超聲速風(fēng)洞模型插入機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽(yáng) 621000)

顫振是在飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器飛行中飛行速壓超過(guò)臨界值后出現(xiàn)的一種破壞性的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，它是氣動(dòng)力、彈性力和慣性力相互作用下的一種自激振動(dòng)。對(duì)于每一種新研制的飛機(jī)，都必須在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行顫振試驗(yàn)，以確保在飛行包線范圍內(nèi)不出現(xiàn)顫振[1-2]。風(fēng)洞顫振試驗(yàn)已成為飛行器顫振研究中的一項(xiàng)重要的工作，可以利用風(fēng)洞試驗(yàn)再現(xiàn)顫振現(xiàn)象，校核顫振邊界，研究顫振特性變化規(guī)律，其結(jié)果也為飛行顫振試驗(yàn)提供試驗(yàn)依據(jù)[3]。

超聲速風(fēng)洞在啟動(dòng)和關(guān)車過(guò)程中，會(huì)有一道正激波穿過(guò)試驗(yàn)段，對(duì)位于其中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斐珊艽蟮臎_擊載荷[4]，沖擊載荷通常比穩(wěn)態(tài)載荷大數(shù)倍，顫振試驗(yàn)所用的框架填充泡沫-復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)的模型無(wú)法承受沖擊載荷。因此對(duì)于超聲速風(fēng)洞，顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒懿捎贸Ｒ?guī)的支撐方式，必須設(shè)計(jì)一套模型保護(hù)裝置，以降低風(fēng)洞啟動(dòng)、關(guān)車過(guò)程對(duì)模型的沖擊。文獻(xiàn)[3]在FL-23跨超聲速風(fēng)洞中設(shè)計(jì)了一套模型投放系統(tǒng)避免沖擊載荷，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種方式適用于行程較短的場(chǎng)合；文獻(xiàn)[5]在FD-07高超聲速風(fēng)洞中設(shè)計(jì)了模型保護(hù)裝置以避免模型承受沖擊載荷，但這種方式需要針對(duì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，普適性不好；文獻(xiàn)[6]在某高超聲速風(fēng)洞中設(shè)計(jì)了模型快速插入機(jī)構(gòu)將模型送到試驗(yàn)位置，采用比例閥控制氣液增速缸，通過(guò)氮?dú)怛?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置,這種方式在極短的時(shí)間內(nèi)將模型送入試驗(yàn)位置，不可避免地會(huì)對(duì)模型造成較大沖擊。結(jié)合風(fēng)洞實(shí)際，采用模型插入方式可以適用不同外形的模型，通用性強(qiáng)，而液壓驅(qū)動(dòng)具有工作平穩(wěn)、快速準(zhǔn)確、驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，適合作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。

對(duì)于確定位置的油缸控制，大多采用普通閥、高速開關(guān)閥以及比例閥或電液伺服閥等進(jìn)行控制[9]。普通閥如電磁換向閥沖擊大，高速開關(guān)閥不宜用于大功率系統(tǒng)，它們都不能完全滿足模型插入機(jī)構(gòu)的控制要求，而比例閥或者伺服閥具有精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)了采用液壓伺服控制、油缸驅(qū)動(dòng)插入機(jī)構(gòu)的方式，在風(fēng)洞流場(chǎng)建立后將模型送入試驗(yàn)位置，在關(guān)車之前將模型收回到駐室內(nèi)，以降低風(fēng)洞啟動(dòng)、關(guān)車過(guò)程對(duì)模型的沖擊，取得良好效果。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制要求

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模型插入機(jī)構(gòu)安裝在風(fēng)洞側(cè)壁，沿垂直于風(fēng)洞軸線方向水平將模型送入流場(chǎng)均勻區(qū)。圖1為模型插入機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖[10]。

圖1 模型插入機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在模型安裝板上，模型安裝板由液壓油缸推動(dòng)沿上下四根導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，在靠近風(fēng)洞側(cè)壁處設(shè)置了機(jī)械限位擋塊，當(dāng)模型插入機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位擋塊接觸并鎖緊后，模型安裝板與風(fēng)洞側(cè)壁平齊。

為節(jié)約風(fēng)洞試驗(yàn)耗氣量，要求模型插入機(jī)構(gòu)運(yùn)行快速，平均速度不小于300 mm/s；模型插入機(jī)構(gòu)固有頻率應(yīng)足夠高，以避免影響顫振試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性；模型安裝板與側(cè)壁階差小于0.1 mm，以避免對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)產(chǎn)生影響。由于顫振試驗(yàn)的特殊性，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)生顫振或者其他異常情況下，必須保證模型收回到駐室內(nèi)之后再對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行關(guān)車，否則極易造成模型損壞。因此，控制系統(tǒng)必須具有高可靠性，使模型插入機(jī)構(gòu)在各種異常情況下都能夠快速回到駐室內(nèi)。

顯然，如果采用液壓換向閥控制油缸將無(wú)法避免模型插入機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位擋塊的碰撞，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ统惺茌^大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)；如果采用液壓伺服控制，到位后如果有擾動(dòng)，會(huì)一直閉環(huán)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)剛度降低，從而使模型插入機(jī)構(gòu)的固有頻率降低，會(huì)對(duì)顫振試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響。根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)了先液壓伺服定位再鎖緊的控制方案，即用液壓高頻響閥控制油缸，使模型插入機(jī)構(gòu)定位到機(jī)械限位擋塊附近，再輸出控制電壓到高頻響閥使油缸持續(xù)推動(dòng)模型插入機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位擋塊接觸并鎖緊。這種控制方法可以將試驗(yàn)?zāi)Ｐ推椒€(wěn)、快速送入風(fēng)洞流場(chǎng)，同時(shí)提高了模型插入機(jī)構(gòu)固有頻率[10]。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了模型插入機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，其硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

模型插入機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)以力士樂(lè)公司的數(shù)字式液壓伺服控制器HNC100-3X為核心。HNC100是一個(gè)可以對(duì)液壓缸進(jìn)行閉環(huán)控制的可編程控制器，通過(guò)以太網(wǎng)接入風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，接收來(lái)自模型插入機(jī)構(gòu)控制計(jì)算機(jī)的指令并反饋狀態(tài)信息。模型插入機(jī)構(gòu)控制計(jì)算機(jī)與風(fēng)洞控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，完成試驗(yàn)過(guò)程。HNC100控制器根據(jù)模型插入機(jī)構(gòu)控制計(jì)算機(jī)指令，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出控制電壓到高頻響閥，推動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)。油缸位置由內(nèi)置式磁致伸縮位移傳感器反饋。

為保證模型安全，防止在試驗(yàn)過(guò)程中由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致模型插入機(jī)構(gòu)無(wú)法回退到駐室內(nèi)關(guān)車的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三級(jí)回零保護(hù)措施，即軟件指令回零，硬件緊急回零按鈕回零以及手動(dòng)按鈕盒回零。當(dāng)無(wú)法通過(guò)軟件指令使模型插入機(jī)構(gòu)回退到駐室時(shí)，按下緊急回零按鈕，HNC100控制器接收到該信號(hào)時(shí)控制模型插入機(jī)構(gòu)回零；如果HNC100控制器出現(xiàn)故障失去控制功能，則通過(guò)手動(dòng)按鈕盒切換到手動(dòng)控制模式，通過(guò)控制與高頻響閥并聯(lián)的換向閥使模型插入機(jī)構(gòu)回到駐室，確保模型回到駐室內(nèi)再關(guān)車。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

HNC100提供了位置控制、壓力控制、速度控制等多種控制算法，每種控制算法中的功能模塊有多種方法可供選擇，用戶可根據(jù)具體的控制要求進(jìn)行配置，而不需要自己設(shè)計(jì)控制算法。其中，位置控制有兩種模式，一是伺服控制模式，即始終保持位置閉環(huán)控制；二是基于位置的減速控制模式，即先開環(huán)控制，到達(dá)目標(biāo)位置附近再切換成位置閉環(huán)控制。在HNC100開發(fā)環(huán)境WINPED軟件中激活或禁用相關(guān)模塊即可選用相應(yīng)的控制模式?；谀Ｐ筒迦霗C(jī)構(gòu)的具體控制要求，本文選用位置控制的伺服控制模式，控制原理如圖3所示。

圖3 位置控制原理圖

圖3中，灰底方框表示該功能禁用，無(wú)底色方框表示該功能激活。PDT1控制器是主控制器，由PID控制和前饋/反饋調(diào)節(jié)系數(shù)組成，前饋/反饋調(diào)節(jié)系數(shù)用于設(shè)置油缸不同運(yùn)動(dòng)方向時(shí)的比例增益。位置精調(diào)模塊選用殘余電壓模式，用于提高位置閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)精度。曲線適配模塊用于補(bǔ)償液壓閥、油缸的非線性特性。

HNC100控制器軟件開發(fā)的步驟是：首先在WINPED軟件中進(jìn)行參數(shù)配置，如I/O端口的定義、傳感器類型和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置等，然后再編寫NC程序。NC程序是WINPED中用戶編寫的程序，它在形式上類似于匯編語(yǔ)言程序。系統(tǒng)預(yù)先定義了多個(gè)不同功能的命令，如位置閉環(huán)命令、控制信號(hào)輸出命令等，NC程序在需要使用某個(gè)功能時(shí)調(diào)用該命令，并給定相應(yīng)參數(shù)即可。NC程序需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括試驗(yàn)伸出、回零以及控制權(quán)切換，為方便系統(tǒng)調(diào)試，還設(shè)計(jì)了定位和定位中止功能。程序流程圖如圖4所示。

NC程序設(shè)計(jì)成指令查詢執(zhí)行方式，即程序循環(huán)查詢各指令是否為真，如果為真則執(zhí)行相應(yīng)的程序段；如果為假則繼續(xù)查詢下一個(gè)指令狀態(tài)。程序正在執(zhí)行某條指令過(guò)程中，如果有更高優(yōu)先級(jí)指令為真，則停止當(dāng)前指令，執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)指令。指令優(yōu)先級(jí)由高到低依次為控制權(quán)切換、定位中止、緊急回零、試驗(yàn)伸出、定位，如圖5所示。

圖4 NC程序流程圖

圖5 指令優(yōu)先級(jí)

定位指令使機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制到指定位置，核心語(yǔ)句是G01命令，其參數(shù)格式為：

G01 X I J F

其中，G01是命令標(biāo)識(shí)；X 表示目標(biāo)位置；I 表示加速時(shí)的加速度；J 表示減速時(shí)的加速度；F 表示勻速速度；最后一個(gè)參數(shù)表示到位后的殘余速度，本文中該參數(shù)取0。

試驗(yàn)伸出指令包括兩個(gè)步驟，先定位，到位后再鎖緊。首先采用G01命令將機(jī)構(gòu)定位到機(jī)械限位擋塊位置附近，然后鎖緊。鎖緊是在HNC100控制器模擬輸出口輸出一個(gè)恒定的電壓值，使模型安裝板始終承受液壓推力，貼緊風(fēng)洞側(cè)壁。采用的命令是KR命令，其參數(shù)格式為：

KR V RF

其中，KR是命令標(biāo)識(shí)；V 表示輸出的電壓大??；RF 表示電壓變化的斜坡梯度，本文中該參數(shù)取0。

緊急回零包括軟件緊急回零和按下緊急回零按鈕兩個(gè)指令，二者處理方式相同。NC程序查詢到緊急回零指令，首先清除模擬輸出口的電壓輸出，然后采用G01命令使機(jī)構(gòu)定位到指定的初始位置。

定位中止指令使機(jī)構(gòu)保持當(dāng)前位置，首先清除模擬輸出口的電壓輸出，然后定位到當(dāng)前位置。

控制權(quán)切換指令由手動(dòng)控制盒上的二位選擇開關(guān)下達(dá)。當(dāng)從自動(dòng)控制切換到手動(dòng)控制時(shí)，清除模擬輸出口的電壓輸出，并且不響應(yīng)任何軟件指令。當(dāng)從手動(dòng)控制切換到自動(dòng)控制時(shí)，程序繼續(xù)輪詢指令狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

模型插入機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)完成硬件集成和軟件開發(fā)后，為驗(yàn)證系統(tǒng)功能，首先進(jìn)行地面調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如表1所示。

表1 地面調(diào)試結(jié)果

地面調(diào)試結(jié)果表明，控制系統(tǒng)軟件指令執(zhí)行正確，各指令優(yōu)先級(jí)符合設(shè)計(jì)要求。軟件回零指令在定位、鎖緊過(guò)程中以及到位后均能及時(shí)響應(yīng)執(zhí)行；緊急回零按鈕在正常情況或者以太網(wǎng)中斷時(shí)均能使插入機(jī)構(gòu)回到零位；手動(dòng)按鈕盒功能正常，在軟件系統(tǒng)失效情況下能控制插入機(jī)構(gòu)回到零位。

在地面調(diào)試完成后，進(jìn)行了風(fēng)洞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。圖6為試驗(yàn)全過(guò)程中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置曲線；圖7為風(fēng)洞流場(chǎng)建立后模型插入機(jī)構(gòu)接近試驗(yàn)位置時(shí)鎖緊過(guò)程的位置曲線。從圖6、圖7可以看出，模型插入機(jī)構(gòu)在插入或回零過(guò)程中平均速度達(dá)到300 mm/s的要求，定位和鎖緊過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)超調(diào)，避免了結(jié)構(gòu)沖擊，鎖緊后機(jī)構(gòu)位置保持不變。

圖8是某模型顫振試驗(yàn)測(cè)試曲線。圖8中，由上至下:曲線1、曲線2為模型上加速度信號(hào)；曲線3為風(fēng)洞總壓信號(hào)；曲線4為總壓穩(wěn)定信號(hào)；曲線5為開關(guān)車信號(hào)，高電平表示關(guān)車；曲線6表示速壓。從圖中可以看出，模型插入機(jī)構(gòu)完成了顫振試驗(yàn)過(guò)程，在開關(guān)車階段模型所受沖擊小，基本可以忽略。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致性好，表明模型插入機(jī)構(gòu)功能達(dá)到了顫振試驗(yàn)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行是成功的。

圖6 模型插入機(jī)構(gòu)試驗(yàn)位置曲線

圖7 模型插入機(jī)構(gòu)鎖緊過(guò)程位置曲線

圖8 某模型顫振試驗(yàn)測(cè)試曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

模型插入機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用液壓伺服定位再鎖緊的控制方式，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、快速，使模型在送入試驗(yàn)位置過(guò)程中避免了結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊的影響，并且不會(huì)降低系統(tǒng)的固有頻率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件回零、硬件回零以及手動(dòng)控制回零三級(jí)保護(hù)措施，使得在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下模型能夠回到駐室內(nèi)之后再對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行關(guān)車，保證了顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌踩?。系統(tǒng)研制完成后，已成功應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)，為我國(guó)2米量級(jí)超聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)平臺(tái)的建立奠定了基礎(chǔ)。