伺服控制电流信号检测技术研究

李宏亮 张清勇 吝继锋

摘  要：飞机结构静力/疲劳试验主要由加载控制系统、液压伺服系统、传感器等部分组成，控制系统输出的阀指令为电流信号，因此称之为伺服控制电流信号，在试验或调试过程中，因人为或意外等原因导致控制系统输出的伺服控制电流信号出现误差、中断、反向等故障，目前是通过交叉排除方式进行排查，即交叉更换伺服控制线缆、伺服阀、控制通道等一一进行排查，高利娃等研制了伺服阀检测灯，但是采用这种方法检测只能检测伺服阀线缆通断以及阀电流极性，无法精确地检测到伺服电流信号的大小，以及流经线缆时的损耗。文章针对以上问题设计了伺服控制电流检测装置，该装置根据控制系统的功率、信号输出范围、传输方式等特点，选择合适的转接插头、航空插座、开关、微型电流表等部件，通过合理的逻辑布局组合实现伺服控制电流的检测，最后通过功能验证以及试验应用表明伺服控制电流信号检测装置设计合理，检测结果准确、可靠、使用安全，大大地降低了试验调试与运行中的排故时间，使试验运行效率大幅度提高。

关键词：控制系统;伺服阀;电流信号;效率

中图分类号：V216    文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）07-0151-04

Abstract： The static/fatigue test of aircraft structure is mainly composed of loading control system， hydraulic servo system， sensor and so on. the valve instruction output by the control system is a current signal， so it is called servo control current signal. In the process of test or debugging， due to human or accident， the servo control current signal output by the control system has some faults， such as error， interruption， reverse and so on. at present， it is checked by means of cross elimination. That is to say， the servo control cable， servo valve， control channel and so on are cross-replaced one by one， and Gao Liwa et al have developed a servo valve detection lamp， but this method can only detect the on-off of the servo valve cable and the polarity of the valve current. It is impossible to accurately detect the size of the servo current signal and the loss when flowing through the cable. In order to solve the above problems， a servo control current detection device is designed in this paper. According to the characteristics of the control system， such as power， signal output range， transmission mode and so on， the device selects suitable components such as transfer plug， aviation socket， switch， micro ammeter and so on. The detection of servo control current is realized by reasonable logical layout combination. Finally， the functional verification and experimental application show that the design of servo control current signal detection device is reasonable， and the detection results are accurate， reliable and safe to use. The troubleshooting time in test debugging and operation is greatly reduced， and the efficiency of test operation is greatly improved.

Keywords： control system; servo valve; current signal; efficiency

引言

飛机结构静力/疲劳试验是模拟飞机在实际飞行和地面滑行时的不同状态下施加载荷，用以检验飞机结构强度是否满足设计要求的一种试验方法，是飞机研制过程中不可缺少的重要环节。通常，结构静力/疲劳试验主要由主控计算机、试验载荷谱、加载控制系统、液压伺服系统、载荷/位移传感器、应变测量系统、结构试验件等部分组成[1]。主控计算机按照编制好的试验载荷谱对加载控制系统发出控制命令，加载控制系统驱动液压伺服系统对试验件进行加载，由应变测量系统对试验件上的应变数据进行采集和保存。加载控制系统采用PID调节方式实现载荷控制、位移控制等多种变量进行控制。

随着型号试验的加载点越来越多，使用到的控制通道也随之增加，在试验调试和运行过程中控制回路的传感器、传感器线缆、伺服阀、伺服阀线缆因转接、线路中断等故障导致试验调试速率减慢，疲劳试验运行效率降低，传感器输入信号在协调加载控制设备中可通过载荷反馈直接判定其故障出处，伺服阀输出信号控制设备无法监视及检测其传输过程是否受到干扰或中断等信号输出故障，以往检测伺服阀输出信号时采用交叉更换或红绿发光二极管进行检测，采用交叉更换方法往往需要耗费较多时间和物力，而红绿发光二极管只能检测伺服阀线缆通断以及阀电流极性，无法检测到伺服电流信号流经线缆时是否有损失，即信号强弱无法检测[2]。如因线缆本身、外界环境等因素导致信号传递减弱，如若不能及时排查发现，将会对试验造成一定的影响。

传统的这种检测方法有提升的空间，可以将检测信号灯设计成可视化的电子信号检测器，使用时能够一目了然地看到实时传递的伺服电流输出信号，以此来判断伺服阀电流传输的准确性。本文对伺服阀信号故障进行分析与研究并设计了伺服控制电流型号检测装置，当控制设备给出阀指令而现场液压作动筒动作与命令不匹配时可快速检测阀输出电流信号，判定伺服电流信号是否存在故障，出现信号被干扰或中断等问题，以此提高试验加载的准确性和高效性。

1 基本原理

结构强度试验控制回路如图1所示，从图中可以看出伺服控制电流信号故障检测点共①②③三处，即协调加载控制系统输出端、转接面板输出端、伺服阀线缆接头处。为达到检测目的需设计一种可视化电流信号检测器，能够检测不同接口的伺服控制电流信号。因控制系统输出信号为电流型伺服控制信号，信号输出范围是-40mA～40mA[3]，可利用微型可视化数字直流电流表、信号转换接头、电源、信号开关、航空插头（检测①②处输出信号）、航空插座（检测③处输出信号）等组成伺服控制电流信号检测装置，通过插头对接的方式检测伺服控制电流的大小，以此快速判断伺服电流控制信号线缆通断、阀电流的方向与极性，且具备实时显示功能。

2 设计方案

伺服控制电流输出信号的连接方式如图2。从图中可以看出伺服阀与控制系统通过伺服阀线缆与转接面板相连接[4]。连接方式是：协调加载控制系统→控制系统输出接头→转接面板接头→伺服阀线缆插头→伺服阀，伺服控制电流信号检测装置要检测的是控制系统输出端和转接面板输出端的B、E接头，以及伺服阀对接口输出端的A、B或C、D接头，根据设计原理及试验需求，选用微型直流电流表（电流表经专业机构标检，型号为DC200mA DC 9-12V）检测电流信号，根据实际使用的转接插头类型，将伺服控制电流信号检测装置的检测接头分为两种，一种是MS3106A16S-8P型五芯插头用以检测控制系统输出端和转接面板输出端的B、E，另一中是MS3102A14S-2P型四芯插座用以检测伺服阀对接口输出端的A、B或C、D。

伺服控制电流信号检测装置设计框图如图3所示，伺服控制電流信号检测装置与被检测接头对接方式如图4所示，当需要检测控制系统的伺服信号输出和转接面板伺服信号输出时，将示意图中的五芯插头插到对应插座上，读取阀电流信号，当需要检测伺服阀线缆信号输出时，将伺服阀线缆插头插到示意图中的四芯插座上，读取阀电流信号，以此来判断阀电流输出是否正确。

具体检测方法为：当控制系统输出正向伺服控制电流信号时，电流表显示阀电流为正值，当控制系统输出负向伺服控制电流信号时，电流表显示电流为负值。以此判断伺服控制电流信号极性是否正确，即线缆输出接头顺序是否正确。

当伺服控制回路不通或短路时，电流表显示值为0。

当控制系统输出正向伺服控制电流信号时，电流表显示电流为正值且其值接近控制设备的理论输出值，当控制系统输出负向伺服控制电流信号时，电流表显示电流为负值其值接近控制设备的理论输出值[5]。如果电流表显示电流值与理论值相差较大或显示阀电流方向相反则表明伺服控制输出回路有故障。

3 功能验证与应用

3.1 功能验证

根据设计方案组成伺服控制电流信号检测装置实物图如图5所示，通过对图6中的控制系统输出端、转接面板及伺服阀线缆接头进行功能验证，结合控制设备通道配置测试了以下五种情况，结果见表1、表2及图7所示。

从表1结果中可以看出断开输出信号与短接输出信号时结果均为0mA，表明该通道伺服控制电流信号在传输过程中已断开或短路[6]。

表2表明该通道的伺服控制电流输出信号稳定，线路传输基本无损耗。

3.2 试验应用

飞机结构强度静力/疲劳试验目前主要采用的是伺服控制系统，伺服控制信号导致的故障均可以使用该装置进行检测，例如在某型号的全机疲劳试验运行中，5#加载点在给出指令时液压作动筒未按指令进行动作，经检查传感器信号反馈、液压动力[7]、信号线缆等均正常，使用伺服控制电流信号从伺服阀线缆接头分段检测时发现该伺服阀线缆内部已被压断，外表无明显变化，该装置快速的排查了故障出处，并进行更换线缆，试验快速正常运行，在某型号静力试验调试时，控制系统给出16#加载点正指令，现场对应作动筒向相反方向动作，经检测后发现伺服控制信号接头反接导致。

4 结果

该装置在检测过程中主要针对目前所使用伺服阀检测灯的不足，通过新的方法与思路设计伺服控制电流检测装置，通过功能测试与应用表明该装置测试结果准确，其可视化功能具有直接显示伺服控制电流信号大小的优点，可快速定位故障原因与出处，在应用中能快速排查故障，提高了试验的运行效率。

5 结论

在实际工作中，伺服控制电流信号检测装置应用非常广泛有效，特别适用于加载点较多的试验调试过程中，有效的提高了试验调试效率，为后续正式试验提供了更多的宝贵时间，因此从该装置的设计、功能验证以及应用可以得出以下结论：（1）伺服控制电流检测装置操作简便，电路设计符合应用原理且电子元器件使用少。（2）可直接输出检测伺服控制电流信号的极性方向以及大小，具有可视化的优点。（3）快速检测故障位置且定位准确。（4）检测结果准确可靠，稳定性强，在伺服控制系统的结构强度静力/疲劳试验中可广泛使用。

参考文献：

[1]李健，赵俊杰.结构疲劳试验控制系统关键技术[J].测控技术，2013，32（12）：83-86.

[2]黄德先.过程控制系统[M].清华大学出版社，2011.

[3]MTS System Corporation. MTS Fatigue Testing Solutions[Z]. 2011.

[4]MTS System Corporation. Aerospace Testing Solutions[Z]. 2012.

[5]周德新，等.飞行参数在线自动监测技术的研究[J].计算机测量与制，2015（23）：2689-2691.

[6]卢京潮.自动控制原理[M].西北工业大学出版社，2004.

[7]楼锡银.液压传动及控制技术[M].浙江大学出版社，2012.