試驗(yàn)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對充壓控制器的工作過程進(jìn)行仿真分析，提出了一種充壓控制器分級(jí)控制方法，并研制了分級(jí)控制充壓控制器，在試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果。

圖1 氣密強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2 充壓過程仿真分析

通過對充壓過程進(jìn)行計(jì)算分析，充放氣時(shí)氣體平均自由程的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于任何充放氣閥的閥孔直徑，所以充壓控制器工作時(shí)的氣體流動(dòng)狀態(tài)是黏滯流[3]。在黏滯流狀態(tài)下，氣密艙充氣時(shí)，氣體流經(jīng)小孔的流量由式(1)計(jì)算[1]。

(1)

式中，A為充氣孔截面積[m2]；P1為氣源壓強(qiáng)[Pa]；P2為氣密艙內(nèi)壓強(qiáng)[Pa]；r為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)，8.3143[J/K·mol]；M為氣體摩爾質(zhì)量[kg/mol]；T為氣體溫度[K]。

通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，充壓時(shí)間為：

(2)

放氣時(shí)間為：

(3)

式中，P3為氣密艙末狀態(tài)，P0為大氣壓強(qiáng)。

通過式(2)、式(3)在MATLAB的求解分析，發(fā)現(xiàn)載荷譜設(shè)置時(shí)間一定時(shí)，對充壓控制器的充放氣閥截面積的實(shí)時(shí)調(diào)整是提升系統(tǒng)性能最有效、最直接的手段。

3 現(xiàn)有充壓控制器不足分析

現(xiàn)有充壓控制器的控制原理框圖見圖2。采用德國進(jìn)口電、氣泊膜比例閥和角座開關(guān)閥作為壓力控制元件。泊膜比例閥和角座開關(guān)閥配合動(dòng)作來控制試驗(yàn)件內(nèi)部的壓力，泊膜比例閥用于控制對壓力的加載，常開式角座開關(guān)閥用于控制對壓力的卸載，通過設(shè)計(jì)的專用控制電路對其間的動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對壓力伺服比例控制。

圖2 現(xiàn)有充壓控制器原理框圖

技術(shù)原理如下：控制電路對試驗(yàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)輸出的±50mA信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成2路電壓信號(hào)。其中，0～50mA控制信號(hào)對應(yīng)轉(zhuǎn)換為0～10V電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)到泊膜比例閥，閥的開度隨著電壓信號(hào)的變化而變化，實(shí)現(xiàn)壓力加載功能；0～-50mA對應(yīng)轉(zhuǎn)換的0～10V電壓信號(hào)，用于控制電磁開關(guān)閥，以實(shí)現(xiàn)排氣卸壓功能。

通過組成和原理可以看出，現(xiàn)有充壓控制器的組成相對固定，且控制方式為比較線性的電流電壓直接轉(zhuǎn)換，造成在應(yīng)對不同的試驗(yàn)件時(shí)，加載性能差別較大。通過以往的試驗(yàn)和測試發(fā)現(xiàn)，對于體積較大的試驗(yàn)件，充氣閥只有一個(gè)比例閥，充氣過程中容易造成欠載踏步；對于體積較小的試驗(yàn)件，放氣閥為開關(guān)閥，在調(diào)整過程中容易出現(xiàn)放氣過量，系統(tǒng)很難保持在穩(wěn)定狀態(tài)。以上不足，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)的加載精度和加載速度。

4 分級(jí)控制充壓控制器研制

通過對現(xiàn)有充壓控制器不足的分析，為其改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。考慮到對不同體積試驗(yàn)件的適應(yīng)及性價(jià)比等因素，充放氣裝置設(shè)計(jì)及配置為：充氣裝置采用一個(gè)50型比例閥和兩個(gè)80型開關(guān)閥，比例閥根據(jù)閥驅(qū)動(dòng)電流大小比例打開，開關(guān)閥根據(jù)實(shí)際情況通過調(diào)節(jié)門檻電壓分級(jí)打開和關(guān)閉；放氣裝置采用一個(gè)25型比例閥和一個(gè)100型開關(guān)閥，比例閥用于充壓過程中過載的放氣，開關(guān)閥用于放氣卸載過程。如需加大放氣量，可單獨(dú)設(shè)置一個(gè)外置放氣閥。分級(jí)充壓控制器原理框圖如圖3所示。

圖3 分級(jí)充壓控制器原理框圖

4.1 系統(tǒng)控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，上層為MTS或者M(jìn)OOG控制系統(tǒng)以及一個(gè)人機(jī)界面組成的上位機(jī)，下層為PLC控制器；用STEP7軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)PLC控制程序的編程，用WinCC組態(tài)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面HMI控制程序的編程。圖4為系統(tǒng)控制架構(gòu)框圖。

圖4 系統(tǒng)控制架構(gòu)框圖

4.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，對上位機(jī)控制信號(hào)經(jīng)PLC進(jìn)行計(jì)算處理后輸出，控制各比例閥和開關(guān)閥執(zhí)行充放氣動(dòng)作。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)單通道控制多臺(tái)控制器進(jìn)行加載，PLC可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)運(yùn)算放大后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸入到另一臺(tái)充壓控制器，作為其閥驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)。

圖5 系統(tǒng)電路原理圖

4.3 PLC控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制器程序設(shè)計(jì)和HMI實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。采用STEP7軟件對系統(tǒng)硬件進(jìn)行組態(tài)，在STEP7軟件平臺(tái)創(chuàng)建并配置好CPU模塊、電源模塊、通信模塊、AI/AO模塊、DI/DO模塊。使用梯形圖(LAD)編寫采樣濾波、輸入/輸出信號(hào)線性轉(zhuǎn)換、邏輯控制等子程序。HMI實(shí)時(shí)監(jiān)控程序采用WinCC組態(tài)軟件編程，同時(shí)編制實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，對充壓過程中閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)時(shí)趨勢曲線顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.3.1 PLC控制器程序設(shè)計(jì)

該P(yáng)LC控制器程序包括主程序和子程序，主程序邏輯流程框圖見圖6。子程序主要由采樣濾波子程序、功能模塊算法子程序組成，并將控制人物模塊化，在主程序?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)用。其中，采樣濾波子程序?qū)⒉杉拈y驅(qū)動(dòng)模擬量進(jìn)行數(shù)字濾波處理，消除現(xiàn)場干擾信號(hào)對模擬量信號(hào)的影響。該子程序采用平均值濾波方式，每秒采樣7次，減去最大值和最小值再除以5求平均，得出濾波結(jié)果。邏輯控制子程序主要是把閥驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來控制兩個(gè)開關(guān)閥的開關(guān)，并設(shè)置其開啟門檻電壓。圖7為采樣濾波子程序的邏輯流程框圖，圖8為充氣過程功能控制算法子程序的邏輯流程框圖。

圖6 PLC控制主程序邏輯流程框圖

4.3.2 PLC控制器監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

該程序在組態(tài)軟件WinCC軟件平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，用組態(tài)軟件編制的監(jiān)控程序主要包括工藝流程圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、參數(shù)范圍設(shè)定界面。其中，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中包括閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)的過程曲線圖。圖9為HMI實(shí)時(shí)監(jiān)控程序邏輯流程框圖，圖10為HMI的參數(shù)設(shè)定界面。

5 實(shí)施效果

分級(jí)控制充壓控制器研制完成后，連接MTS控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。在某后機(jī)身疲勞試驗(yàn)的應(yīng)用過程中，整個(gè)充壓加載過程平穩(wěn)，加載跟隨性較好，加載精度優(yōu)于1%，加載速度和加載精度較原有充壓控制器均有了明顯提高， 能夠滿足充壓試驗(yàn)的加載要求， 保證了試驗(yàn)的安全優(yōu)質(zhì)完成，減少了試驗(yàn)工作量和試驗(yàn)時(shí)間，降低了試驗(yàn)成本。

圖7 采樣濾波子程序邏輯流程框圖

圖8 充氣過程功能控制算法子程序的邏輯流程框圖

圖9 HMI實(shí)時(shí)監(jiān)控程序邏輯流程框圖

圖10 參數(shù)設(shè)置界面

6 結(jié) 論

通過對現(xiàn)有充壓控制器進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，研制了一種分級(jí)控制充壓控制器，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行，取得了良好的應(yīng)用效果，保證了充壓加載的精度，提高了充壓試驗(yàn)控制水平，可在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。