超聲速風洞模型插入機構(gòu)控制系統(tǒng)設計

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速所，四川 綿陽 621000)

顫振是在飛機、導彈等飛行器飛行中飛行速壓超過臨界值后出現(xiàn)的一種破壞性的結(jié)構(gòu)振動，它是氣動力、彈性力和慣性力相互作用下的一種自激振動。對于每一種新研制的飛機，都必須在設計階段進行顫振試驗，以確保在飛行包線范圍內(nèi)不出現(xiàn)顫振[1-2]。風洞顫振試驗已成為飛行器顫振研究中的一項重要的工作，可以利用風洞試驗再現(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提供試驗依據(jù)[3]。

超聲速風洞在啟動和關車過程中，會有一道正激波穿過試驗段，對位于其中的試驗模型造成很大的沖擊載荷[4]，沖擊載荷通常比穩(wěn)態(tài)載荷大數(shù)倍，顫振試驗所用的框架填充泡沫-復合材料蒙皮結(jié)構(gòu)的模型無法承受沖擊載荷。因此對于超聲速風洞，顫振試驗模型不能采用常規(guī)的支撐方式，必須設計一套模型保護裝置，以降低風洞啟動、關車過程對模型的沖擊。文獻[3]在FL-23跨超聲速風洞中設計了一套模型投放系統(tǒng)避免沖擊載荷，采用電機驅(qū)動，這種方式適用于行程較短的場合；文獻[5]在FD-07高超聲速風洞中設計了模型保護裝置以避免模型承受沖擊載荷，但這種方式需要針對模型進行設計，普適性不好；文獻[6]在某高超聲速風洞中設計了模型快速插入機構(gòu)將模型送到試驗位置，采用比例閥控制氣液增速缸，通過氮氣驅(qū)動機構(gòu)到達指定位置,這種方式在極短的時間內(nèi)將模型送入試驗位置，不可避免地會對模型造成較大沖擊。結(jié)合風洞實際，采用模型插入方式可以適用不同外形的模型，通用性強，而液壓驅(qū)動具有工作平穩(wěn)、快速準確、驅(qū)動力強的優(yōu)點[7-8]，適合作為系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。

對于確定位置的油缸控制，大多采用普通閥、高速開關閥以及比例閥或電液伺服閥等進行控制[9]。普通閥如電磁換向閥沖擊大，高速開關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構(gòu)的控制要求，而比例閥或者伺服閥具有精度高、響應快、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，因此本文設計了采用液壓伺服控制、油缸驅(qū)動插入機構(gòu)的方式，在風洞流場建立后將模型送入試驗位置，在關車之前將模型收回到駐室內(nèi)，以降低風洞啟動、關車過程對模型的沖擊，取得良好效果。

1 結(jié)構(gòu)設計及控制要求

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

圖1 模型插入機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗模型安裝在模型安裝板上，模型安裝板由液壓油缸推動沿上下四根導軌作直線運動，在靠近風洞側(cè)壁處設置了機械限位擋塊，當模型插入機構(gòu)與機械限位擋塊接觸并鎖緊后，模型安裝板與風洞側(cè)壁平齊。

為節(jié)約風洞試驗耗氣量，要求模型插入機構(gòu)運行快速，平均速度不小于300 mm/s；模型插入機構(gòu)固有頻率應足夠高，以避免影響顫振試驗數(shù)據(jù)的有效性；模型安裝板與側(cè)壁階差小于0.1 mm，以避免對風洞流場產(chǎn)生影響。由于顫振試驗的特殊性，在試驗模型發(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)之后再對風洞進行關車，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法避免模型插入機構(gòu)與機械限位擋塊的碰撞，使試驗模型承受較大的結(jié)構(gòu)振動；如果采用液壓伺服控制，到位后如果有擾動，會一直閉環(huán)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)剛度降低，從而使模型插入機構(gòu)的固有頻率降低，會對顫振試驗數(shù)據(jù)造成影響。根據(jù)控制要求，設計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，使模型插入機構(gòu)定位到機械限位擋塊附近，再輸出控制電壓到高頻響閥使油缸持續(xù)推動模型插入機構(gòu)與機械限位擋塊接觸并鎖緊。這種控制方法可以將試驗模型平穩(wěn)、快速送入風洞流場，同時提高了模型插入機構(gòu)固有頻率[10]。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)以上要求，設計了模型插入機構(gòu)控制系統(tǒng)，其硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件設計

模型插入機構(gòu)控制系統(tǒng)以力士樂公司的數(shù)字式液壓伺服控制器HNC100-3X為核心。HNC100是一個可以對液壓缸進行閉環(huán)控制的可編程控制器，通過以太網(wǎng)接入風洞測控系統(tǒng)網(wǎng)絡，接收來自模型插入機構(gòu)控制計算機的指令并反饋狀態(tài)信息。模型插入機構(gòu)控制計算機與風洞控制系統(tǒng)進行信息交互，完成試驗過程。HNC100控制器根據(jù)模型插入機構(gòu)控制計算機指令，經(jīng)過運算后輸出控制電壓到高頻響閥，推動油缸運動。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，防止在試驗過程中由于系統(tǒng)故障導致模型插入機構(gòu)無法回退到駐室內(nèi)關車的風險發(fā)生，系統(tǒng)設計了三級回零保護措施，即軟件指令回零，硬件緊急回零按鈕回零以及手動按鈕盒回零。當無法通過軟件指令使模型插入機構(gòu)回退到駐室時，按下緊急回零按鈕，HNC100控制器接收到該信號時控制模型插入機構(gòu)回零；如果HNC100控制器出現(xiàn)故障失去控制功能，則通過手動按鈕盒切換到手動控制模式，通過控制與高頻響閥并聯(lián)的換向閥使模型插入機構(gòu)回到駐室，確保模型回到駐室內(nèi)再關車。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

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)具體的控制要求進行配置，而不需要自己設計控制算法。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，到達目標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模塊即可選用相應的控制模式。基于模型插入機構(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)用于設置油缸不同運動方向時的比例增益。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軟件中進行參數(shù)配置，如I/O端口的定義、傳感器類型和相應參數(shù)設置等，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言程序。系統(tǒng)預先定義了多個不同功能的命令，如位置閉環(huán)命令、控制信號輸出命令等，NC程序在需要使用某個功能時調(diào)用該命令，并給定相應參數(shù)即可。NC程序需要實現(xiàn)的功能主要包括試驗伸出、回零以及控制權切換，為方便系統(tǒng)調(diào)試，還設計了定位和定位中止功能。程序流程圖如圖4所示。

NC程序設計成指令查詢執(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)行相應的程序段；如果為假則繼續(xù)查詢下一個指令狀態(tài)。程序正在執(zhí)行某條指令過程中，如果有更高優(yōu)先級指令為真，則停止當前指令，執(zhí)行高優(yōu)先級指令。指令優(yōu)先級由高到低依次為控制權切換、定位中止、緊急回零、試驗伸出、定位，如圖5所示。

圖4 NC程序流程圖

圖5 指令優(yōu)先級

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

G01 X I J F

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

試驗伸出指令包括兩個步驟，先定位，到位后再鎖緊。首先采用G01命令將機構(gòu)定位到機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恒定的電壓值，使模型安裝板始終承受液壓推力，貼緊風洞側(cè)壁。采用的命令是KR命令，其參數(shù)格式為：

KR V RF

其中，KR是命令標識；V 表示輸出的電壓大小；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命令使機構(gòu)定位到指定的初始位置。

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

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

4 試驗結(jié)果

模型插入機構(gòu)控制系統(tǒng)完成硬件集成和軟件開發(fā)后，為驗證系統(tǒng)功能，首先進行地面調(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)先級符合設計要求。軟件回零指令在定位、鎖緊過程中以及到位后均能及時響應執(zhí)行；緊急回零按鈕在正常情況或者以太網(wǎng)中斷時均能使插入機構(gòu)回到零位；手動按鈕盒功能正常，在軟件系統(tǒng)失效情況下能控制插入機構(gòu)回到零位。

在地面調(diào)試完成后，進行了風洞動態(tài)試驗。圖6為試驗全過程中機構(gòu)運動位置曲線；圖7為風洞流場建立后模型插入機構(gòu)接近試驗位置時鎖緊過程的位置曲線。從圖6、圖7可以看出，模型插入機構(gòu)在插入或回零過程中平均速度達到300 mm/s的要求，定位和鎖緊過程運行平穩(wěn)、無超調(diào)，避免了結(jié)構(gòu)沖擊，鎖緊后機構(gòu)位置保持不變。

圖8是某模型顫振試驗測試曲線。圖8中，由上至下:曲線1、曲線2為模型上加速度信號；曲線3為風洞總壓信號；曲線4為總壓穩(wěn)定信號；曲線5為開關車信號，高電平表示關車；曲線6表示速壓。從圖中可以看出，模型插入機構(gòu)完成了顫振試驗過程，在開關車階段模型所受沖擊小，基本可以忽略。試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果一致性好，表明模型插入機構(gòu)功能達到了顫振試驗要求，系統(tǒng)設計、運行是成功的。

圖6 模型插入機構(gòu)試驗位置曲線

圖7 模型插入機構(gòu)鎖緊過程位置曲線

圖8 某模型顫振試驗測試曲線

5 結(jié)束語

模型插入機構(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)運行平穩(wěn)、快速，使模型在送入試驗位置過程中避免了結(jié)構(gòu)振動沖擊的影響，并且不會降低系統(tǒng)的固有頻率。系統(tǒng)設計的軟件回零、硬件回零以及手動控制回零三級保護措施，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)之后再對風洞進行關車，保證了顫振試驗模型的安全。系統(tǒng)研制完成后，已成功應用于風洞試驗，為我國2米量級超聲速風洞顫振試驗平臺的建立奠定了基礎。