脈沖風(fēng)洞天平動(dòng)態(tài)標(biāo)定加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛 潤(rùn),高宏力,馬力翔,黃曉蓉(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031)

脈沖風(fēng)洞天平動(dòng)態(tài)標(biāo)定加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛 潤(rùn),高宏力,馬力翔,黃曉蓉
(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031)

由于脈沖風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間短,沖擊載荷大,試驗(yàn)過(guò)程有強(qiáng)烈振動(dòng),影響天平的測(cè)力精度,因此,需要對(duì)天平模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定.針對(duì)風(fēng)洞天平的動(dòng)態(tài)標(biāo)定所需要的高頻率、重載荷穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)力,設(shè)計(jì)了一套動(dòng)態(tài)力加載系統(tǒng).機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制部分采取嵌入式PC,在系統(tǒng)內(nèi)虛擬出軟PLC.傳感器檢測(cè)模塊和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等通過(guò)EtherCAT總線與軟PLC通訊,實(shí)現(xiàn)硬件的模塊化集成.經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,該系統(tǒng)能滿足風(fēng)洞天平的測(cè)試要求.

風(fēng)動(dòng)天平; 動(dòng)態(tài)標(biāo)定; 嵌入式PLC

風(fēng)洞天平模型試驗(yàn)是航空航天飛行器研制過(guò)程了解飛行器性能、降低飛行器研制風(fēng)險(xiǎn)和成本的重要手段之一.隨著社會(huì)工業(yè)發(fā)展,風(fēng)洞天平模型試驗(yàn)越來(lái)越多地運(yùn)用到汽車、高層建筑的受力測(cè)試當(dāng)中.風(fēng)洞天平則是直接感應(yīng)和測(cè)量作用在模型6個(gè)自由度上氣動(dòng)力、力矩的高精度測(cè)量裝置.國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)洞天平的研究大多數(shù)局限在靜態(tài)形式上，而對(duì)于動(dòng)態(tài)力往往是采用“靜標(biāo)動(dòng)用”的方法進(jìn)行,即僅依據(jù)計(jì)量器具靜態(tài)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果作為動(dòng)態(tài)測(cè)試的依據(jù).其結(jié)果是,在靜態(tài)校準(zhǔn)中精度很高的計(jì)量器具,在動(dòng)態(tài)測(cè)試中卻可能出現(xiàn)高達(dá)100%的動(dòng)態(tài)誤差[1].對(duì)于連續(xù)風(fēng)洞,當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),模型振動(dòng)會(huì)逐漸衰減,最終測(cè)力天平能夠給出一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值.但對(duì)于脈沖風(fēng)洞(約300 ms),試驗(yàn)時(shí)間很短,模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)不及衰減,測(cè)力天平的測(cè)量結(jié)果會(huì)受到很大的影響[2-3].因此,對(duì)于脈沖風(fēng)洞天平的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)變得十分重要.動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)則是在靜態(tài)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,利用標(biāo)模,在風(fēng)洞中進(jìn)一步校驗(yàn)天平性能的過(guò)程.一般情況,動(dòng)態(tài)標(biāo)定所用的力源為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力源,標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力有穩(wěn)定的頻譜,可以復(fù)制,易于分析[4].

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)洞天平的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)力加載機(jī)構(gòu),大多數(shù)采用脈沖式力源、正弦力源、階躍力源等形式進(jìn)行加載.這些加載形式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍都不相同[5-6].表1為對(duì)各種力源裝置進(jìn)行對(duì)比.

表1 各種力源裝置對(duì)比Tab.1 Comparison of each dynamic force equipment

綜上所述,這些設(shè)計(jì)最大的缺陷是不能兼顧各種標(biāo)準(zhǔn)力的輸出,通過(guò)分析論證,針對(duì)這些不足,設(shè)計(jì)出一套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一系列標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力的輸出.該機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)態(tài)力的輸出,成本較低,控制方便[7].

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示,系統(tǒng)是由控制部分和機(jī)械部分組成.伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接絲杠滑臺(tái)來(lái)推動(dòng)加載頭對(duì)待標(biāo)定的天平進(jìn)行施力作用.通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的不同控制來(lái)選擇施加動(dòng)態(tài)加載力模式,可以施加正弦力、負(fù)階躍力、脈沖力.根據(jù)期望的輸出力設(shè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,同時(shí)根據(jù)期望輸出力的變化頻率設(shè)定力矩變化頻率,進(jìn)而達(dá)到需要的動(dòng)態(tài)力輸出.

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the system

1.1機(jī)械機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

如圖2所示,該機(jī)械機(jī)構(gòu)部分是由兩個(gè)部分組成:電動(dòng)機(jī)絲杠部分和力加載頭部分.電動(dòng)機(jī)絲杠部分主要由電動(dòng)機(jī)1、絲杠2、直線導(dǎo)軌3和導(dǎo)軌滑塊6組成.力加載頭部分主要由加載支架5和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器4組成.

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure of system

電動(dòng)機(jī)1通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠2轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠2推動(dòng)滑塊的直線動(dòng)作,滑塊6上面安裝了加載頭,加載頭的頂部就是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器4,測(cè)力傳感器直接作用在天平上面.根據(jù)牛頓第三定律可知,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器和天平所受的力大小相等,方向相反且作用在同一直線上面,這樣就可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求,通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到控制各種標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力輸出的目的.

1.2控制部分組成

如圖3所示,控制部分分為3部分:控制單元、輸入單元和輸出單元.控制單元采用BECKHOFF的CX1030嵌入式控制器,AX5000系列伺服驅(qū)動(dòng)器CPU模塊,集成式快速控制技術(shù)電流控制周期最快可達(dá)31.25 μs,支持高速及高動(dòng)態(tài)性定位任務(wù).RS232串口以及具有E-bus接口的電源模塊.CX1030后端連接EtherCAT總線,EtherCAT高性能的系統(tǒng)通訊技術(shù)能夠與基于PC的控制技術(shù)理想結(jié)合,并支持與其他通訊系統(tǒng)之間的耦合.總線接數(shù)字量輸入輸出模塊、傳感器信號(hào)采集模塊和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等.由于控制器的運(yùn)算頻率1.8 GHz,在控制器操作系統(tǒng)里虛擬一個(gè)軟PLC,數(shù)據(jù)采集處理和運(yùn)動(dòng)控制均由軟PLC完成.

2 PID控制算法設(shè)計(jì)

PID控制是工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制方法[9].對(duì)于脈沖風(fēng)洞天平的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,要求加載力具有穩(wěn)定的頻譜且可復(fù)制,但是因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的局限加上系統(tǒng)的擾動(dòng),嚴(yán)重影響加載系統(tǒng)的可靠性.在電動(dòng)機(jī)的控制中,運(yùn)用PID控制算法,可有效解決此問題.針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,需要產(chǎn)生3種方式的動(dòng)態(tài)加載力.各種加載力采用不同的控制算法,正弦加載需要運(yùn)用電子凸輪,脈沖加載和負(fù)階躍加載則需要運(yùn)用電動(dòng)機(jī)的力矩模式.圖4為系統(tǒng)控制算法流程圖,其中ε為根據(jù)實(shí)際情況人為設(shè)定的閥值.

圖3 系統(tǒng)控制部分組成圖Fig.3 Composition of the control system

圖4 控制算法流程圖Fig.4 The flow chart of control algorithm

正弦力、脈沖力和階躍力的控制方式各不相同.正弦力是通過(guò)TwinCAT System Manager NC配置凸輪表,將正弦力轉(zhuǎn)化成電動(dòng)機(jī)的力矩控制.負(fù)階躍力輸出時(shí),首先電動(dòng)機(jī)尋參后,將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)成位置模式帶動(dòng)加載頭向前以0.1 m/s的速度運(yùn)動(dòng),當(dāng)加載頭前面的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器碰到風(fēng)洞天平機(jī)構(gòu),產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)反饋給PLC后立刻做出指令,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)矩模式.根據(jù)勻速狀態(tài)下電機(jī)絲杠轉(zhuǎn)矩和軸向力估算公式為

考慮10%的余量,給電動(dòng)機(jī)設(shè)置的扭矩1.1Ta,此時(shí)加載頭和天平貼合,電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)t時(shí)間即可產(chǎn)生負(fù)階躍力.若需要產(chǎn)生脈沖力,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器達(dá)到所需力值Fa時(shí),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)回原點(diǎn).這個(gè)過(guò)程完成了脈沖力的輸出.

3 結(jié)果分析

試驗(yàn)對(duì)象是天平動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的加載動(dòng)作進(jìn)行控制,來(lái)完成上述算法.編程硬件平臺(tái)選用德國(guó)倍福公司的工業(yè)PC-C6920,軟件平臺(tái)為TwinCAT3.0,該平臺(tái)支持Matlab編程.選取正弦加載方式在該平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)數(shù)據(jù)整定PID參數(shù).試驗(yàn)效果如圖5所示.

圖5 正弦力加載效果圖Fig.5 The performance of sine wave force

為了更加直觀地說(shuō)明控制效果,對(duì)系統(tǒng)跟蹤誤差的均方根誤差(RMSE)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算:

式中:r為RMSE.結(jié)果說(shuō)明,該算法能較好地實(shí)現(xiàn)施加力的控制,

4 結(jié)語(yǔ)

本文將嵌入式PLC應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集分析.與傳統(tǒng)力源裝置相比,該系統(tǒng)所采用的PC+現(xiàn)場(chǎng)總線+分布式I/O的體系結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,控制方便,力輸出形式豐富.系統(tǒng)程序魯棒性較好,不同功能的程序在軟PLC里劃分為單獨(dú)的任務(wù)執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)的模塊化.對(duì)發(fā)展和完善動(dòng)態(tài)力值計(jì)量技術(shù)有著其重要的意義.標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力發(fā)生裝置是動(dòng)態(tài)力值計(jì)量技術(shù)的最終反映.為了充分掌握動(dòng)態(tài)力傳感器,尤其是大力值寬頻帶的動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)特性,研制大力值寬頻帶的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力發(fā)生裝置具有重要的意義.

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Dynamicforcemeasurementsystembasedonwind-tunnelbalance

MAORun,GAOHongli,MALixiang,HUANGXiaorong
(College of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China)

Since the short effective measurement time and the large impulsive load for the impulse combustion testing in wind tunnel,model system will vibrate intensively during the experiment,which will reduce the accuracy of force testing.In order to provide the dynamic forces which the experiment needs,we proposed a new dynamic force measurement system.The mechanical part was consist of a set of motor,leading screws and screw nuts.Meanwhile the control part was based on embedded soft PLC.The EtherCAT terminal boxes which are connected to the controller are used for detecting the signals from sensors and driving motors.The modular integrated hardware making the system more compact.Experiment shows that the system meet the requirement of wind-tunnel balance.

wind-tunnel balance; calibration accuracy; embedded PLC

TP 23

： A

： 1672-5581(2017)03-0244-04

毛 潤(rùn)(1990—),男,博士生.E-mail:1101083246@qq.com