基于嵌入式技術的風洞模擬測控系統設計

斯仁圖雅

(1.錫林郭勒職業學院 ，內蒙古 錫林郭勒盟 026000； 2.內蒙古師范大學， 呼和浩特 010022)

0 引言

通過大迎角風洞試驗，了解和測試飛機部件模型或飛機整體模型在風壓下的性能。風洞穴是指通過已知風速的空隙氣流，來測定風洞內物體所受的風壓[1]。將模型放入風洞中，用電機驅動，改變模型的空間位置，通過調整位置進行風壓試驗，得到模型在風壓下的性能[2]。傳統的風洞測控系統由于信號電路復雜，使得風洞試驗中最關鍵的模擬信號極易受到干擾，測量精度低，對專用測控系統的依賴程度高，可靠性低，由于研發費用高，操作和移植性差，導致風洞測控系統的可靠性、速度和精度出現瓶頸[3]。

以往系統設計和開發都是采用虛擬儀器技術，該技術主要是基于計算機及所需的電路板等外設完成計算機測試控制系統。通過改變飛行器模型的空間位置，系統達到了測試的要求[4]。盡管本系統的測試效果良好，但易受測試點的影響，導致風洞模擬結果準確性較差，從而導致控制效果較差。針對這一問題，提出了基于嵌入式技術設計風洞模擬測控系統的方法。風洞測控系統采用嵌入式技術，正好適應風洞測控對象分散的特點，可以充分發揮嵌入式系統的抗干擾能力。

1 系統總體架構

該系統主要應用于風洞試驗中，其本質與一般工業測控系統相同，當前主流的風洞測控系統主要包括分布式測控系統和分布式控制系統[5]。一般來說，風洞體積較大，測量對象分散。基于VXI、 PXI和現場總線技術的分布式風洞測控系統是近年來發展起來的一個研究熱點[6]。圖1中顯示了該系統的總體架構。

圖1 系統總體架構

由圖1可知，分布式風洞測控系統的處理層和調整層的大部分功能都嵌入了執行層的設備和機構中。處理層負責采集風洞測試數據，監控層對系統運行狀態進行監控，調理層對風洞數據進行信號調制，便于信號的傳輸和接收，執行層包括風扇執行機構及驅動器、姿態角機構及驅動器，可實現風洞模擬測控系統的實際工作運行。各智能單元通過某種標準的現場總線連接，利用現場總線技術實現實時、雙向數據通信，還可以與監控層的監控計算機進行通信[7]。

2 風洞模擬測控系統硬件設計

風洞模擬測控系統硬件主要包括總線設計、驅動器模塊、開關控制模塊、分布嵌入式測控模塊設計及印刷電路板PCB設計。采用CAN總線保證風洞現場總線傳輸速度，設計伺服驅動電機控制飛機模型的空間位置，采用FPGA控制開關的驅動電路，提升控制響應速度。基于以太網設計分布式嵌入式測控系統，自主完成風洞測控功能。最后對印刷電路板PCB進行設計，提升PCB的抗干擾能力，保證風洞模擬測控系統對系穩定性和實時性。

2.1 總線設計

在風洞試驗裝置中，試驗段馬赫數、總壓等參數的測量和執行機構離這些參數的控制很遠，需要及時、快速地傳遞數據，因此要求風洞現場總線傳輸速度快、距離遠[8-9]。采用以太網作為現場設備之間的通訊網絡平臺，采用CAN總線，作為現場總線技術，其總線驅動器PCA82C250能夠為總線提供差分傳輸及差分接收功能。它可以在兩條具有差分電壓的總線上以高達1 Mbps的比特率傳輸數據，并且該總線可以連接110個節點。其高效傳輸性能避免了現場總線技術與計算機網絡技術的脫節，可將風洞現場總線技術與傳統網絡技術相結合，提升通訊性能。同步和觸發是嵌入式測試系統中的一個重要問題，它能保證多臺測試設備的協同工作，保證測試數據的可靠性。根據IEEE1588標準，同步和觸發分辨率測試系統可以達到10 ns左右[10]。

2.2 驅動器模塊

飛行器模型是風洞試驗控制系統的控制對象，它由伺服電機控制。伺服器從伺服器驅動器接收指令，并把這些指令連接到伺服器。它由工控箱、運動控制卡、顯示、打印及其它外圍設備組成[11]。本系統采用運動控制卡控制系統，為控制系統的應用軟件提供操作平臺。編碼傳感器連接到飛行器模型上，獲得飛行器模型的實際位置，將數字信號反饋給運動控制卡[12]。采用兩個伺服電機，利用光碼傳感器裝置控制和測量飛機模型在兩個垂直面上的擺動角度，來控制飛機模型的空間位置。

2.3 開關控制模塊

開關控制模塊負責開關控制泵，電磁閥，冷盤，通過輸出高能量和低能量信號實現對開關的控制。三相交流功率為380 V，電磁閥和冷板運行功率為24 VDC，說明AT91RM9200不能直接驅動該裝置[13-15]。采用FPGA控制開關的驅動電路，通過該集成電路可以簡化接口，提升控制響應速度。

2.4 分布嵌入式測控模塊設計

分布式嵌入式測控系統將傳統測控系統的3個節點分別為風洞運行參數節點、風洞運行狀態節點和風洞數據采集節點，嵌入到測控設備和執行機構中。通過Internet連接3個智能節點，與主機通信[16-17]。分布嵌入式測控模塊如圖2所示。

圖2 分布嵌入式測控模塊

基于以太網的分布式嵌入式測控系統由智能單元、系統監控單元和以太網構成。各智能單元基本相同，由以太網單元控制器和相應的處理信道模塊組成，通過不同的硬件處理信道模塊及相應的單元軟件，實現各智能單元的不同功能；各智能單元控制器負責本地計算和處理，并與網絡通信。單元控制器和單元內部處理通道模塊采用嵌入式實時操作系統，既能保證單元模塊的內部性能，又能充分發揮以太網實時總線的優勢。各單位可通過網絡進行雙向通信，或與監控機進行通信，整個系統可由系統監控機控制，各智能單位無需上位機參與就能自主完成風洞測控功能[18-20]。

2.5 印刷電路板PCB設計

風洞模擬測控系統對系統穩定性和實時性的要求很高，所以在具體實現時要特別注意 PCB的抗干擾能力。此外，由于系統具有高精度的 A/D、 D/A轉換電路和各種類型的差分信號對，因此必須保證系統信號的完整性。在設計過程中充分考慮了疊層設計、布局布置和系統布線。

2.5.1 疊層設計

由于系統尺寸要求清晰，芯片密度高，布線緊湊，系統時鐘為72 mHz，因此需要按照5/5規則設計多層電路板。多層 PCB設計的主要工作是確定 PCB的每一層布局。系統的工作頻率、接線數量和費用都必須考慮。在電性方面，需要綜合考慮時序、信號完整性和電磁兼容性等因素對系統性能的影響。

合理的設計可以提高產品的性能。在多層 PCB設計中，首先要確定線路板的布線層數和功率層數。增加接線密度可以減少接線層數，而線路密度過高也會引起信號間串擾的增加，從而影響最大的接線力。串擾通過影響信號的時序和接收電路的噪聲容限來影響電路的正常工作。另外，如果傳輸線承受的電流過大，導線之間可能會發生擊穿。線密法測量線路板的成本，估算串擾的影響，從而確定布線層的層數。

2.5.2 疊層分配

劃分好等級后，下一步就是對等級進行合理分配。根據以下原則，高速信號層應在電源層附近，而非電源層附近。利用該方法，高速信號層能快速地將高頻干擾信號放入結構中，而靠近電源層時，又能將高頻干擾傳播到電源的其他電路中。能源層應盡量靠近地面，而一般的能源層應盡量靠近地面，以減少噪音。它還可以屏蔽分布在能層處的輻射電流。在此基礎上，圖3給出了系統 PCB的6層結構。

圖3 PCB分層

3 風洞模擬測控系統軟件設計

系統應用軟件由顯示模塊、控制模塊和硬件設置模塊組成，通過硬件接口接收傳感器雙軸迎角、轉速等信號，并在控制面板上顯示數值。本系統由靜力測試部分、吹風測試部分和整體控制部分組成，根據控制要求，采集控制信號，通過運動控制卡將控制信號發送給伺服電機。

3.1 不同湍流特征脈動風場嵌入模擬

1)采用頂部單扇風機吸氣、底部單扇風機吹氣和關閉排風裝置的方法模擬龍卷風風場；

2)上單風扇，下單風扇，排氣裝置關閉。從塔頂進入塔底的氣流，從而實現下風量場的模擬；

3)采用旋風驅動頂上單扇風機俯仰旋轉，使龍卷柱產生扭曲變形，從而實現龍卷場的自然扭曲模擬；

4)第二級旋轉器驅動軸向的第一個底單風扇，在水平和垂直方向上擺動，并調整噴射入射風角流入區域的第一個底單風扇，以便調整渦流的風場，從而使之大于龍卷風和下擊暴流；

5)在此基礎上，利用傳統的多扇風機陣列風洞對正常風場和脈動風場進行模擬，通過控制二底單扇風機的脈動參數，對具有不同紊流特征脈動風場進行模擬。

這個風洞是由單扇頂部，第一個底部和第二個底部單風扇組成，單扇可以俯仰旋轉，模擬龍卷風和下擊風場龍卷風失真和可變渦流比例，并與第二個底部單風扇的軸向波動和垂直方向有關。

3.2 總體控制流程

數字 PID與模擬 PID相比具有更大的靈活性，可根據控制系統的不同而有所改進。比如，在普通數字 PID中，為消除穩態殘差而引入的積分環節，在系統啟動時會輸出較大的偏差，使設定值有很大的增減，累積的積分作用會產生很大的超調甚至振蕩。為消除穩態殘差，積分函數必須保持不變。

針對積分過程中存在的過度調整問題，提出了積分分離 PID算法。積分 PID是一種消除或降低輸出值與設定值偏差較大時對積分的作用，避免積分過多。當輸出接近設定值時，引入積分來消除穩態誤差，提高了控制精度。下面是具體的步驟。

首先，根據情況預設閾值α：

1)當偏差值較大時，即|f(x)|>α，取消積分控制，可避免過調過大，同時系統響應速度也較快；

2)當偏差值較小時，即|f(x)|≤α，加入積分控制，以保證系模擬精度；

PID控制程序流程，如圖4所示。

圖4 PID控制程序流程

4 系統測試

為了驗證基于嵌入式技術的風洞模擬測控系統設計合理性，進行系統測試。風洞模擬測控系統現場圖如圖5所示。

圖5 風洞模擬測控系統現場圖

4.1 測試裝置設置

風扇陣列風洞結構示意圖如圖6所示。

圖6 風扇陣列風洞結構示意圖

風塔頂部設有收容頂部單風扇開口，在該開口中，頂部單風扇對風塔內部吹氣或者吸氣，并在開口兩側設置驅動頂部單風扇轉動第一裝置。在單風扇最下端沿著風塔周圍形成一圈排列的風扇，風扇位于風塔一側，而風塔另一側設有與第二底部單風扇相對應排氣裝置。

4.2 測試結果與分析

以航天器在空中運行為基礎，采集風洞模擬系統當前實際轉速，計算控制精度。結果如表1所示。

表1 風洞模擬測控系統轉速控制精度

分析表1可知，基于嵌入式技術的風洞模擬測控系統對轉速的控制精度平均值為99%，證明了該系統的控制精度較好。

在此基礎上，分別使用虛擬儀器技術和嵌入式技術對風洞模擬測控系統的控制效果對比分析。在靜風和吹風狀態下，測試兩種技術的控制精度。

4.2.1 靜風狀態

在靜風狀態下，分別使用兩種技術對系統控制效果進行對比分析，對比結果如圖7所示。

圖7 靜風狀態下兩種技術控制效果對比分析

由圖7可知，使用虛擬儀器技術控制的航天器運動軌跡與實際情況不一致，A點、D點均與實際距離相差0.2 cm；B點、C點均與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.2 cm。而使用嵌入式技術控制的航天器運動軌跡與實際情況基本一致，最大誤差為0.01 cm。

4.2.2 吹風狀態

在吹風狀態下，分別使用兩種技術對系統控制效果進行對比分析，對比結果如圖8所示。

圖8 吹風狀態下兩種技術控制效果對比分析

由圖8可知，使用虛擬儀器技術控制的航天器運動軌跡與實際情況不一致，A點與實際距離相差0.2 cm；B點與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.2 cm；C點與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.21 cm；D點與實際距離橫向相差0.2 cm，縱向相差0.6 cm；E點與實際距離相差0.6 cm。使用嵌入式技術與實際距離橫向最大相差0.01 cm，縱向相差0.01 cm。

通過上述對比內容可知，使用嵌入式技術設計風洞模擬測控系統，系統在靜風狀態和吹風狀態下的控制誤差均較小，控制效果較好。由于嵌入技術本身的優勢，使得它在風洞測控領域得到了迅速的發展。嵌入式組件廣泛應用于風洞運行狀態控制、風洞數據采集等領域，本系統采用嵌入式控制方式，有效地解決了強干擾環境下控制效果差的問題。

5 結束語

本文設計了基于嵌入式技術的風洞模擬測控系統，實驗表明，該系統在靜風狀態和吹風狀態下的控制誤差均較小，在不同的仿真條件下，該系統均取得了較好的控制效果。所設計系統可用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，量度氣流對實體的作用效果，為飛行器研制工作提供一定的技術支持。

盡管系統的各項指標都達到了設計要求，但各項指標還無法達到最優，為此需要進一步進行優化設計。基于 PID控制算法實現測控 PID，再進行優化，部分控制點采用模糊 PID控制，增強PID控制環境的適應性，是一種更有效優化方法。