毛 潤,高宏力,馬力翔,黃曉蓉(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,成都 610031)

脈沖風(fēng)洞天平動態(tài)標(biāo)定加載系統(tǒng)設(shè)計

毛 潤,高宏力,馬力翔,黃曉蓉
(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,成都 610031)

由于脈沖風(fēng)洞試驗時間短,沖擊載荷大,試驗過程有強烈振動,影響天平的測力精度,因此,需要對天平模型進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定.針對風(fēng)洞天平的動態(tài)標(biāo)定所需要的高頻率、重載荷穩(wěn)定的動態(tài)力,設(shè)計了一套動態(tài)力加載系統(tǒng).機械結(jié)構(gòu)運用電動機帶動絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計,控制部分采取嵌入式PC,在系統(tǒng)內(nèi)虛擬出軟PLC.傳感器檢測模塊和電動機驅(qū)動模塊等通過EtherCAT總線與軟PLC通訊,實現(xiàn)硬件的模塊化集成.經(jīng)試驗測試,該系統(tǒng)能滿足風(fēng)洞天平的測試要求.

風(fēng)動天平; 動態(tài)標(biāo)定; 嵌入式PLC

風(fēng)洞天平模型試驗是航空航天飛行器研制過程了解飛行器性能、降低飛行器研制風(fēng)險和成本的重要手段之一.隨著社會工業(yè)發(fā)展,風(fēng)洞天平模型試驗越來越多地運用到汽車、高層建筑的受力測試當(dāng)中.風(fēng)洞天平則是直接感應(yīng)和測量作用在模型6個自由度上氣動力、力矩的高精度測量裝置.國內(nèi)外對風(fēng)洞天平的研究大多數(shù)局限在靜態(tài)形式上，而對于動態(tài)力往往是采用“靜標(biāo)動用”的方法進(jìn)行,即僅依據(jù)計量器具靜態(tài)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果作為動態(tài)測試的依據(jù).其結(jié)果是,在靜態(tài)校準(zhǔn)中精度很高的計量器具,在動態(tài)測試中卻可能出現(xiàn)高達(dá)100%的動態(tài)誤差[1].對于連續(xù)風(fēng)洞,當(dāng)試驗時間足夠長時,模型振動會逐漸衰減,最終測力天平能夠給出一個穩(wěn)定的數(shù)值.但對于脈沖風(fēng)洞(約300 ms),試驗時間很短,模型結(jié)構(gòu)振動來不及衰減,測力天平的測量結(jié)果會受到很大的影響[2-3].因此,對于脈沖風(fēng)洞天平的動態(tài)校準(zhǔn)變得十分重要.動態(tài)校準(zhǔn)則是在靜態(tài)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,利用標(biāo)模,在風(fēng)洞中進(jìn)一步校驗天平性能的過程.一般情況,動態(tài)標(biāo)定所用的力源為標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力源,標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力有穩(wěn)定的頻譜,可以復(fù)制,易于分析[4].

目前，國內(nèi)外對于風(fēng)洞天平的動態(tài)標(biāo)定實驗中采用的標(biāo)準(zhǔn)力加載機構(gòu),大多數(shù)采用脈沖式力源、正弦力源、階躍力源等形式進(jìn)行加載.這些加載形式的原理、優(yōu)缺點、應(yīng)用范圍都不相同[5-6].表1為對各種力源裝置進(jìn)行對比.

表1 各種力源裝置對比Tab.1 Comparison of each dynamic force equipment

綜上所述,這些設(shè)計最大的缺陷是不能兼顧各種標(biāo)準(zhǔn)力的輸出,通過分析論證,針對這些不足,設(shè)計出一套機構(gòu)實現(xiàn)一系列標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力的輸出.該機構(gòu)能實現(xiàn)不同動態(tài)力的輸出,成本較低,控制方便[7].

1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示,系統(tǒng)是由控制部分和機械部分組成.伺服電動機通過聯(lián)軸器連接絲杠滑臺來推動加載頭對待標(biāo)定的天平進(jìn)行施力作用.通過對電動機的不同控制來選擇施加動態(tài)加載力模式,可以施加正弦力、負(fù)階躍力、脈沖力.根據(jù)期望的輸出力設(shè)定電動機轉(zhuǎn)矩,同時根據(jù)期望輸出力的變化頻率設(shè)定力矩變化頻率,進(jìn)而達(dá)到需要的動態(tài)力輸出.

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the system

1.1機械機構(gòu)部分設(shè)計

如圖2所示,該機械機構(gòu)部分是由兩個部分組成:電動機絲杠部分和力加載頭部分.電動機絲杠部分主要由電動機1、絲杠2、直線導(dǎo)軌3和導(dǎo)軌滑塊6組成.力加載頭部分主要由加載支架5和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器4組成.

圖2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure of system

電動機1通過聯(lián)軸器帶動絲杠2轉(zhuǎn)動,絲杠2推動滑塊的直線動作,滑塊6上面安裝了加載頭,加載頭的頂部就是標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器4,測力傳感器直接作用在天平上面.根據(jù)牛頓第三定律可知,標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器和天平所受的力大小相等,方向相反且作用在同一直線上面,這樣就可以根據(jù)設(shè)計要求,通過控制電動機運動達(dá)到控制各種標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力輸出的目的.

1.2控制部分組成

如圖3所示,控制部分分為3部分:控制單元、輸入單元和輸出單元.控制單元采用BECKHOFF的CX1030嵌入式控制器,AX5000系列伺服驅(qū)動器CPU模塊,集成式快速控制技術(shù)電流控制周期最快可達(dá)31.25 μs,支持高速及高動態(tài)性定位任務(wù).RS232串口以及具有E-bus接口的電源模塊.CX1030后端連接EtherCAT總線,EtherCAT高性能的系統(tǒng)通訊技術(shù)能夠與基于PC的控制技術(shù)理想結(jié)合,并支持與其他通訊系統(tǒng)之間的耦合.總線接數(shù)字量輸入輸出模塊、傳感器信號采集模塊和電動機驅(qū)動模塊等.由于控制器的運算頻率1.8 GHz,在控制器操作系統(tǒng)里虛擬一個軟PLC,數(shù)據(jù)采集處理和運動控制均由軟PLC完成.

2 PID控制算法設(shè)計

PID控制是工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制方法[9].對于脈沖風(fēng)洞天平的動態(tài)標(biāo)定,要求加載力具有穩(wěn)定的頻譜且可復(fù)制,但是因為機械結(jié)構(gòu)的局限加上系統(tǒng)的擾動,嚴(yán)重影響加載系統(tǒng)的可靠性.在電動機的控制中,運用PID控制算法,可有效解決此問題.針對系統(tǒng)的設(shè)計要求,需要產(chǎn)生3種方式的動態(tài)加載力.各種加載力采用不同的控制算法,正弦加載需要運用電子凸輪,脈沖加載和負(fù)階躍加載則需要運用電動機的力矩模式.圖4為系統(tǒng)控制算法流程圖,其中ε為根據(jù)實際情況人為設(shè)定的閥值.

圖3 系統(tǒng)控制部分組成圖Fig.3 Composition of the control system

圖4 控制算法流程圖Fig.4 The flow chart of control algorithm

正弦力、脈沖力和階躍力的控制方式各不相同.正弦力是通過TwinCAT System Manager NC配置凸輪表,將正弦力轉(zhuǎn)化成電動機的力矩控制.負(fù)階躍力輸出時,首先電動機尋參后,將電動機轉(zhuǎn)成位置模式帶動加載頭向前以0.1 m/s的速度運動,當(dāng)加載頭前面的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器碰到風(fēng)洞天平機構(gòu),產(chǎn)生一個電壓信號反饋給PLC后立刻做出指令,使電動機轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)矩模式.根據(jù)勻速狀態(tài)下電機絲杠轉(zhuǎn)矩和軸向力估算公式為

考慮10%的余量,給電動機設(shè)置的扭矩1.1Ta,此時加載頭和天平貼合,電動機堵轉(zhuǎn)t時間即可產(chǎn)生負(fù)階躍力.若需要產(chǎn)生脈沖力,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器達(dá)到所需力值Fa時,電動機反轉(zhuǎn)回原點.這個過程完成了脈沖力的輸出.

3 結(jié)果分析

試驗對象是天平動態(tài)標(biāo)定試驗臺,通過對試驗臺的加載動作進(jìn)行控制,來完成上述算法.編程硬件平臺選用德國倍福公司的工業(yè)PC-C6920,軟件平臺為TwinCAT3.0,該平臺支持Matlab編程.選取正弦加載方式在該平臺進(jìn)行試驗,通過數(shù)據(jù)整定PID參數(shù).試驗效果如圖5所示.

圖5 正弦力加載效果圖Fig.5 The performance of sine wave force

為了更加直觀地說明控制效果,對系統(tǒng)跟蹤誤差的均方根誤差(RMSE)進(jìn)行測量計算:

式中:r為RMSE.結(jié)果說明,該算法能較好地實現(xiàn)施加力的控制,

4 結(jié)語

本文將嵌入式PLC應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力加載機構(gòu)上,實現(xiàn)了對傳感器數(shù)據(jù)的采集分析.與傳統(tǒng)力源裝置相比,該系統(tǒng)所采用的PC+現(xiàn)場總線+分布式I/O的體系結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更簡單,控制方便,力輸出形式豐富.系統(tǒng)程序魯棒性較好,不同功能的程序在軟PLC里劃分為單獨的任務(wù)執(zhí)行,實現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)的模塊化.對發(fā)展和完善動態(tài)力值計量技術(shù)有著其重要的意義.標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力發(fā)生裝置是動態(tài)力值計量技術(shù)的最終反映.為了充分掌握動態(tài)力傳感器,尤其是大力值寬頻帶的動態(tài)力傳感器的動態(tài)特性,研制大力值寬頻帶的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力發(fā)生裝置具有重要的意義.

[1] 何聞.標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)力發(fā)生裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].機電工程,1999(2):47-49.

HE W.The research status of standard dynamic force measurement systems[J].Mechatronics Engineering,1999(2):47-49.

[2] 呂金洲,張小慶,高宏力,等.脈沖燃燒風(fēng)洞測力天平動力學(xué)建模與分析[J].噪聲與振動控制,2015(1):182-186.

Lü J Z,ZHANG X Q,GAO H L,et al.Structural dynamics modeling and analysis of the force balance for an impulse combustion wind tunnel[J].Noise and Vibration Control,2015(1):182-186.

[3] 張小慶,樂嘉陵,許明恒.超聲速脈沖風(fēng)洞起動過程數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2008(6):751-755.

ZHANG X Q,LE J L,XU M H.Numerical simulation of starting process of supersonic pulse wind tunnel[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2008(6):751-755.

[4] KUMME R,DIXON M J.The results of comparisons between two different dynamic force measurement systems[J].Measurement,1992,10(3):140-144.

[5] Ling Dynamic Systems Ltd.Air-cooled vibration testing systems[R].1994.

[6] 莫建新,賈叔仕,程耀東.用跌落沖擊方法校準(zhǔn)壓力傳感器的局限性[J].計量與測試技術(shù),1993(5):11-14

MO J X,JIA S R,CHENG Y D.The limitation of using drop impact test the pressure sensor[J].Metrology & Measurement Technique,1993(5):11-14.

[7] CROSSWY F L,KALB H T.Investigation of dynamic rocket thrust measurement techniques[R].1967.

[8] 黃欽俊,王效葵,李行善,等.力傳感器的動態(tài)重復(fù)性、線性度與性能改進(jìn)的研究[J].計量學(xué)報,1995,16(1):58-67.

HUANG Q J,WANG X K,LI X S.The research of dynamic repeabilit,linearity and performance improve on pressure sensor[J].Acta Metrologica Sinica,1995,16(1):58-67

[9] 張一文,高宏力,黃曉蓉,等.輪對標(biāo)定試驗臺先進(jìn)PID壓力控制的研究和應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造,2015(8):153-155.

ZHANG Y W,GAO H L,HUANG X R,et al.Research and application for hydraulic loading in wheel load calibration test-bed based on advanced PID[J].Machinery Design & Manufacture,2015(8):153-155.

[10] 楊智,朱海鋒,黃以華.PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定方法綜述[J].化工自動化及儀表,2005(5):1-7.

YANG Z,ZHU H F,HUANG Y H.The PID controller design and parameter setting method of review[J].Journal of Chemical Industry Automation and Instrument,2005(5):1-7.

[11] 劉金琨.先進(jìn)PID 控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

LIU J K.The advanced PID control and MATLAB simulation[M].Beijing:Electronic Industry Press,2003.

Dynamicforcemeasurementsystembasedonwind-tunnelbalance

MAORun,GAOHongli,MALixiang,HUANGXiaorong
(College of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China)

Since the short effective measurement time and the large impulsive load for the impulse combustion testing in wind tunnel,model system will vibrate intensively during the experiment,which will reduce the accuracy of force testing.In order to provide the dynamic forces which the experiment needs,we proposed a new dynamic force measurement system.The mechanical part was consist of a set of motor,leading screws and screw nuts.Meanwhile the control part was based on embedded soft PLC.The EtherCAT terminal boxes which are connected to the controller are used for detecting the signals from sensors and driving motors.The modular integrated hardware making the system more compact.Experiment shows that the system meet the requirement of wind-tunnel balance.

wind-tunnel balance; calibration accuracy; embedded PLC

TP 23

： A

： 1672-5581(2017)03-0244-04

毛 潤(1990—),男,博士生.E-mail:1101083246@qq.com