熊建軍，馬軍，宋晉，王輝

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所，四川 綿陽 621000)

0 引言

旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)系統(tǒng)用于測(cè)量飛機(jī)模型繞速度軸穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用于飛行器模型上的各種氣動(dòng)力和力矩隨旋轉(zhuǎn)參數(shù)λ的變化規(guī)律。測(cè)控系統(tǒng)作為試驗(yàn)裝置的重要組成部分，包括測(cè)量和控制等多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)必須按照試驗(yàn)流程管理調(diào)度，任一子系統(tǒng)的操作失誤都將導(dǎo)致本次試驗(yàn)失敗。針對(duì)多任務(wù)測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜試驗(yàn)流程，系統(tǒng)采用分布式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)過程中，運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，按照運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃表，管理調(diào)度模型姿態(tài)控制、旋轉(zhuǎn)速度控制、風(fēng)速控制和數(shù)據(jù)采集與處理等子系統(tǒng)。由于各子系統(tǒng)硬件來自不同的廠商，測(cè)控軟件采用不同的開發(fā)平臺(tái)，相互之間的通訊協(xié)議不一致。運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)如何實(shí)時(shí)獲取各控制計(jì)算機(jī)的過程數(shù)據(jù)，及時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，減少人為操作，提高試驗(yàn)效率，是測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須解決的問題。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在運(yùn)行管理系統(tǒng)指揮調(diào)度下，各子系統(tǒng)間采用Profibus-DP、OPC技術(shù)和DataSocket通訊機(jī)制，測(cè)控系統(tǒng)按照試驗(yàn)流程集中管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了信息、參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞，自動(dòng)化程度高，為上述問題提供了完整解決方案。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等組成。機(jī)械裝置主要由支撐平臺(tái)、雙立柱、弧形軌、模型滑車、平衡滑車和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成[1]，如 圖 1 所示。模型通過支桿、模型滑車安裝在弧形軌的一端，弧形軌的另一端通過平衡滑車安裝配重。試驗(yàn)時(shí)，通過模型滑車在弧形軌上移動(dòng)來改變模型支桿的俯仰角θ，支桿繞自身軸線旋轉(zhuǎn)來改變模型支桿的滾轉(zhuǎn)角(，兩者的組合即可獲得所要求的模型迎角α和側(cè)滑角β。試驗(yàn)過程中，弧形軌帶動(dòng)模型連同安裝在內(nèi)部的天平繞垂直軸旋轉(zhuǎn)來模擬飛機(jī)的尾旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)定模型繞氣流坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)過程中，作用在天平上的6個(gè)氣動(dòng)力分量隨旋轉(zhuǎn)參數(shù)λ的變化規(guī)律。

圖1 旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置

2 測(cè)控系統(tǒng)組成

根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，測(cè)控系統(tǒng)由多個(gè)應(yīng)用程序和硬件組成，主要包括運(yùn)行管理、模型姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集與處理以及試驗(yàn)段風(fēng)速控制等多個(gè)子系統(tǒng)，分別由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示。

運(yùn)行管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)裝置測(cè)控系統(tǒng)調(diào)度，軟件基于LabWindows/CVI 8.5 軟件平臺(tái)開發(fā)，負(fù)責(zé)編制試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃，將模型姿態(tài)、旋轉(zhuǎn)速度、試驗(yàn)風(fēng)速以及天平原始數(shù)據(jù)等信息保存到試驗(yàn)日志，并作為參數(shù)傳入到數(shù)據(jù)處理過程，同時(shí)與其它子系統(tǒng)通過DataSocket服務(wù)器進(jìn)行通信，按試驗(yàn)流程自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)異常情況，還可人工暫?；蚪K止試驗(yàn)。

模型姿態(tài)控制子系統(tǒng)控制模型姿態(tài)，主要包括模型旋轉(zhuǎn)速度、方向、迎角和側(cè)滑角控制等?？刂葡到y(tǒng)以 S7－317T－2DP CPU為中心，與各驅(qū)動(dòng)器間采用Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。通過M440變頻器控制模型旋轉(zhuǎn)速度和方向，通過SINAMICS S120和CU320控制模型迎角和側(cè)滑角?？刂栖浖捎肧TEP 7 V5.4編寫 PLC控制程序，WinCC V6.2設(shè)計(jì)運(yùn)行監(jiān)控界面[2]。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于測(cè)量模型氣動(dòng)力載荷，其前端為安裝在待測(cè)模型內(nèi)部的多分量應(yīng)變天平，天平輸出信號(hào)經(jīng)前置放大器、線纜、航空插頭、滑環(huán)引電器等輸入SCXI調(diào)理模塊，最終送入基于PXI總線的A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將每次采集的初讀數(shù)、吹風(fēng)數(shù)、過程數(shù)和結(jié)果數(shù)等，對(duì)應(yīng)天平參數(shù)、模型參數(shù)和風(fēng)速參數(shù)，依次作無風(fēng)旋轉(zhuǎn)處理、吹風(fēng)旋轉(zhuǎn)處理、扣除慣性載荷、化系數(shù)以及轉(zhuǎn)軸系，得到最終試驗(yàn)結(jié)果文件。

風(fēng)速控制子系統(tǒng)運(yùn)用中壓變頻調(diào)速技術(shù)控制風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用基于PLC的變結(jié)構(gòu)穩(wěn)風(fēng)速控制技術(shù)，組成風(fēng)扇電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)段風(fēng)速三閉環(huán)串級(jí)調(diào)節(jié)，給定風(fēng)速下，保證試驗(yàn)段風(fēng)速穩(wěn)定在控制精度范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力系統(tǒng)所有設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)組成

3 測(cè)控網(wǎng)絡(luò)通訊

測(cè)控系統(tǒng)涉及不同廠商的硬件和軟件。為提高試驗(yàn)效率，減少操作崗位人員和操作失誤，提高自動(dòng)化水平，依據(jù)硬件、軟件實(shí)際情況，測(cè)控系統(tǒng)采用分布式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行管理子系統(tǒng)作為上位機(jī)，其它子系統(tǒng)作為下位機(jī)，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊如圖3。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊

運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用相同軟件平臺(tái)開發(fā)，二者間采用以太網(wǎng)連接，應(yīng)用程序之間通過DataSocket通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)指令、信息、參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳遞，按照試驗(yàn)流程管理調(diào)度數(shù)據(jù)采集與處理計(jì)算機(jī)完成系列工作。DataSocket(簡(jiǎn)稱DS)是National Instrument提供的一種編程工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)，適合于在測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)各個(gè)功能計(jì)算機(jī)的工作，獲取各功能計(jì)算機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)，發(fā)布下一步操作指令，隱藏了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募?xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了測(cè)試終端和現(xiàn)場(chǎng)儀器之間數(shù)據(jù)交換的過程，滿足實(shí)時(shí)性指標(biāo)要求。運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)作為信息發(fā)布源，把在網(wǎng)絡(luò)上廣播的數(shù)據(jù)“寫”到服務(wù)器上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)作為客戶端，從DataSocket服務(wù)器上“讀”出數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣播。將服務(wù)器從測(cè)控系統(tǒng)中獨(dú)立出來，不僅提高了系統(tǒng)的性能，還可以隔離服務(wù)器與客戶端，為系統(tǒng)添加安全級(jí)別的管理機(jī)制。

在模型旋轉(zhuǎn)、模型姿態(tài)角以及試驗(yàn)段風(fēng)速控制系統(tǒng)中，主要使用了西門子驅(qū)動(dòng)與自動(dòng)化產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行管理自動(dòng)化，在上位機(jī)與下位機(jī)間通過交換機(jī)建立以太網(wǎng)連接，同時(shí)將上位機(jī)通過下位機(jī)與PLC建立實(shí)時(shí)通訊。PLC采用的T－CPU包括一路DP總線接口，直接與CU320總線通訊;一路為MPI/DP總結(jié)接口，定義為DP總線，與M440變頻器、中壓變頻器及各下位機(jī)建立DP網(wǎng)絡(luò)通訊[3]。由于下位機(jī)的 CP5611卡沒有 Lab-View/CVI的驅(qū)動(dòng)程序，為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通過下位機(jī)與PLC建立實(shí)時(shí)通訊，可以基于上位機(jī)的軟件平臺(tái)編寫CP5611的驅(qū)動(dòng)程序，從底層的動(dòng)態(tài)鏈接庫編起，該方法比較煩瑣。本系統(tǒng)采用安裝SIEMENS的 OPC Server應(yīng)用程序，通過 labview/CVI軟件平臺(tái)的datasocket，建立 OPC Client客戶端，與 SIEMENS的 OPC Server服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無需編寫低層的驅(qū)動(dòng)程序。這樣下位機(jī)就可接收上位機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和試驗(yàn)進(jìn)程調(diào)度，并完成和前端設(shè)備的控制交互。

OPC技術(shù)采用客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)模式，相當(dāng)于一條“軟總線”，只要符合其規(guī)范的OPC客戶程序或服務(wù)器程序都可以掛接到該“總線”上，將不同制造商自動(dòng)化產(chǎn)品提供的驅(qū)動(dòng)或服務(wù)程序與應(yīng)用程序聯(lián)系起來。LabVIEW/CVI本身并不是一個(gè)OPC的客戶端，但其DS含有一個(gè)OPC層，允許用戶通過Lab-VIEW對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行讀寫。要在LabVIEW/CVI軟件平臺(tái)的運(yùn)行管理系統(tǒng)與WinCC監(jiān)控平臺(tái)的OPC服務(wù)器間建立連接，必須將對(duì)應(yīng)于OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)項(xiàng)目的URL(通用資源定位符)傳給它。OPC URL的基本結(jié)構(gòu)為:opc://主機(jī)名//OPC服務(wù)器名/數(shù)據(jù)項(xiàng)目/刷新率。

4 測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行流程

根據(jù)旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)技術(shù)要求，試驗(yàn)過程中，依次啟動(dòng)各子系統(tǒng)，連入測(cè)控局域網(wǎng)，啟動(dòng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)DataSocket服務(wù)器，測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。在運(yùn)行管理系統(tǒng)調(diào)度下，通過OPC技術(shù)和DataSocket通訊機(jī)制，控制模型姿態(tài)到位后，在風(fēng)洞未吹風(fēng)條件下，向弧形軌旋轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)傳送旋轉(zhuǎn)速度大小和方向指令，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到控制精度范圍后，向運(yùn)行管理系統(tǒng)發(fā)送判穩(wěn)指令。運(yùn)行管理系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集完成后發(fā)布網(wǎng)絡(luò)消息反饋。依據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃表的轉(zhuǎn)速序列，循環(huán)進(jìn)入下一旋轉(zhuǎn)速度，直到旋轉(zhuǎn)速度序列指令結(jié)束，得到無風(fēng)條件下，模型在速度序列下正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的氣動(dòng)力初讀數(shù)。再向風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)送風(fēng)速給定指令，待風(fēng)速判穩(wěn)后，重復(fù)以上過程，到得在有風(fēng)條件下，模型在速度序列下正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的氣動(dòng)力吹風(fēng)數(shù)，直到完成試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃中所有任務(wù)。然后運(yùn)行管理軟件自動(dòng)向數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)送天平原始數(shù)據(jù)及各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，并指揮其開始計(jì)算，在計(jì)算完成之后，結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫，并向運(yùn)行管理軟件發(fā)送處理完畢的信息，直到本次試驗(yàn)結(jié)束。

各應(yīng)用程序在人機(jī)交互界面上都設(shè)置與運(yùn)行管理系統(tǒng)聯(lián)機(jī)和脫機(jī)的操作按鈕，試驗(yàn)段風(fēng)速、模型旋轉(zhuǎn)、模型姿態(tài)角等人機(jī)界面還設(shè)置了OPC接入和斷開操作按鈕。各子系統(tǒng)既可聯(lián)機(jī)工作，也可以在某些情況下子系統(tǒng)單機(jī)工作，如數(shù)據(jù)復(fù)算過程，只需要開啟數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行批處理即可。

風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，只需要調(diào)用運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃表中的某一條試驗(yàn)編號(hào)，即可按照既定的流程完成該次試驗(yàn)。在數(shù)據(jù)處理及復(fù)算時(shí)也是直接調(diào)用該試驗(yàn)編號(hào)，相關(guān)參數(shù)自動(dòng)調(diào)用，本次試驗(yàn)的詳細(xì)信息記錄以便將來查詢。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行流程

5 工程應(yīng)用

試驗(yàn)系統(tǒng)研制完成后，在Φ5 m立式風(fēng)洞開展了引導(dǎo)性試驗(yàn)。立式風(fēng)洞是我國首座自主研制，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界級(jí)立式風(fēng)洞，試驗(yàn)段直徑5 m，主要用于飛機(jī)模型尾旋特性、直升機(jī)垂直起降、返回艙及艙傘組合體、降落傘等性能研究及風(fēng)洞跳傘訓(xùn)練等。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟承吞?hào)旋轉(zhuǎn)天平模型，采用桿式應(yīng)變天平。

試驗(yàn)中，模型重力作用于天平上的力是恒定的，可以直接扣除。模型旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性力和力矩隨姿態(tài)和轉(zhuǎn)速變化而變化，且包含空氣阻尼的影響。利用模型正向和反向旋轉(zhuǎn)阻尼影響符號(hào)相反、而慣性力和力矩的符號(hào)相同，采用裝置正、反轉(zhuǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值的方法消除空氣阻尼影響。

為了扣除模型的慣性力和力矩，對(duì)每一模型姿態(tài)，風(fēng)洞不吹風(fēng)，模型分別以給定轉(zhuǎn)速序列作順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速達(dá)到控制精度范圍后，分別測(cè)定作用在模型上的慣性力和力矩作為初讀數(shù);接著在風(fēng)洞吹風(fēng)、模型分別以同樣的給定轉(zhuǎn)速序列作順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別測(cè)定作用在模型上慣性力和力矩作為吹風(fēng)數(shù)。考慮模型吹風(fēng)時(shí)與無風(fēng)時(shí)慣性載荷基本一致，將吹風(fēng)數(shù)減去初讀數(shù)即可扣除模型的慣性力和力矩。為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，對(duì)于每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在較高的采樣頻率(如5 000 Hz)下采集多個(gè)旋轉(zhuǎn)圈(如7圈)的數(shù)據(jù)，取其平均值作為一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。以上過程均由測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)完成。

6 結(jié)束語

測(cè)控系統(tǒng)將不同廠商的硬件和軟件集成在一個(gè)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了指令、信息、參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，試驗(yàn)時(shí)僅由一名操作人員在上位機(jī)中發(fā)布指令，系統(tǒng)按照運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃表自動(dòng)指揮調(diào)度各子系統(tǒng)，完成試驗(yàn)測(cè)量與控制全過程。引導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)完善了飛機(jī)尾旋研究平臺(tái)，可直接進(jìn)入試驗(yàn)研究和工程實(shí)用階段，可以更好地為飛機(jī)尾旋特性分析和預(yù)測(cè)研究服務(wù)，能有效提升立式風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

[1]姜裕標(biāo)，馬軍.立式風(fēng)洞旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置研制總結(jié)[R].綿陽:中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所，2010.

[2]熊建軍，馬軍，王輝，等.基于Profibus－DP的弧形軌旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2011，30(8):72－74.

[3]熊建軍，姜裕標(biāo)，馬軍，等.旋轉(zhuǎn)天平裝置電氣控制系統(tǒng)[J].電氣傳動(dòng)，2011，41(9):46－49.