超声速风洞模型插入机构控制系统设计
2020-01-08
(中国空气动力研究与发展中心 高速所，四川 绵阳 621000)
颤振是在飞机、导弹等飞行器飞行中飞行速压超过临界值后出现的一种破坏性的结构振动，它是气动力、弹性力和惯性力相互作用下的一种自激振动。对于每一种新研制的飞机，都必须在设计阶段进行颤振试验，以确保在飞行包线范围内不出现颤振[1-2]。风洞颤振试验已成为飞行器颤振研究中的一项重要的工作，可以利用风洞试验再现颤振现象，校核颤振边界，研究颤振特性变化规律，其结果也为飞行颤振试验提供试验依据[3]。
超声速风洞在启动和关车过程中，会有一道正激波穿过试验段，对位于其中的试验模型造成很大的冲击载荷[4]，冲击载荷通常比稳态载荷大数倍，颤振试验所用的框架填充泡沫-复合材料蒙皮结构的模型无法承受冲击载荷。因此对于超声速风洞，颤振试验模型不能采用常规的支撑方式，必须设计一套模型保护装置，以降低风洞启动、关车过程对模型的冲击。文献[3]在FL-23跨超声速风洞中设计了一套模型投放系统避免冲击载荷，采用电机驱动，这种方式适用于行程较短的场合；文献[5]在FD-07高超声速风洞中设计了模型保护装置以避免模型承受冲击载荷，但这种方式需要针对模型进行设计，普适性不好；文献[6]在某高超声速风洞中设计了模型快速插入机构将模型送到试验位置，采用比例阀控制气液增速缸，通过氮气驱动机构到达指定位置,这种方式在极短的时间内将模型送入试验位置，不可避免地会对模型造成较大冲击。结合风洞实际，采用模型插入方式可以适用不同外形的模型，通用性强，而液压驱动具有工作平稳、快速准确、驱动力强的优点[7-8]，适合作为系统的驱动装置。
对于确定位置的油缸控制，大多采用普通阀、高速开关阀以及比例阀或电液伺服阀等进行控制[9]。普通阀如电磁换向阀冲击大，高速开关阀不宜用于大功率系统，它们都不能完全满足模型插入机构的控制要求，而比例阀或者伺服阀具有精度高、响应快、稳定可靠的优点，因此本文设计了采用液压伺服控制、油缸驱动插入机构的方式，在风洞流场建立后将模型送入试验位置，在关车之前将模型收回到驻室内，以降低风洞启动、关车过程对模型的冲击，取得良好效果。
1 结构设计及控制要求
根据结构设计，模型插入机构安装在风洞侧壁，沿垂直于风洞轴线方向水平将模型送入流场均匀区。图1为模型插入机构的结构示意图[10]。
图1 模型插入机构结构示意图
试验模型安装在模型安装板上，模型安装板由液压油缸推动沿上下四根导轨作直线运动，在靠近风洞侧壁处设置了机械限位挡块，当模型插入机构与机械限位挡块接触并锁紧后，模型安装板与风洞侧壁平齐。
为节约风洞试验耗气量，要求模型插入机构运行快速，平均速度不小于300 mm/s；模型插入机构固有频率应足够高，以避免影响颤振试验数据的有效性；模型安装板与侧壁阶差小于0.1 mm，以避免对风洞流场产生影响。由于颤振试验的特殊性，在试验模型发生颤振或者其他异常情况下，必须保证模型收回到驻室内之后再对风洞进行关车，否则极易造成模型损坏。因此，控制系统必须具有高可靠性，使模型插入机构在各种异常情况下都能够快速回到驻室内。
显然，如果采用液压换向阀控制油缸将无法避免模型插入机构与机械限位挡块的碰撞，使试验模型承受较大的结构振动；如果采用液压伺服控制，到位后如果有扰动，会一直闭环调节，系统刚度降低，从而使模型插入机构的固有频率降低，会对颤振试验数据造成影响。根据控制要求，设计了先液压伺服定位再锁紧的控制方案，即用液压高频响阀控制油缸，使模型插入机构定位到机械限位挡块附近，再输出控制电压到高频响阀使油缸持续推动模型插入机构与机械限位挡块接触并锁紧。这种控制方法可以将试验模型平稳、快速送入风洞流场，同时提高了模型插入机构固有频率[10]。
2 控制系统硬件设计
根据以上要求，设计了模型插入机构控制系统，其硬件组成如图2所示。
图2 控制系统硬件设计
模型插入机构控制系统以力士乐公司的数字式液压伺服控制器HNC100-3X为核心。HNC100是一个可以对液压缸进行闭环控制的可编程控制器，通过以太网接入风洞测控系统网络，接收来自模型插入机构控制计算机的指令并反馈状态信息。模型插入机构控制计算机与风洞控制系统进行信息交互，完成试验过程。HNC100控制器根据模型插入机构控制计算机指令，经过运算后输出控制电压到高频响阀，推动油缸运动。油缸位置由内置式磁致伸缩位移传感器反馈。
为保证模型安全，防止在试验过程中由于系统故障导致模型插入机构无法回退到驻室内关车的风险发生，系统设计了三级回零保护措施，即软件指令回零，硬件紧急回零按钮回零以及手动按钮盒回零。当无法通过软件指令使模型插入机构回退到驻室时，按下紧急回零按钮，HNC100控制器接收到该信号时控制模型插入机构回零；如果HNC100控制器出现故障失去控制功能，则通过手动按钮盒切换到手动控制模式，通过控制与高频响阀并联的换向阀使模型插入机构回到驻室，确保模型回到驻室内再关车。
3 控制系统软件设计
HNC100提供了位置控制、压力控制、速度控制等多种控制算法，每种控制算法中的功能模块有多种方法可供选择，用户可根据具体的控制要求进行配置，而不需要自己设计控制算法。其中，位置控制有两种模式，一是伺服控制模式，即始终保持位置闭环控制；二是基于位置的减速控制模式，即先开环控制，到达目标位置附近再切换成位置闭环控制。在HNC100开发环境WINPED软件中激活或禁用相关模块即可选用相应的控制模式。基于模型插入机构的具体控制要求，本文选用位置控制的伺服控制模式，控制原理如图3所示。
图3 位置控制原理图
图3中，灰底方框表示该功能禁用，无底色方框表示该功能激活。PDT1控制器是主控制器，由PID控制和前馈/反馈调节系数组成，前馈/反馈调节系数用于设置油缸不同运动方向时的比例增益。位置精调模块选用残余电压模式，用于提高位置闭环的稳态精度。曲线适配模块用于补偿液压阀、油缸的非线性特性。
HNC100控制器软件开发的步骤是：首先在WINPED软件中进行参数配置，如I/O端口的定义、传感器类型和相应参数设置等，然后再编写NC程序。NC程序是WINPED中用户编写的程序，它在形式上类似于汇编语言程序。系统预先定义了多个不同功能的命令，如位置闭环命令、控制信号输出命令等，NC程序在需要使用某个功能时调用该命令，并给定相应参数即可。NC程序需要实现的功能主要包括试验伸出、回零以及控制权切换，为方便系统调试，还设计了定位和定位中止功能。程序流程图如图4所示。
NC程序设计成指令查询执行方式，即程序循环查询各指令是否为真，如果为真则执行相应的程序段；如果为假则继续查询下一个指令状态。程序正在执行某条指令过程中，如果有更高优先级指令为真，则停止当前指令，执行高优先级指令。指令优先级由高到低依次为控制权切换、定位中止、紧急回零、试验伸出、定位，如图5所示。
图4 NC程序流程图
图5 指令优先级
定位指令使机构闭环控制到指定位置，核心语句是G01命令，其参数格式为：
G01
其中，G01是命令标识；X
试验伸出指令包括两个步骤，先定位，到位后再锁紧。首先采用G01命令将机构定位到机械限位挡块位置附近，然后锁紧。锁紧是在HNC100控制器模拟输出口输出一个恒定的电压值，使模型安装板始终承受液压推力，贴紧风洞侧壁。采用的命令是KR命令，其参数格式为：
KR
其中，KR是命令标识；V
紧急回零包括软件紧急回零和按下紧急回零按钮两个指令，二者处理方式相同。NC程序查询到紧急回零指令，首先清除模拟输出口的电压输出，然后采用G01命令使机构定位到指定的初始位置。
定位中止指令使机构保持当前位置，首先清除模拟输出口的电压输出，然后定位到当前位置。
控制权切换指令由手动控制盒上的二位选择开关下达。当从自动控制切换到手动控制时，清除模拟输出口的电压输出，并且不响应任何软件指令。当从手动控制切换到自动控制时，程序继续轮询指令状态。
4 试验结果
模型插入机构控制系统完成硬件集成和软件开发后，为验证系统功能，首先进行地面调试。调试结果如表1所示。
表1 地面调试结果
地面调试结果表明，控制系统软件指令执行正确，各指令优先级符合设计要求。软件回零指令在定位、锁紧过程中以及到位后均能及时响应执行；紧急回零按钮在正常情况或者以太网中断时均能使插入机构回到零位；手动按钮盒功能正常，在软件系统失效情况下能控制插入机构回到零位。
在地面调试完成后，进行了风洞动态试验。图6为试验全过程中机构运动位置曲线；图7为风洞流场建立后模型插入机构接近试验位置时锁紧过程的位置曲线。从图6、图7可以看出，模型插入机构在插入或回零过程中平均速度达到300 mm/s的要求，定位和锁紧过程运行平稳、无超调，避免了结构冲击，锁紧后机构位置保持不变。
图8是某模型颤振试验测试曲线。图8中，由上至下:曲线1、曲线2为模型上加速度信号；曲线3为风洞总压信号；曲线4为总压稳定信号；曲线5为开关车信号，高电平表示关车；曲线6表示速压。从图中可以看出，模型插入机构完成了颤振试验过程，在开关车阶段模型所受冲击小，基本可以忽略。试验结果与理论计算结果一致性好，表明模型插入机构功能达到了颤振试验要求，系统设计、运行是成功的。
图6 模型插入机构试验位置曲线
图7 模型插入机构锁紧过程位置曲线
图8 某模型颤振试验测试曲线
5 结束语
模型插入机构控制系统采用液压伺服定位再锁紧的控制方式，系统运行平稳、快速，使模型在送入试验位置过程中避免了结构振动冲击的影响，并且不会降低系统的固有频率。系统设计的软件回零、硬件回零以及手动控制回零三级保护措施，使得在控制系统出现故障的情况下模型能够回到驻室内之后再对风洞进行关车，保证了颤振试验模型的安全。系统研制完成后，已成功应用于风洞试验，为我国2米量级超声速风洞颤振试验平台的建立奠定了基础。
