某超聲速風洞噴管控制系統的設計與應用研究論文
0 引 言
某超聲速風洞是我國自行設計及建造的大型暫沖、下吹、引射式、增壓型超聲速風洞，是我國先進超聲速飛行器研制的理想地面試驗模擬平臺。
噴管是保證風洞模型試驗區獲得設計馬赫數的均勻氣流的重要部件，其控制精度對試驗流場品質有決定性的影響，噴管結構如圖1所示。噴管采用二元多支點全撓性噴管壁，撓性板背氣流面布置了許多鉸鏈支撐點并與其相應的執行機構(節點)相連。
噴管控制系統工作原理為通過交流伺服驅動系統，控制執行機構的定位螺母運動到指定位置，實現系統的預定位。定位完成后,通過控制液壓系統與換向閥，驅動執行機構運動，同步調節撓性板的彎曲形狀，使噴管型面與定位螺母的預定位置相吻合而得到不同馬赫數的噴管型面。然后將撓板用高壓頂緊，確保在吹風過程中型面不變。
1 系統硬件結構
噴管控制系統主要任務是實現噴管型面控制，機構運行安全聯鎖與控制數據處理。系統采用電氣—機械—液壓系統控制方式，由一臺專用噴管型面工控機統一協調控制，根據給定馬赫數計算型面定位參數，通過網絡向PMAC控制器下達指令，利用交流伺服驅動系統實現定位螺母機械定位;通過MPI/DP總線通信向PLC發送控制指令，實現噴管型面的低壓成型與高壓鎖緊;通過網絡交換機與上位機通信，將噴管控制子系統納入到風洞安全監控系統中，滿足風洞試驗需求。
1.1 定位螺母控制系統
噴管控制系統定位螺母驅動控制采用美國DELTA TAU公司的PMAC控制安川交流伺服系統來實現定位，并通過25位的多圈式絕對光電編碼器來間接測量得到其位置反饋信息。
1.1.1硬件結構
PMAC是美國DELTA TAU公司開發的開放式多軸運動控制器，它提供運動控制、離散控制、內務處理、同主機的交互等數控基本功能，PMAC具有開放的開發平臺，支持多種編程語言，它能夠對存儲在內部的'程序進行單獨運算，執行控制程序、PLC程序，并可進行伺服控制更新。
定位螺母控制系統由PMAC控制器、伺服控制系統、蝸輪蝸桿減速機構和多圈式絕對光電編碼器組成，其控制原理如圖3所示。該系統是一個雙閉環控制系統：內環由交流伺服控制器、交流伺服電機和增量編碼器組成，安川交流伺服控制器計算出螺母到位所需電機轉動的圈數并控制伺服電機轉動，通過增量編碼器將測得的電機轉動圈數反饋給伺服控制器;外環由PMAC位置控制卡、交流伺服控制系統、蝸輪蝸桿減速機構和絕對編碼器組成，交流伺服系統拖動蝸輪蝸桿減速機構使絲桿轉動，進而使得定位螺母運動，多圈式絕對光電編碼器通過計算編碼器轉動圈數與蝸輪蝸桿每圈位移行程關系來間接測量定位螺母的行程，并反饋給PMAC控制卡。
1.1.2 精度分析
根據位置控制算法，每個節點蝸輪蝸桿帶動絲桿最大行程在25-1440mm之間，對應的編碼器轉數在5-288轉之間。系統采用德國HEIDENHAIN公司的ROQ425絕對型多圈編碼器可連續轉4096圈，每圈8192線。
1.2 噴管型面控制系統
噴管型面控制系統采用西門子S7-300 PLC作為噴管型面控制系統核心控制PLC，其具有適應性強、處理速度高、應用靈活、擴展自由等特點。此外，采用西門子公司提供的軟件，很容易在上位機用WINCC或CVI開發的軟件實現對PLC寄存器讀/寫操作，從而實現PLC運行控制。
噴管型面控制系統采用高壓泵、低壓泵雙油泵為執行機構提供動力，控制原理如圖4所示。油泵的啟閉由PLC數字量輸出模塊DO1控制，DO1輸出開關量轉化為繼電器所需的電壓信號，繼電器觸點控制電機啟動器，實現循環泵、油泵的開關。電磁換向閥采取冗余控制，PLC數字量輸出模塊DO2輸出開關信號激勵繼電器觸點，控制電磁換向閥換向，實現型面的成型與回零。油缸流量通過比例溢流閥和比例減壓閥來調節,電磁比例閥根據PLC模擬量輸出模塊(AO)輸出電壓值大小調節閥后壓力，實現型面的成型(回零)與鎖緊。PLC模擬量輸入模塊AI將液位、壓力和溫度傳感器采集的電流值通過A/D模塊轉化為數字量，用于監視油源的重要參數。PLC數字量輸入模塊DI用于液壓系統的油源電機起停與輔助狀態、油缸到位狀態的采集。PLC的CPU集成了2個通訊接口：MPI接口和PROFIBUS-DP接口，其中MPI接口用于PLC與上位機的通訊，PROFIBUS-DP用于連接油源控制人機界面。
1.3 通信系統
噴管控制系統采用星型拓撲結構，工控機作為系統結構核心通過網絡實現與定位螺母控制系統和上位監控計算機的通信，通過MPI接口實現與噴管型面控制系統的通信。
工控機通過西門子網絡交換機連接UMAC運動控制器(含以太網接口)組成以太網網絡，分別設置上UMAC與下UMAC的IP地址與設備號，并下發到UMAC中;同時工控機與測控間通訊采用以太網C/S模式結構，本系統為服務器，測控間為客戶端，定時讀取本系統的數據與狀態信息，當網絡處于聯接狀態時，工控機定時向風洞運行監控系統發送系統狀態數據。工控機機箱內置西門子CP5611通信卡，使用MPI總線與PLCS7-300通信，工控機通過MPI讀取PLC中的DB數據塊數據。PLC通過Profibus-DP總線與人機界面相連接，設置PLC主站的Profibus-DP地址和人機界面從站的Profibus-DP地址，實現人機界面與PLC之間的通訊。
2 系統軟件設計
噴管控制系統人機交互軟件基于NI公司的Labwindows/CVI平臺研制和開發。Labwindows/CVI是交互式C語言的圖形化開發語言環境，它集成了圖形化編程方式的高性能與靈活性，交互式編程方法，以及專為測試測量與自動化控制應用設計的高性能模塊及其配置功能，在測控領域受到廣泛關注和應用。
根據定位螺母控制和噴管成型不同功能劃分，分別設計程序代碼和操作界面，再通過主程序對其調用完成相應功能。
2.1 主程序設計
軟件主程序負責完成對各子系統的調用和狀態監視，其界面如圖6所示。噴管控制軟件采用遞進層級結構，相關功能模塊程序在滿足前置條件時才能做出響應，并在發生誤操作時不予響應或給出提示。
在軟件主程序中，首先是進行初始化操作。主程序設置一個定時器函數定時讀取控制系統設備信號和狀態信息，并以此作為相關變量賦值和設備運動控制的依據。各功能模塊采用回調函數的形式對滿足前置條件的激勵做出響應，其程序結構相對單一和獨立。
2.2 定位螺母控制程序設計
根據定位螺母運動控制特點，編寫上、下機構聯動和單動控制程序，實現執行機構的聯動操作和每個節點的單獨控制。聯動控制分別對上(下)軸同時進行位置定位控制。首先判斷輸入數據的有效性，根據位置長度計算運行速度。
2.3 噴管型面控制程序設計
噴管型面控制程序包括型面成型(回零)與鎖緊控制和油源控制兩部分。通過控件調用回調函數，在主程序定時器內給函數變量賦值，實現油泵電機啟閉、比例閥壓力值給定、型面成型(回零)和鎖緊等操作。程序在運行中設置軟件限位控制，當成型壓力超過限位值時，程序發出停止成型指令，切斷換向閥，防止壓力過沖造成撓板局部畸變而損壞撓板。當成型到位后，如果壓力超過成型壓力限位值則程序轉入鎖緊階段，同樣設置鎖緊限位值，超過軟件限位值時切斷換向閥;在試驗過程中，為適應氣流沖擊反作用引起的壓力波動，設置一個鎖緊的冗余回路，定義試驗時的軟件上下限位值，與正常鎖緊通道共同保證吹風時設備安全。
3 結束語
噴管控制系統研制完成后，先后完成噴管動態調試、流場校測、標模試驗等。試驗驗證了噴管控制系統定位螺母定位精確，噴管型面成型同步安全，通信系統實時可靠，人機交互直觀簡潔，實現了系統設計指標，對高質高效地完成風洞試驗提供了有力的支撐，對風洞流場品質達到世界先進水平發揮了關鍵作用。
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