2m×2m超聲速風(fēng)洞CTS測控系統(tǒng)研制

李 平, 黃敘輝, 周 潤, 張征宇, 高榮釗

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

2m×2m超聲速風(fēng)洞CTS測控系統(tǒng)研制

李 平*, 黃敘輝, 周 潤, 張征宇, 高榮釗

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

為滿足2m量級超聲速風(fēng)洞外掛物捕獲軌跡試驗(yàn)的需要,研制了2m×2m超聲速風(fēng)洞CTS試驗(yàn)裝置，開發(fā)了相應(yīng)的信號測量與運(yùn)動控制系統(tǒng)。為確保CTS速度閉環(huán)控制試驗(yàn)方式的實(shí)現(xiàn)，選擇了具有集中控制的多層分布式結(jié)構(gòu),以滿足該試驗(yàn)方式對測控系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)處理及信息交互能力的較高要求。系統(tǒng)由信號測量與軌跡運(yùn)動方程求解子系統(tǒng)、六自由度裝置運(yùn)動控制子系統(tǒng)和安全監(jiān)控子系統(tǒng)等構(gòu)成。采用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)了監(jiān)控管理軟件、數(shù)據(jù)采集和軌跡生成軟件、安全監(jiān)控軟件。采用力士樂公司的IndraWorks完成了運(yùn)動控制執(zhí)行軟件的開發(fā)。子系統(tǒng)間分別運(yùn)用了TCP/IP、PSP、Profibus DP等通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互。解決了系統(tǒng)抗沖擊及速度控制等關(guān)鍵技術(shù)難題。研制完成后采用T3-40激光跟蹤儀對六自由度裝置的靜態(tài)精度進(jìn)行了測量，其中線位移X、Y、Z的定位精度達(dá)到0.021、0.046和0.094mm，角位移α、β、γ的定位精度達(dá)到0.05°、0.047°和0.022°，定位精度全部優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)(±0.1mm、±0.1mm、±0.1mm、0.05°、0.05°和0.05°)。地面調(diào)試和風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證表明：CTS測控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，維護(hù)簡便，試驗(yàn)結(jié)果合理、可靠。

超聲速；風(fēng)洞；測控系統(tǒng)；六自由度機(jī)構(gòu)；速度控制

0 引 言

捕獲軌跡(Captive Trajectory Simulation，簡稱CTS)試驗(yàn)是在風(fēng)洞中應(yīng)用的一種特種試驗(yàn)技術(shù)，用來模擬外掛物從載機(jī)分離后的運(yùn)動軌跡，為評估外掛物的安全特性提供依據(jù)[1]。

發(fā)達(dá)國家開展捕獲軌跡試驗(yàn)研究較早(20世紀(jì)50年代)[2]，技術(shù)比較成熟。中國空氣動力研究與發(fā)展中心于1988年在1.2m跨超聲速風(fēng)洞中建立了第一代外掛物捕獲軌跡試驗(yàn)(CTS)系統(tǒng)，并在2005年成功研制了第二代CTS試驗(yàn)系統(tǒng)，同年研制完成了2.4m跨聲速風(fēng)洞CTS試驗(yàn)系統(tǒng)。

2m×2m超聲速風(fēng)洞(以下簡稱為2m超)是中國空氣動力研究與發(fā)展中心(China Aerodynamics Research and Development Center，CARDC)于2010年底建成的一座下吹、引射式暫沖型超聲速增壓風(fēng)洞，具有試驗(yàn)尺度大、流場指標(biāo)優(yōu)良和數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)，是我國先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器等型號研制的最佳地面模擬試驗(yàn)平臺。為使其具備CTS試驗(yàn)?zāi)芰?，研制?m超風(fēng)洞CTS系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2012年研制完成并投入使用。

1 系統(tǒng)任務(wù)及主要性能指標(biāo)

CTS試驗(yàn)是通過CTS測控系統(tǒng)、六自由度裝置和風(fēng)洞的協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)對外掛物投放軌跡的模擬測試。具體方法是：CTS測控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時測得外掛物的氣動載荷，解運(yùn)動方程，并控制六自由度裝置(見圖1)支撐的外掛物運(yùn)動到解算的位置和姿態(tài)，循環(huán)往復(fù)。此方法簡稱為CTS位置控制方法。

圖1 六自由度裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure schematic of the six degree-of-freedom device

2m超CTS測控系統(tǒng)的任務(wù)就是精確測量風(fēng)洞中外掛物模型的氣動載荷，求解運(yùn)動方程，控制六自由度裝置運(yùn)動并監(jiān)控設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)。其中，信號測量的精準(zhǔn)度要求0.03%，六自由度裝置3個線位移的控制精準(zhǔn)度要求為0.1mm，3個角位移的控制精準(zhǔn)度要求為0.05°。

此外，該系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)CTS的速度控制方法，即在CTS試驗(yàn)過程中通過持續(xù)的測量和解算，控制外掛物模型的運(yùn)動速度和姿態(tài)等，完成對外掛物連續(xù)運(yùn)動軌跡的測量。由于進(jìn)行速度控制時外掛物模型持續(xù)運(yùn)動不停頓，因此有運(yùn)動軌跡點(diǎn)連貫且比較節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但同時對系統(tǒng)的實(shí)時性和同步性要求較高。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與組成

2m超CTS測控系統(tǒng)的硬件部分采用了具有集中控制的多層分步式結(jié)構(gòu)的框架設(shè)計(jì)，在設(shè)備的選購上盡可能使用成熟產(chǎn)品，以保證CTS測控系統(tǒng)的高性能、可擴(kuò)展和易維護(hù)。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2所示。根據(jù)CTS測控系統(tǒng)的任務(wù)及特點(diǎn)，將系統(tǒng)拆分為3個子系統(tǒng)：(1) 測量與運(yùn)動方程求解系統(tǒng)；(2) 六自由度裝置運(yùn)動控制系統(tǒng)；(3) 安全監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 測控系統(tǒng)組成Fig.2 Constitution of the measurement and control system

2.1 測量與運(yùn)動方程求解系統(tǒng)

測量與運(yùn)動方程求解系統(tǒng)的功能包括精確測量安裝于外掛物模型內(nèi)部的天平傳感器的信號、尾部的底壓傳感器信號及風(fēng)洞的總、靜壓信號，計(jì)算氣動系數(shù)并與輸入的外掛物初始條件(如初始位置、角度和速度等)、飛行參數(shù)(如飛機(jī)的姿態(tài)角、飛行高度、速度以及外掛物的質(zhì)量、慣性矩、阻尼導(dǎo)數(shù)、推力和彈射力等)一起，通過求解運(yùn)動方程，獲得外掛物在下一時刻的運(yùn)動速度或位置。其中，外掛物運(yùn)動方程組求解過程復(fù)雜、計(jì)算量大。

為此，系統(tǒng)選用了美國NI公司PXI RT(Real-time)嵌入式控制器作為硬件平臺，配置了實(shí)時控制器、高速采集卡、總線通訊卡和信號調(diào)理器等硬件設(shè)備。其中，前置信號調(diào)理器位于六自由度裝置內(nèi)靠近天平的位置，用于增強(qiáng)天平信號的抗干擾能力。

2.2 六自由度裝置運(yùn)動控制系統(tǒng)

六自由度裝置運(yùn)動控制系統(tǒng)的功能是準(zhǔn)確控制六自由度裝置按照位置或速度進(jìn)行運(yùn)動。根據(jù)載荷及使用維護(hù)要求，驅(qū)動形式為伺服電機(jī)驅(qū)動。

為此，選用了德國力士樂公司的基于Sercos III總線的運(yùn)動控制系統(tǒng)，主要由多軸運(yùn)動控制器、6臺伺服電機(jī)(其中滾轉(zhuǎn)自由度由中空力矩電機(jī)控制)及相應(yīng)的驅(qū)動器組成。同時，受六自由度裝置的結(jié)構(gòu)形式限制，無法安裝外置編碼器，故在每臺伺服電機(jī)內(nèi)配置了絕對編碼器。

2.3 安全監(jiān)控系統(tǒng)

因外掛物的運(yùn)動軌跡在試驗(yàn)前是不可知的，加之外掛物的天平和支桿較細(xì)，所以CTS試驗(yàn)存在著極大的不安全因素，如試驗(yàn)時外掛物模型與載機(jī)、風(fēng)洞試驗(yàn)段壁板等可能發(fā)生碰撞，機(jī)構(gòu)運(yùn)動可能失控超過設(shè)定的極限位置等，如不采取措施可能損壞模型、天平和六自由度機(jī)構(gòu)；此外，在超聲速氣流的沖擊下，六自由度裝置可能會產(chǎn)生振動，影響其正常運(yùn)動及定位的精度。因此，安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用就是實(shí)時監(jiān)控六自由度設(shè)備各個自由度的當(dāng)前位置、振動情況，運(yùn)動是否超限等，及時制動，保護(hù)設(shè)備安全。

為此，選用了NI公司的PAC系統(tǒng)作為獨(dú)立的安全監(jiān)控系統(tǒng)，該子系統(tǒng)由一套CompactRIO(cRIO)系統(tǒng)設(shè)備組成，其中機(jī)箱型號為NI-9116，嵌入式控制器為NI cRIO-9024，32路數(shù)字量輸入采集卡為NI-9426，32路數(shù)字量輸出卡為NI-9477，4路振動信號輸入采集卡為NI-9234，4路模擬量輸入采集卡為NI-9222。

六自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動極限限位信號、緊急停止信號、碰撞信號、設(shè)備上電狀態(tài)和故障信息等由NI-9426輸入，機(jī)構(gòu)振動信號由NI-9234輸入，外掛物模型與母機(jī)位移及Z軸平衡氣缸壓力等信號由NI-9222輸入，聯(lián)絡(luò)信號、報(bào)警信號、驅(qū)動器通斷電信號等由NI-9477輸出。

上位機(jī)將編制好的安全監(jiān)控程序部署到嵌入式實(shí)時控制器cRIO-9024中運(yùn)行，確保程序運(yùn)行的可靠性和確定性。另外，通過RIO(可重復(fù)配置)I/O技術(shù)將處理器、FPGA和定制化的I/O結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對外部I/O信號的實(shí)時響應(yīng)，通過這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)對六自由度裝置運(yùn)動過程中碰撞信號、振動信號、伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)工作狀態(tài)(包括上電、使能等)、限位信號，外掛物模型初始定位時與載機(jī)的位移量，緊急停止信號和平衡氣缸壓力信號等的快速檢測及響應(yīng)，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

CTS測控系統(tǒng)的軟件共分為4部分，分別是：運(yùn)行在監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控管理軟件；運(yùn)行在嵌入式實(shí)時控制器上的數(shù)據(jù)采集和軌跡生成軟件；運(yùn)行在多軸運(yùn)動控制器上的運(yùn)動控制執(zhí)行軟件；運(yùn)行在PAC系統(tǒng)上的安全監(jiān)控軟件。各部分的功能和系統(tǒng)間的通信方式如圖3所示。其中，監(jiān)控管理軟件、數(shù)據(jù)采集和軌跡生成軟件、安全監(jiān)控軟件在Windows環(huán)境下采用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)，運(yùn)動控制執(zhí)行軟件在Windows環(huán)境下使用力士樂公司IndraWorks進(jìn)行開發(fā)。下面就軟件開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of software

3.1 系統(tǒng)實(shí)時性

為了確保整個測控系統(tǒng)的實(shí)時性，在嵌入式控制器中配置了RTOS(Real Time Operation System)實(shí)時操作系統(tǒng)、在嵌入式控制器和多軸運(yùn)動控制器間配置了專門的高速通信的Profibus DP數(shù)字通訊總線。其中RTOS實(shí)時操作系統(tǒng)提供了高效的實(shí)時任務(wù)調(diào)度、中斷管理、系統(tǒng)資源和任務(wù)間的通訊等功能，實(shí)現(xiàn)了速度控制過程中任務(wù)間時序關(guān)系、運(yùn)動時間的精確控制；Profibus DP總線的雙向數(shù)據(jù)通訊中，IndraWorks多軸運(yùn)動控制器和NI嵌入式控制器之間的數(shù)據(jù)刷新周期達(dá)到2ms。

3.2α自由度的運(yùn)動控制

在2m超CTS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，α、β2自由度采用了十字球鉸和推拉式的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過直線推桿的線位移來產(chǎn)生角度運(yùn)動，但當(dāng)β角運(yùn)動以后，會引起α角的變化。圖4給出了不同β角下，α角與直線推桿位移的對應(yīng)關(guān)系，可知β角變動后，同一推桿位移對應(yīng)著不同的α角。為此，通過采用電子凸輪及虛擬主軸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了α、β解耦后的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動。

3.3 CTS試驗(yàn)速度控制方法的實(shí)現(xiàn)

鑒于速度控制方法在節(jié)省能耗、提高試驗(yàn)效率方面的效果極其明顯，但是由于外掛物模型的運(yùn)動速度不能在試驗(yàn)前確定，導(dǎo)致工程上比較成熟的控制策略難以直接運(yùn)用到CTS系統(tǒng)中，為此，采用基于時空變換的雙閉環(huán)速度控制策略，如圖5所示，成功實(shí)現(xiàn)了CTS試驗(yàn)的速度控制方法。外環(huán)建立軌跡精度誤差模型，實(shí)現(xiàn)求解運(yùn)動方程時間步長的自適應(yīng)，并根據(jù)CTS系統(tǒng)的運(yùn)動能力和動態(tài)響應(yīng)特性，通過時空變換動態(tài)產(chǎn)生最優(yōu)的速度變換尺度；內(nèi)環(huán)由多軸運(yùn)動控制器、驅(qū)動器、電機(jī)和編碼器組成，精確控制六自由度裝置的運(yùn)動速度。

圖4 β角對α角的影響Fig.4 Influence of β angle on α angle

圖5 雙閉環(huán)速度控制策略Fig.5 Strategy of double closed-loop velocity control

4 調(diào)試結(jié)果

4.1 靜態(tài)調(diào)試

在CTS測控系統(tǒng)完成安全連鎖、緊急停車和驅(qū)動參數(shù)優(yōu)化等調(diào)試工作后，使用美國API公司生產(chǎn)的T3-40激光跟蹤儀對6自由度裝置的靜態(tài)精度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如表 1所示，可以看出6自由度裝置的靜態(tài)定位精度全部優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 六自由度裝置靜態(tài)定位精度Table 1 Accuracy of the six degree-of-freedom device

4.2 自由流調(diào)試試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)CTS測量與6自由度運(yùn)動控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和可靠性，開展了自由流試驗(yàn)，即外掛物模型在沒有母機(jī)干擾的自由流場中的測力試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與該外掛物在1.2m風(fēng)洞得到的相同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對比曲線如圖6所示?？梢钥闯?，該外掛物的法向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)重復(fù)性非常好，且與1.2m風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，吻合較好。說明CTS測量系統(tǒng)與六自由度運(yùn)動控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、可靠性和穩(wěn)定性滿足試驗(yàn)要求。

圖6 自由流試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Free flow test results

4.3 軌跡調(diào)試試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)運(yùn)動方程求解算法和雙閉環(huán)速度控制方法的正確性，分別使用位置控制方法和速度控制方法進(jìn)行CTS試驗(yàn)，并與該外掛物在1.2m風(fēng)洞采用位置控制方法獲得的相同馬赫數(shù)下的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。可以看出，所得軌跡變化規(guī)律一致、量值接近，僅滾轉(zhuǎn)角γ存在一定差異，這主要是由于該外掛物的滾轉(zhuǎn)力矩Mx測值太小、天平的Mx量程較大以及導(dǎo)彈轉(zhuǎn)動慣量較小等綜合因素所致；2m超CTS系統(tǒng)采用位置控制方式或速度控制方式所獲得分離軌跡同期重復(fù)性精度較高。另外，從CTS系統(tǒng)運(yùn)行時間以及風(fēng)洞吹風(fēng)時間來看，速度控制方式比位置控制方式所用時間更短，更節(jié)能。并且從所獲得分離軌跡數(shù)據(jù)來看，速度控制方式所獲得的軌跡數(shù)據(jù)信息量更大，軌跡計(jì)算積分誤差相對減小，分離軌跡預(yù)測更加合理準(zhǔn)確。這也說明本文研制的CTS測控系統(tǒng)為速度控制方法提供了性能優(yōu)異的硬件構(gòu)架，保證了系統(tǒng)的實(shí)時性和協(xié)調(diào)性。

圖7 軌跡試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Captive trajectory simulation test results

5 結(jié) 論

地面調(diào)試和風(fēng)洞調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果表明，2m×2m超聲速風(fēng)洞CTS測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期研制目標(biāo)，主要結(jié)論如下：

(1) 采用基于實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式控制器和基于SercosIII總線的多軸運(yùn)動控制器，保證了整個測控系統(tǒng)的高效實(shí)時、穩(wěn)定可靠；為實(shí)現(xiàn)CTS試驗(yàn)速度控制方法提供了性能優(yōu)異的硬件構(gòu)架；

(2) 配置的2級前置信號調(diào)理器增強(qiáng)了天平信號的抗干擾能力，提高了信噪比；

(3) 獨(dú)立的安全監(jiān)控系統(tǒng)和完備的安全監(jiān)控策略確保了試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行安全；

(4) 由于采用集中控制的多層分步式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且設(shè)備的選購上盡可能使用成熟產(chǎn)品，使該系統(tǒng)具有任務(wù)均衡、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有推廣價值的CTS測控系統(tǒng)方案。

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(編輯：楊 娟)

Development of measurement and control system for CTS in 2m×2m supersonic wind tunnel

Li Ping*, Huang Xuhui, Zhou Run, Zhang Zhengyu, Gao Rongzhao

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In order to meet the requirement of Captive Trajectory Simulation tests in 2m-scale supersonic wind tunnel, the CTS facility and the corresponding measurement and control system are developed in the 2m×2m supersonic wind tunnel. In order to realize the closed-loop velocity control mode, a multi-layer distributed structure with a centralized control test technique is selected for the construction of the measurement and control system which must meet the high demands of real-time processing and information interaction tasks. The system consists of three subsystems, namely, the signal measurement and motion equation solver subsystem, the 6-DOF motion control subsystem , and the safety supervising subsystem. The softwares of monitoring and management, data acquisition and trajectory generation, and security monitoring are developed by LabVIEW. The motion control execution software is developed by IndraWorks. The information interaction among subsystems is implemented through TCP/IP, PSP and Profibus DP. The key technical problems such as shock resistance and velocity control are solved. Static accuracy of the 6-DOF rig is measured by T3-40 laser tracker which shows that the positioning accuracy of linear displacementX,YandZachieves 0.021mm, 0.046mm and 0.094mm respectively，the positioning accuracy of angular displacementα,βandγachieves 0.05°,0.047° and 0.022°, respectively. The accuracy is better than that of design index(±0.1mm,±0.1mm,±0.1mm,0.05°,0.05°,0.05°).The debugging and wind tunnel tests show that the system is stable, reliable, and easy to use and maintain; the test results are reasonable, and the data obtained are reliable.

supersonic wind tunnel;measurement and control system;6-DOF rig;velocity control

1672-9897(2015)04-0095-06

10.11729/syltlx20140082

2014-07-18;

2015-04-28

LiP,HuangXH,ZhouR,etal.DevelopmentofmeasurementandcontrolsystemforCTSin2m×2msupersonicwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 95-100. 李 平, 黃敘輝, 周 潤, 等. 2m×2m超聲速風(fēng)洞CTS測控系統(tǒng)研制. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(4): 95-100.

V211.7

A

李 平(1968-)，男，四川眉山人，高級工程師。研究方向：風(fēng)洞測量、控制及數(shù)據(jù)處理研究。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：LP_YL@163.com

*通信作者 E-mail: LP_YL@163.com