基于PXI的飛機垂尾動態疲勞試驗隨動測控系統

摘 要： 針對某型飛機垂尾動態疲勞試驗中激振器位置和姿態調整的功能需求，結合對PXI總線平臺技術特點的分析，設計了基于PXI硬件及LabVIEW軟件開發環境的動態疲勞試驗隨動裝置測控系統，同時引入SCXI信號調理技術提升控制反饋信號的質量。實踐證明，該系統工作穩定，可靠性高，能夠滿足動態疲勞試驗需求。

關鍵詞： 動態疲勞試驗； 隨動測控系統； PXI平臺； LabVIEW開發環境

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0093?05

Abstract： Since the function demand of vibration exciter position and attitude adjustment in the dynamic fatigue test of the vertical tail for a type of aircraft， the servo measurement and control system based on PXI hardware and LabVIEW software development environment was designed for dynamic fatigue test on the basis of the analysis of the technical features for PXI bus platform. The SCXI signal conditioning technology is introduced to improve the quality of feedback signal. The practice proves that the system has the characteristics of working stability and high reliability， and it can fulfill the requirement of dynamic fatigue test.

Keywords： dynamic fatigue test； servo measurement and control system； PXI platform； LabVIEW development environment

0 引 言

現代雙垂尾結構戰機在大攻角飛行時，流經機翼的強大渦流會猛烈擊打飛機尾翼，造成飛機尾翼、后機身乃至全機結構的強烈振動從而導致動態疲勞破壞[1]。20世紀90年代在澳大利亞進行的F/A?18后機身相關試驗中，對地面模擬真實耦合載荷技術進行了探索[2]。Molent L等人參與的國際結構試驗改進計劃組織（IFOSTP）在1998—2002年間對F/A?18的后機身和尾翼進行了模擬試驗，其結果證實了動態疲勞試驗的重要性[3]。在國內某型飛機雙垂尾的動態疲勞試驗中，利用氣囊模擬氣動載荷（即常規疲勞載荷），同時，在垂尾上疊加由電磁振動臺產生的振動載荷，二者耦合來確定飛機垂尾疲勞損壞壽命[4]。

隨著氣動載荷的施加，垂尾結構發生變形，為保證振動載荷激振點位置不變且施加于激振點上的振動載荷始終垂直于激振點切平面，設計開發了一套電磁振動臺隨動系統，根據垂尾變形情況調整電磁振動臺的位置和姿態。

近年來，PXI總線技術廣泛地應用于計算機測控和工業自動化系統中。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是基于PC的開放式、模塊化儀器總線規范，繼承了PCI總線適合高速數據傳輸的特點，同時保留了CompactPCI的堅固性、模塊化和歐洲卡機械封裝等優點。為了滿足高精度定時、同步和數據通信的需求，PXI還提供了觸發總線、局部總線、系統參考時鐘等資源，支持PCI?PCI橋路擴展和即插即用功能[5]。

本文主要介紹以NI PXIe 8133實時控制器為硬件平臺，LabVIEW 11.0為軟件開發環境進行的某型飛機垂尾動態疲勞試驗隨動測控系統的設計和實現工作。

1 隨動裝置工作原理

動態疲勞試驗隨動裝置是飛機左、右垂尾兩翼面振動載荷加載的一個輔助運動機構，其主要功能是調整成對作用的電磁振動臺的位置和姿態，使得振動載荷在垂尾兩翼面上正確加載。每一垂尾翼面兩側各有一臺電磁振動臺，測控系統對每個振動臺獨立進行5自由度運動控制，其中4自由度運動控制通過伺服電機完成，1個自由度運動控制通過液壓伺服作動筒實現。

隨動裝置的工作原理如圖1所示。垂尾在氣動載荷作用下發生形變，固定在電磁振動臺上與垂尾翼面連接的6個拉線位移傳感器測量值發生變化，測控系統獲取該測量值并實時發送到多自由度位姿解算計算機，進行基于多自由度運動學模型的高速運算，在讀回解算值后，將各個自由度的運動控制指令信號發送到伺服執行機構，從而實現電磁振動臺的位置和姿態調整，直至電磁振動臺位姿符合振動載荷加載條件[6]。

2 測控系統總體設計

隨動測控系統采用分布式體系架構，針對左右垂尾振動臺姿態調整獨立性的特點，采用2臺測控計算機，基本架構如圖2所示。

其中，總控協調控制整個動態疲勞試驗的邏輯時序，隨動測控系統留有與總控的控制通信信號接口；隨動主控計算機處于隨動測控系統的核心地位，起承上起下的作用，既要接收來自總控的信息，又為操作人員提供人機交互界面，并全面管理左、右垂尾測控機的運行、控制參數。

左、右垂尾測控機分別負責左、右垂尾翼面兩側的電磁振動臺對各自激振點的跟蹤控制。每臺測控機的主要功能如下：

（1） 實現與總控應急、故障、數字I/O信號（命令/響應）的實時交互；

（2） 完成隨動裝置跟隨垂尾旋轉（一對作動筒實現）的液壓伺服閉環控制；

（3） 實時采集垂尾兩翼面的位姿測量（拉線位移傳感器）信號，并將測量信號發送至主控計算機；

（4） 實現兩臺電磁振動臺各自的4自由度（垂向、航向、展向、俯仰）多軸聯動伺服電機閉環控制；

（5） 各個自由度限位開關的狀態檢測，其他數字I/O信號的響應處理等。

多自由度位姿解算計算機接收主控計算機發出的垂尾翼面位姿測量信號，利用基于多自由度運動學模型的位姿解算算法計算出各個自由度上的變動量，再將計算結果發送回主控計算機進行各個自由度的位置調整。通過獨立的計算機完成解算過程，提高了運算速度，不會給控制計算機造成額外的負擔。

主控計算機、測控計算機以及多自由度位姿解算計算機通過高速以太網互連，通過網絡變量或網絡數據流傳遞信息。

3 測控系統硬件設計

隨動測控系統除完成人機界面交互和試驗通信外，主要承擔現場信息采集、多軸聯動伺服電機閉環控制、液壓伺服作動筒位移閉環控制和外圍設備數字I/O接口等。根據隨動系統設計需求，單臺測控機的主要信號分配表如表1所示。

根據表1，結合隨動測控系統的功能要求，采用美國NI公司的PXI系列板卡組建測控系統，硬件選型及主要特點如表2所示。

基于表2的硬件選型，測控系統的PXI硬件組成如圖3所示。其中，SCB?100是適用于PXI?6515的防噪屏蔽接線盒；SCC?68是與PXI?6251配合使用的接線盒，提供數字I/O、模擬I/O端；在接線盒的SCC插槽上插有兩塊SCC?CI20電流信號調理模塊，將作動筒內置位移傳感器的電流型測量信號調理成PXI?6251能夠識別的電壓型信號。

4 基于SCXI的信號調理

根據表1，隨動測控系統由多種不同類型的傳感器反饋接入。由于傳感器安裝距離比較遠，且現場有伺服電機等強電磁干擾設備，從現場傳遞回測控計算機的信號不可避免地會混入高頻噪聲。在隨動裝置做好接地，現場強弱信號布線盡量隔離的基礎上，數據采集端仍需進一步對信號進行調理。

SCXI（Signal Conditioning eXtentions for Instrumentation）是信號調理在儀器上的擴展。它的數據采集硬件可以完成不同類型傳感器信號的信號調理，通過裝有NI?DAQmx驅動的NI MAX軟件可方便地完成信號調理模塊的控制和配置[7]。

隨動測控系統采用如圖4所示的信號調理模塊進行現場傳感器信號的后端處理。其中，SCXI?1000機箱提供低噪音信號調理環境；SCXI?1125是8通道模擬輸入隔離調理模塊，為每路模擬輸入通道提供300 Vrms的工作隔離和低通濾波，單個通道能夠進行編程增益和濾波器設置；SCXI?1125適用于毫伏源、伏特源、4～20 mA和熱電偶的放大和隔離；SCXI?1327，SCXI?1338與SCXI?1125配合使用，安裝在SCXI模塊前端，分別完成對電壓型和電流型傳感器信號的采集。SCXI?1125，SCXI?1327，SCXI?1338均安裝在SCXI?1000機箱中，通過SCXI?1349適配器和相關線纜連接到PXI?6143[8]。

根據表2，拉線位移傳感器與氣囊壓力傳感器測量信號是電壓型信號（0～10 V），通過兩塊SCXI?1327接入到PXI?6143中；三向力傳感器測量信號是電流型信號（4～20 mA），通過一塊SCXI?1338接入到PXI?6143中。在NI MAX中完成相應信號的配置和測試，圖5，圖6是對SCXI機箱進行配置以及讀取信號測試的示意圖。

5 基于多層次架構的隨動測控系統軟件設計

隨動測控系統軟件采用LabVIEW圖形化開發環境。它集成信號采集、測量分析與數據顯示等一系列功能，在提供強大控制功能的同時，保證了系統的靈活性。

5.1 軟件系統架構

根據Windows分布式網絡應用架構，系統軟件分為三層：

（1） 人機交互及協調管理層，為用戶提供實時、友好的操作界面，能夠完成程控操作、狀態及數據監測、應急/報警顯示、歷史數據查看等功能；

（2） 核心軟件層，主要完成運動控制指令/參數的執行、數據采集和處理、網絡通信等；

（3） 軟件驅動層，為PXI系統所有硬件提供軟件驅動，以支持整個測控系統軟件的運行。

其中，第1層為系統上位機軟件，運行在主控PC機上；第2層與第3層為系統下位機軟件，運行在PXI實時操作系統上。

5.2 測控系統軟件實現方案

5.2.1 系統軟件功能

測控系統上、下位機軟件功能模塊構成如圖7，圖8所示。

圖7 測控系統上位機軟件模塊及功能

圖8 測控系統下位機軟件模塊及功能

5.2.2 測控系統軟件工作流程

對任一垂尾翼面的動態疲勞試驗，統一由試驗總控協調氣動載荷加載、振動載荷加載和隨動裝置位姿調整工作流程。氣動載荷加載到位后，隨動裝置獲取位姿解算算法計算出電磁振動臺各自由度運動目標指令值，實現各自的運動控制。電磁振動臺位姿調整完成后，對各軸實施機械鎖定，向試驗總控發出位姿調整完成信號，確認可以開始振動載荷加載。在運動過程中，如果出現電機故障或碰觸到限位開關，將停止運動，并設置相關標志位，以便主控監視。在試驗總控協調下位姿調整的總體流程圖如圖9所示。

圖9 試驗總控協調下的位姿調整流程圖

5.2.3 隊列與網絡流結合的數據傳輸

LabVIEW的應用程序通過網絡傳輸數據時，對于不同的數據傳輸要求，有對應的不同通信模型。一般來說，當從一個或多個終端向主機發布數據的最新值時，使用共享變量的方式進行通信；當需要將每個數據點的信息記錄并傳送至主機時，可以使用網絡流的通信方式；當傳輸命令至另一臺計算機，觸發該計算機的一個事件時，為防止數據的丟失，也采用網絡流傳輸的方式。

對于隨動測控系統，上下位機應用程序之間在進行指令值和反饋信號的傳遞時，需要確保每個數據點的傳輸，因此要通過網絡流傳輸數據和命令。如圖10所示是網絡流將數據和命令從上位機的主控程序傳輸到2臺PXI測控計算機的實時控制程序的示意圖。

圖10 網絡流數據/命令傳遞示意圖

網絡流數據的傳遞是通過網絡流引擎實現的，每個網絡流端點均使用FIFO（先入先出隊列）緩存傳輸數據。網絡流引擎使用LogosXT將數據從寫入端點的FIFO緩存傳輸至讀取端點的FIFO緩存。

數據流的傳遞路徑如圖11所示。

圖11 數據流傳遞路徑

網絡流數據傳輸比非網絡流數據傳輸方法占用更多的系統開銷，因此，在程序設計上，僅在上下位機程序之間利用網絡流進行命令和數據的傳輸。在上位機程序的不同循環間，采用隊列的方式進行命令和數據的傳遞。

上位機用戶界面程序的設計使用了生產者/消費者軟件設計模型[9]。生產者循環中采用事件結構，主要處理人機交互的程序，將人機交互的操作作為一個元素入隊列；消費者循環從隊列中不斷地取出元素，對其進行處理，并將操作指令和操作數據打包為簇數據結構放入網絡數據流中。以單軸運動為例，當用戶在主界面發出對運動軸2的“Move”指令后，觸發生產者循環中的事件結構，將“CMD：：Axis Move”字符串寫入隊列中；在消費者循環中，“CMD：：Axis Move”字符串出隊列，進入到相應的處理分支中，獲取執行該指令的軸編號，將Move指令和軸編號捆綁為一個簇元素發送到網絡數據流中，如圖12所示。

圖12 結合隊列結構的生產者?消費者模型

6 結 語

本文介紹的隨動測控系統采用基于PXI總線系統平臺的高性能機箱、控制器和功能板卡，利用SCXI設備完成了現場傳感器信號的調理，并基于LabVIEW隊列和網絡數據流的方式完成了系統上下位機軟件的設計，實現了系統所要求的人機交互、運動控制、數據采集和歷史管理等功能。該系統目前已經完成動態疲勞試驗的試驗調試，工作穩定，可靠性高，能夠滿足試驗方對于隨動功能的要求。

參考文獻

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