高低溫?fù)u擺臺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王志偉

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214153

飛行器在飛行之前，需通過地面試驗(yàn)，獲取大量實(shí)測數(shù)據(jù)后才可決定是否參與實(shí)戰(zhàn)，本設(shè)計(jì)以S7-200PLC為控制核心，組成搖擺臺高低溫運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其由俯仰、滾動(dòng)搖擺臺2部分組成，是控制艙綜合測試臺配套設(shè)備之一。其作用是在極限溫度下操控控制艙的俯偏和滾動(dòng)動(dòng)作，使綜合測試臺在不同坐標(biāo)軸方位上可檢測控制艙系統(tǒng)的極限性能參數(shù)［2］。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)及要求

搖擺臺具體技術(shù)要求為:

1)擺動(dòng)臺采用2臺同步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制偏心運(yùn)動(dòng)，分別產(chǎn)生俯仰偏航和滾動(dòng)方位上的正弦搖擺運(yùn)動(dòng);

2)俯仰方向搖擺 f=1.0Hz，幅值為 ±1.5°;滾動(dòng)方向搖擺頻率f=1.0Hz，幅值為±1.5°;

3)頻率穩(wěn)定度及誤差均不大于3%，幅值誤差及穩(wěn)定度不大于1%;

4)搖擺臺輸出步進(jìn)驅(qū)動(dòng)信號波形應(yīng)無毛刺、拐點(diǎn)畸變等現(xiàn)象;

5)搖擺臺能控制產(chǎn)品順航向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)平穩(wěn)無突跳，角速度不大于30(°)/s?？刂婆摰鯍煜蛏蠣顟B(tài)為初試位置0°，斷電時(shí)也在0°，相對初始位置轉(zhuǎn) ±45°，180°［3-4］。

2 系統(tǒng)硬件配置

搖擺臺硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以西門子S7-200(CPU226)作為控制核心，配置EM231，EM232模擬量輸入輸出模塊，控制兩路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，采用MCGS(TPC1062Hi)作為人機(jī)界面，上位機(jī)通過16位高分辨率凌華(PCI-6208+6216)數(shù)據(jù)采集卡直接采集模擬量輸出模塊EM232的信號(每秒鐘采集5000次)，采用Modbus-485通訊方式，電機(jī)與擺臺之間采用1∶1的減速比，在擺臺和滾轉(zhuǎn)臺安裝高精度直線和旋轉(zhuǎn)位移傳感器，供電電壓5V，擺動(dòng)時(shí)200個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)脈沖對應(yīng)1mm，滾轉(zhuǎn)時(shí)20000個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)脈沖對應(yīng)1圈(360°)。

圖1 搖擺臺硬件系統(tǒng)組成框圖

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

電路所需電源包括給PLC系統(tǒng)、位移傳感器及步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器所需的+24V直流電源，電路如圖2所示。

2.2 PLC端口配置

S7-200端口通過Q0.0～Q0.7向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出使能、方向等信號，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，同時(shí)輸入端口配置手動(dòng)、急停、限位等信號輸入，如圖2所示。

圖2 S7-200PLC連接電路圖

2.3 EM231模擬量輸入模塊及EM232模擬量輸出模塊I/O配置

2個(gè)高精度位移傳感器輸出電流信號通過EM231的AI1+和AI3+端口返送給PLC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制，同時(shí)將該反饋信號輸入模擬量模塊EM232供上位機(jī)數(shù)據(jù)采集。

在原系統(tǒng)未加EM232模擬量模塊之前，反饋信號既通過EM231返送給PLC實(shí)現(xiàn)PID控制，又通過并接方式直接給上位機(jī)提供數(shù)據(jù)采集(如圖3所示)，通過測試，這種連接方式下系統(tǒng)輸出正弦波受相互影響干擾較大，毛刺較多，故系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)展了EM232AQ4×12Bit模擬量輸出模塊，通過其光電隔離利用模塊及高速輸入濾波功能，很好地抑制了干擾，同時(shí)12位的轉(zhuǎn)換精度完全滿足了精度要求，EM232模擬量模塊配置如圖4所示。

圖3 EM231端口配置

圖4 EM232端口配置

2.4 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及航空插頭端口配置

由于搖擺臺控制箱與臺體的傳感器與步進(jìn)電機(jī)距離較遠(yuǎn)，故兩者之間均采用航空插頭連接，輸出控制信息及輸入反饋信息，其端口配置如表1所示，線號與以上原理圖一致。

表1 航空插頭XJ3和XJ4端口配置

3 系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序

在主程序中，包含了初始化(initial)、Modbus、滾轉(zhuǎn)操作、俯偏操作、平滑過渡(smooth)和俯偏滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)(包含PID控制)等程序模塊。程序如圖5所示。

圖5 主程序

3.2 PID控制程序

系統(tǒng)由于一開始數(shù)據(jù)采集直接取自信號反饋端，但由于干擾的原因，造成輸出正弦波形毛刺太多，誤差較大，故本系統(tǒng)PID控制采用了改進(jìn)型積分分離算法，減小了信號傳輸過程因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造成的超調(diào)量，也改善了動(dòng)態(tài)特性，其程序如圖 6所示［1，5］。

3.3 搖擺臺正弦波程序

利用PLC中的SIN指令，產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的正弦波，以擺臺俯偏動(dòng)作為例，正弦波產(chǎn)生程序如圖7所示。

3.4 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)細(xì)分控制程序

由于一方面在極端溫度(尤其是在低溫-40℃)下機(jī)械部件之間潤滑油粘稠度增加，若按初始設(shè)定功率和扭矩會(huì)造成所需扭矩不足，易卡死;另外一方面在搖擺臺帶上航行器配重負(fù)載啟動(dòng)的一瞬間運(yùn)行不暢并伴有異聲，故在PLC程序中加入了啟動(dòng)細(xì)分控制程序，將俯偏程序中目標(biāo)位移增量從正常運(yùn)行時(shí)的0.2mm減少到啟動(dòng)時(shí)的0.01mm，通過增大扭矩，減小啟動(dòng)速度，很好地解決了上述問題，如圖8為俯偏細(xì)分控制程序。

4 系統(tǒng)組態(tài)及上位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 組態(tài)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過MCGS組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)搖擺臺手動(dòng)控制，其功能有滾轉(zhuǎn)啟停、俯偏啟停，滾轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置、擺動(dòng)參數(shù)設(shè)置、俯偏點(diǎn)動(dòng)及連續(xù)控制、滾轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)及連續(xù)控制，與PLC采用RS232通訊，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式采用偶校驗(yàn)，其人機(jī)界面如圖9所示［6］。

4.2 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)搖擺臺自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)及采集測試參數(shù)，以及遠(yuǎn)程控制搖擺臺滾轉(zhuǎn)和擺動(dòng)動(dòng)作。其上位機(jī)界面包含了“搖擺臺測試”、“俯偏補(bǔ)償”、“俯偏加速度回路”、“俯偏加速度模擬”、“俯偏穩(wěn)定”、“俯偏限幅”、“自適應(yīng)調(diào)參”、“最大舵偏角測試”和“報(bào)表打印”等9個(gè)界面，如圖10為搖擺臺測試主界面和俯偏穩(wěn)定回路測試界面［7］。

圖6 PID控制程序

主界面上位機(jī)程序?yàn)?

俯偏穩(wěn)定回路上位機(jī)程序?yàn)?'發(fā)射后2秒前'Ulg=1

圖7 俯偏動(dòng)作正弦波程序模塊

圖8 俯偏細(xì)分啟動(dòng)控制程序

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)結(jié)合控制艙的測試要求，利用S7-200 226控制兩路步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的擺動(dòng)和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在加載同等重量及重心的負(fù)載后，通過高溫點(diǎn)火試驗(yàn)，可得到表2(其為高溫測試的局部數(shù)據(jù))測試數(shù)據(jù)，從實(shí)測數(shù)據(jù)可看出各項(xiàng)參數(shù)均滿足了測試要求［8］。

圖9 搖擺臺組態(tài)界面

圖10 上位機(jī)測試主界面及穩(wěn)偏回路測試界面

表2 高溫測試數(shù)據(jù)

圖11 低溫?cái)[動(dòng)和滾轉(zhuǎn)測試曲線

同時(shí)在低溫(連續(xù)在-40℃下凍結(jié)4h)試驗(yàn)，系統(tǒng)機(jī)械和電氣部分運(yùn)行順暢，穩(wěn)定，隨機(jī)在4s內(nèi)連續(xù)采集20000個(gè)數(shù)據(jù)(4個(gè)周期)，通過啟動(dòng)細(xì)分，可看出曲線正弦波輸出且平滑無毛刺，如圖11所示，完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

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