斯仁圖雅

(1.錫林郭勒職業(yè)學院 ，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026000； 2.內(nèi)蒙古師范大學， 呼和浩特 010022)

0 引言

通過大迎角風洞試驗，了解和測試飛機部件模型或飛機整體模型在風壓下的性能。風洞穴是指通過已知風速的空隙氣流，來測定風洞內(nèi)物體所受的風壓[1]。將模型放入風洞中，用電機驅(qū)動，改變模型的空間位置，通過調(diào)整位置進行風壓試驗，得到模型在風壓下的性能[2]。傳統(tǒng)的風洞測控系統(tǒng)由于信號電路復雜，使得風洞試驗中最關(guān)鍵的模擬信號極易受到干擾，測量精度低，對專用測控系統(tǒng)的依賴程度高，可靠性低，由于研發(fā)費用高，操作和移植性差，導致風洞測控系統(tǒng)的可靠性、速度和精度出現(xiàn)瓶頸[3]。

以往系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)都是采用虛擬儀器技術(shù)，該技術(shù)主要是基于計算機及所需的電路板等外設(shè)完成計算機測試控制系統(tǒng)。通過改變飛行器模型的空間位置，系統(tǒng)達到了測試的要求[4]。盡管本系統(tǒng)的測試效果良好，但易受測試點的影響，導致風洞模擬結(jié)果準確性較差，從而導致控制效果較差。針對這一問題，提出了基于嵌入式技術(shù)設(shè)計風洞模擬測控系統(tǒng)的方法。風洞測控系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，正好適應風洞測控對象分散的特點，可以充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要應用于風洞試驗中，其本質(zhì)與一般工業(yè)測控系統(tǒng)相同，當前主流的風洞測控系統(tǒng)主要包括分布式測控系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)[5]。一般來說，風洞體積較大，測量對象分散。基于VXI、 PXI和現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式風洞測控系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一個研究熱點[6]。圖1中顯示了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖1可知，分布式風洞測控系統(tǒng)的處理層和調(diào)整層的大部分功能都嵌入了執(zhí)行層的設(shè)備和機構(gòu)中。處理層負責采集風洞測試數(shù)據(jù)，監(jiān)控層對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控，調(diào)理層對風洞數(shù)據(jù)進行信號調(diào)制，便于信號的傳輸和接收，執(zhí)行層包括風扇執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動器、姿態(tài)角機構(gòu)及驅(qū)動器，可實現(xiàn)風洞模擬測控系統(tǒng)的實際工作運行。各智能單元通過某種標準的現(xiàn)場總線連接，利用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)實時、雙向數(shù)據(jù)通信，還可以與監(jiān)控層的監(jiān)控計算機進行通信[7]。

2 風洞模擬測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

風洞模擬測控系統(tǒng)硬件主要包括總線設(shè)計、驅(qū)動器模塊、開關(guān)控制模塊、分布嵌入式測控模塊設(shè)計及印刷電路板PCB設(shè)計。采用CAN總線保證風洞現(xiàn)場總線傳輸速度，設(shè)計伺服驅(qū)動電機控制飛機模型的空間位置，采用FPGA控制開關(guān)的驅(qū)動電路，提升控制響應速度?；谝蕴W(wǎng)設(shè)計分布式嵌入式測控系統(tǒng)，自主完成風洞測控功能。最后對印刷電路板PCB進行設(shè)計，提升PCB的抗干擾能力，保證風洞模擬測控系統(tǒng)對系穩(wěn)定性和實時性。

2.1 總線設(shè)計

在風洞試驗裝置中，試驗段馬赫數(shù)、總壓等參數(shù)的測量和執(zhí)行機構(gòu)離這些參數(shù)的控制很遠，需要及時、快速地傳遞數(shù)據(jù)，因此要求風洞現(xiàn)場總線傳輸速度快、距離遠[8-9]。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設(shè)備之間的通訊網(wǎng)絡平臺，采用CAN總線，作為現(xiàn)場總線技術(shù)，其總線驅(qū)動器PCA82C250能夠為總線提供差分傳輸及差分接收功能。它可以在兩條具有差分電壓的總線上以高達1 Mbps的比特率傳輸數(shù)據(jù)，并且該總線可以連接110個節(jié)點。其高效傳輸性能避免了現(xiàn)場總線技術(shù)與計算機網(wǎng)絡技術(shù)的脫節(jié)，可將風洞現(xiàn)場總線技術(shù)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合，提升通訊性能。同步和觸發(fā)是嵌入式測試系統(tǒng)中的一個重要問題，它能保證多臺測試設(shè)備的協(xié)同工作，保證測試數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)IEEE1588標準，同步和觸發(fā)分辨率測試系統(tǒng)可以達到10 ns左右[10]。

2.2 驅(qū)動器模塊

飛行器模型是風洞試驗控制系統(tǒng)的控制對象，它由伺服電機控制。伺服器從伺服器驅(qū)動器接收指令，并把這些指令連接到伺服器。它由工控箱、運動控制卡、顯示、打印及其它外圍設(shè)備組成[11]。本系統(tǒng)采用運動控制卡控制系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)的應用軟件提供操作平臺。編碼傳感器連接到飛行器模型上，獲得飛行器模型的實際位置，將數(shù)字信號反饋給運動控制卡[12]。采用兩個伺服電機，利用光碼傳感器裝置控制和測量飛機模型在兩個垂直面上的擺動角度，來控制飛機模型的空間位置。

2.3 開關(guān)控制模塊

開關(guān)控制模塊負責開關(guān)控制泵，電磁閥，冷盤，通過輸出高能量和低能量信號實現(xiàn)對開關(guān)的控制。三相交流功率為380 V，電磁閥和冷板運行功率為24 VDC，說明AT91RM9200不能直接驅(qū)動該裝置[13-15]。采用FPGA控制開關(guān)的驅(qū)動電路，通過該集成電路可以簡化接口，提升控制響應速度。

2.4 分布嵌入式測控模塊設(shè)計

分布式嵌入式測控系統(tǒng)將傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的3個節(jié)點分別為風洞運行參數(shù)節(jié)點、風洞運行狀態(tài)節(jié)點和風洞數(shù)據(jù)采集節(jié)點，嵌入到測控設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)中。通過Internet連接3個智能節(jié)點，與主機通信[16-17]。分布嵌入式測控模塊如圖2所示。

圖2 分布嵌入式測控模塊

基于以太網(wǎng)的分布式嵌入式測控系統(tǒng)由智能單元、系統(tǒng)監(jiān)控單元和以太網(wǎng)構(gòu)成。各智能單元基本相同，由以太網(wǎng)單元控制器和相應的處理信道模塊組成，通過不同的硬件處理信道模塊及相應的單元軟件，實現(xiàn)各智能單元的不同功能；各智能單元控制器負責本地計算和處理，并與網(wǎng)絡通信。單元控制器和單元內(nèi)部處理通道模塊采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，既能保證單元模塊的內(nèi)部性能，又能充分發(fā)揮以太網(wǎng)實時總線的優(yōu)勢。各單位可通過網(wǎng)絡進行雙向通信，或與監(jiān)控機進行通信，整個系統(tǒng)可由系統(tǒng)監(jiān)控機控制，各智能單位無需上位機參與就能自主完成風洞測控功能[18-20]。

2.5 印刷電路板PCB設(shè)計

風洞模擬測控系統(tǒng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性的要求很高，所以在具體實現(xiàn)時要特別注意 PCB的抗干擾能力。此外，由于系統(tǒng)具有高精度的 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換電路和各種類型的差分信號對，因此必須保證系統(tǒng)信號的完整性。在設(shè)計過程中充分考慮了疊層設(shè)計、布局布置和系統(tǒng)布線。

2.5.1 疊層設(shè)計

由于系統(tǒng)尺寸要求清晰，芯片密度高，布線緊湊，系統(tǒng)時鐘為72 mHz，因此需要按照5/5規(guī)則設(shè)計多層電路板。多層 PCB設(shè)計的主要工作是確定 PCB的每一層布局。系統(tǒng)的工作頻率、接線數(shù)量和費用都必須考慮。在電性方面，需要綜合考慮時序、信號完整性和電磁兼容性等因素對系統(tǒng)性能的影響。

合理的設(shè)計可以提高產(chǎn)品的性能。在多層 PCB設(shè)計中，首先要確定線路板的布線層數(shù)和功率層數(shù)。增加接線密度可以減少接線層數(shù)，而線路密度過高也會引起信號間串擾的增加，從而影響最大的接線力。串擾通過影響信號的時序和接收電路的噪聲容限來影響電路的正常工作。另外，如果傳輸線承受的電流過大，導線之間可能會發(fā)生擊穿。線密法測量線路板的成本，估算串擾的影響，從而確定布線層的層數(shù)。

2.5.2 疊層分配

劃分好等級后，下一步就是對等級進行合理分配。根據(jù)以下原則，高速信號層應在電源層附近，而非電源層附近。利用該方法，高速信號層能快速地將高頻干擾信號放入結(jié)構(gòu)中，而靠近電源層時，又能將高頻干擾傳播到電源的其他電路中。能源層應盡量靠近地面，而一般的能源層應盡量靠近地面，以減少噪音。它還可以屏蔽分布在能層處的輻射電流。在此基礎(chǔ)上，圖3給出了系統(tǒng) PCB的6層結(jié)構(gòu)。

圖3 PCB分層

3 風洞模擬測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)應用軟件由顯示模塊、控制模塊和硬件設(shè)置模塊組成，通過硬件接口接收傳感器雙軸迎角、轉(zhuǎn)速等信號，并在控制面板上顯示數(shù)值。本系統(tǒng)由靜力測試部分、吹風測試部分和整體控制部分組成，根據(jù)控制要求，采集控制信號，通過運動控制卡將控制信號發(fā)送給伺服電機。

3.1 不同湍流特征脈動風場嵌入模擬

1)采用頂部單扇風機吸氣、底部單扇風機吹氣和關(guān)閉排風裝置的方法模擬龍卷風風場；

2)上單風扇，下單風扇，排氣裝置關(guān)閉。從塔頂進入塔底的氣流，從而實現(xiàn)下風量場的模擬；

3)采用旋風驅(qū)動頂上單扇風機俯仰旋轉(zhuǎn)，使龍卷柱產(chǎn)生扭曲變形，從而實現(xiàn)龍卷場的自然扭曲模擬；

4)第二級旋轉(zhuǎn)器驅(qū)動軸向的第一個底單風扇，在水平和垂直方向上擺動，并調(diào)整噴射入射風角流入?yún)^(qū)域的第一個底單風扇，以便調(diào)整渦流的風場，從而使之大于龍卷風和下?lián)舯┝鳎?/p>

5)在此基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)的多扇風機陣列風洞對正常風場和脈動風場進行模擬，通過控制二底單扇風機的脈動參數(shù)，對具有不同紊流特征脈動風場進行模擬。

這個風洞是由單扇頂部，第一個底部和第二個底部單風扇組成，單扇可以俯仰旋轉(zhuǎn)，模擬龍卷風和下?lián)麸L場龍卷風失真和可變渦流比例，并與第二個底部單風扇的軸向波動和垂直方向有關(guān)。

3.2 總體控制流程

數(shù)字 PID與模擬 PID相比具有更大的靈活性，可根據(jù)控制系統(tǒng)的不同而有所改進。比如，在普通數(shù)字 PID中，為消除穩(wěn)態(tài)殘差而引入的積分環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)啟動時會輸出較大的偏差，使設(shè)定值有很大的增減，累積的積分作用會產(chǎn)生很大的超調(diào)甚至振蕩。為消除穩(wěn)態(tài)殘差，積分函數(shù)必須保持不變。

針對積分過程中存在的過度調(diào)整問題，提出了積分分離 PID算法。積分 PID是一種消除或降低輸出值與設(shè)定值偏差較大時對積分的作用，避免積分過多。當輸出接近設(shè)定值時，引入積分來消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高了控制精度。下面是具體的步驟。

首先，根據(jù)情況預設(shè)閾值α：

1)當偏差值較大時，即|f(x)|>α，取消積分控制，可避免過調(diào)過大，同時系統(tǒng)響應速度也較快；

2)當偏差值較小時，即|f(x)|≤α，加入積分控制，以保證系模擬精度；

PID控制程序流程，如圖4所示。

圖4 PID控制程序流程

4 系統(tǒng)測試

為了驗證基于嵌入式技術(shù)的風洞模擬測控系統(tǒng)設(shè)計合理性，進行系統(tǒng)測試。風洞模擬測控系統(tǒng)現(xiàn)場圖如圖5所示。

圖5 風洞模擬測控系統(tǒng)現(xiàn)場圖

4.1 測試裝置設(shè)置

風扇陣列風洞結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 風扇陣列風洞結(jié)構(gòu)示意圖

風塔頂部設(shè)有收容頂部單風扇開口，在該開口中，頂部單風扇對風塔內(nèi)部吹氣或者吸氣，并在開口兩側(cè)設(shè)置驅(qū)動頂部單風扇轉(zhuǎn)動第一裝置。在單風扇最下端沿著風塔周圍形成一圈排列的風扇，風扇位于風塔一側(cè)，而風塔另一側(cè)設(shè)有與第二底部單風扇相對應排氣裝置。

4.2 測試結(jié)果與分析

以航天器在空中運行為基礎(chǔ)，采集風洞模擬系統(tǒng)當前實際轉(zhuǎn)速，計算控制精度。結(jié)果如表1所示。

表1 風洞模擬測控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制精度

分析表1可知，基于嵌入式技術(shù)的風洞模擬測控系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的控制精度平均值為99%，證明了該系統(tǒng)的控制精度較好。

在此基礎(chǔ)上，分別使用虛擬儀器技術(shù)和嵌入式技術(shù)對風洞模擬測控系統(tǒng)的控制效果對比分析。在靜風和吹風狀態(tài)下，測試兩種技術(shù)的控制精度。

4.2.1 靜風狀態(tài)

在靜風狀態(tài)下，分別使用兩種技術(shù)對系統(tǒng)控制效果進行對比分析，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 靜風狀態(tài)下兩種技術(shù)控制效果對比分析

由圖7可知，使用虛擬儀器技術(shù)控制的航天器運動軌跡與實際情況不一致，A點、D點均與實際距離相差0.2 cm；B點、C點均與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.2 cm。而使用嵌入式技術(shù)控制的航天器運動軌跡與實際情況基本一致，最大誤差為0.01 cm。

4.2.2 吹風狀態(tài)

在吹風狀態(tài)下，分別使用兩種技術(shù)對系統(tǒng)控制效果進行對比分析，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 吹風狀態(tài)下兩種技術(shù)控制效果對比分析

由圖8可知，使用虛擬儀器技術(shù)控制的航天器運動軌跡與實際情況不一致，A點與實際距離相差0.2 cm；B點與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.2 cm；C點與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.21 cm；D點與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.6 cm；E點與實際距離相差0.6 cm。使用嵌入式技術(shù)與實際距離橫向最大相差0.01 cm，縱向相差0.01 cm。

通過上述對比內(nèi)容可知，使用嵌入式技術(shù)設(shè)計風洞模擬測控系統(tǒng)，系統(tǒng)在靜風狀態(tài)和吹風狀態(tài)下的控制誤差均較小，控制效果較好。由于嵌入技術(shù)本身的優(yōu)勢，使得它在風洞測控領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。嵌入式組件廣泛應用于風洞運行狀態(tài)控制、風洞數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，本系統(tǒng)采用嵌入式控制方式，有效地解決了強干擾環(huán)境下控制效果差的問題。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于嵌入式技術(shù)的風洞模擬測控系統(tǒng)，實驗表明，該系統(tǒng)在靜風狀態(tài)和吹風狀態(tài)下的控制誤差均較小，在不同的仿真條件下，該系統(tǒng)均取得了較好的控制效果。所設(shè)計系統(tǒng)可用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況，量度氣流對實體的作用效果，為飛行器研制工作提供一定的技術(shù)支持。

盡管系統(tǒng)的各項指標都達到了設(shè)計要求，但各項指標還無法達到最優(yōu)，為此需要進一步進行優(yōu)化設(shè)計?；?PID控制算法實現(xiàn)測控 PID，再進行優(yōu)化，部分控制點采用模糊 PID控制，增強PID控制環(huán)境的適應性，是一種更有效優(yōu)化方法。