基于RT系統的高速液壓缸測控系統設計

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(1.西安遠方航空技術發展有限公司，西安 710089; 2.中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

航空母艦是一個國家綜合實力的體現，它的出現大大提高了各國海軍的綜合作戰能力。航空母艦主要的武器裝備是艦載戰斗機，它也使航母編隊的軍事作戰能力覆蓋到全球。通過航母上的攔阻系統進行減速制動才能使艦載飛機在有限長度的甲板上安全著艦。性能良好的攔阻系統，是艦載機飛行員和甲板工作人員安全的重要保障。在攔阻系統的作用下，可以實現不同速度和質量的艦載機等距離攔停，從而極大地提高了航母的綜合作戰能力。

艦載機著艦時將產生很大的沖擊載荷，風險極高。相應于飛行試驗，驗證艦載機攔阻系統特性的兩個重要方法是建立艦載機動力學模型進行仿真模擬和建立大型非標試驗臺。目前對于攔阻系統進行性能分析和建模的研究比較多，而使用大型非標試驗臺得到的試驗數據及特性評估相對于仿真模擬的方法更真實精確，能夠有效減少實際地面測試的次數。因而為驗證攔截索的工作特性，對艦載機攔阻系統建立大型非標試驗臺是非常有必要的。

傳統的這類非標試驗臺，基本上都采用大型電機作為動力源[1]，對鋼索進行拖拽驗證其工作特性。單純的利用電機進行直接驅動，可以有效的控制鋼索運行的速度及加載力。

但是利用電機進行直接驅動，電機的功耗很大，并且難以達到預期的加載力及速度(受電機功率所限)。這種傳統的非標試驗臺難以對攔截索的性能做全面的檢測。本文提出了一種基于RT系統的高速液壓缸測控系統設計方法，能夠解決直接驅動電機功耗大，系統啟動慢，攔截索加速慢等問題。并將其應用于實際的艦載機攔阻系統大型非標試驗臺的設計中，解決了傳統電機直接驅動存在的問題，取得了較好的控制測量效果，并為真實的飛行試驗提供數據支持。

1 液壓控制型試驗臺

1.1 液壓控制型試驗臺設計指標

設計的系統需要對攔阻索施加0～900 kN連續可調的加載力，0～9 m/s連續可調的滑行速度為，100°～180°連續可調的包角值。

由加載的力值上限、角度變化、速度變化，加上安裝場地的限制等綜合因素考慮考慮，可以得到液壓缸的參數。選擇合適的液壓缸后，可根據一次試驗的狀態機模型得到一次試驗所需的最小流量要求。

根據最小流量要求乘以安全系數可得到泵站主泵的流量參數，從而得到電機參數以及主泵壓力參數。根據這一參數可選擇蓄能器耐壓力參數。根據不同液壓缸的壓力要求，可選擇合適的減壓閥，將泵出口壓力進行減壓。根據位移、力、流量、壓力等參數，可選擇合適的傳感器。根據控制要求，可選擇控制系統形式及軟件實現形式。

以流量參數為例，在試驗時，先將鋼絲繩按順序繞過每一個滑輪，將鋼絲繩連接好后，調節鋼絲繩張緊機構，使鋼絲繩拉緊即可，隨后，按照試驗要求，調整尾鉤位置調整機構，即調整鋼絲繩包角至試驗要求位置，然后按照試驗要求，設定鋼絲繩驅動機構張緊力值，鋼絲繩張緊機構則自動調節張力，待張力穩定后，開啟鋼絲繩驅動機構，實現鋼絲繩與模擬尾鉤的摩擦，此過程中，鋼絲繩驅動機構處于調節狀態，即實時監控鋼絲繩張力，并將鋼絲繩張力保持在試驗要求數值。待鋼絲繩運動停止后，鋼絲繩驅動機構將鋼絲繩牽引至原位置，即一次試驗完成。驅動時驅動油缸所需油量為125 L，復位時所需油量為152 L，完成一次試驗總共需要油量為277 L。包角調整缸鎖死后不調整，因此不需要補充油量。張緊油缸運動距離按300 mm計算，有桿腔油量為13.565 L，無桿腔補充油量為21.195 L。因此完成一次試驗，系統總共需要油量為301.8 L。

液壓系統流量為120 L/min, 補充系統油量所需時間為3分鐘，估算試驗控制、計算等時間按照1分鐘計算，連續每次試驗循環所需時間應不大于4分鐘。

1.2 液壓控制型試驗臺控制需求

將動力源更換為液壓系統是目前一種比較好的思路，工程設計時基本朝著這個方向進行研究。本文描述的非標試驗臺采用液壓系統進行驅動，利用多個蓄能器瞬間釋放的動能來驅動液壓缸，并帶動攔截索運動，從而模擬攔截索實際工作時的速度、加載力、角度。這樣做能達到攔截索需要的試驗環境，但隨之而來的問題出現了，在大流量驅動下，液壓缸的速度控制問題出現了。

圖1 非標試驗臺臺體圖

如圖1所示，臺體上的尾鉤缸負責加載時角度的調整，張緊缸負責張緊力的調整0～900 kN，驅動缸負責速度控制0～9 m/s，系統的難點在于驅動缸的控制，由于受條件所限，驅動缸的行程只有4 m，要在4 m的行程內，使得驅動缸速度升至9 m/s并安全停止。這種工況對測控系統提出了比較苛刻的要求。

1.3 測控系統設計需求

針對上述設計要求，進行了高速液壓缸測控系統設計。該測控系統如圖2所示。

圖2 測控系統

上位機采用研華IPC610工控機，下位機采用泛華測控的PXI9108工控機，系統中的主泵、風機、循環泵采用西門子S7-1215系列PLC加人機屏進行控制顯示，PLC與上位機之間通過OPC接口進行通訊。

其中PXI9108安裝了RT實時操作系統，RT是指當外界事件或數據產生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規定的時間之內來控制生產過程或對處理系統做出快速響應，調度一切可利用的資源完成實時任務，并控制所有實時任務協調一致運行的操作系統。RT實時操作系統的周期為μs級。

基于以上原因在設計時采用了RT實時操作系統的PXI總線控制器，并沒有采用Windows系統，而PLC控制器為全語句循環模式，運行時間長不適合在此處使用。

系統中力的測量，由于攔截索具有一定的彈性形變，在張緊缸將其張緊的過程中，攔截索兩端的力值不相等，待張緊缸停止后，兩端力值會慢慢靠近，這個過程會進行往復調整，直到張緊到我們需要的力值。

位移測量時采用了滑阻式位移傳感器[2]，避免了拉線式位移傳感器在快速拉動中振顫導致的信號抖動，并能適應驅動缸快速拉動的需要。

2 測控系統仿真

在實際搭建系統前對其進行建模仿真是需要的。

2.1 模型的建立

伺服閥模型[3]如式(1)所示，采用一階慣性環節進行表示。

伺服閥：

(1)

伺服閥流量增益：KSV

伺服閥時間常數：TSV

液壓缸模型如式(2)所示，采用二階振蕩環節進行表示。

液壓缸：

(2)

其中:

(3)

作用面積為AP；負載質量M；空行程Vt；阻尼比εn。

2.2 模型計算

由于速度閉環控制是不穩定的，故在前端加入積分環節實現增穩。

通過帶入實際的設計參數并計算，得到的結果在simulink進行建模[4]，搭建的模型如圖3所示。

圖3 simulink中的模型

將該模型的輸入信號給定為0.8 s，9 V有效激勵，該激勵信號表示系統在這一時間段內的極限控制期望，適當調整PID參數，得到的速度曲線如圖4所示。

圖4 速度仿真結果

由圖4可以看出，速度仿真曲線的上升下降均較為平穩，無明顯抖動，并具有平滑段，理論上說明驅動缸有一段勻速運動段。從速度曲線的仿真結果上看，模型較為理想。

分析完在特定激勵下，驅動缸的速度運行軌跡，對它在這一時間段的位移情況進行研究也是必要的。通過位移曲線可以看出，該速度曲線的出現，是否是驅動缸在預先設計的行程內完成的。對速度仿真結果進行積分得到位移仿真結果，如圖5所示。

圖5 位移仿真結果

圖5反應的信息說明，在仿真結果中可以看出在這段時間內，驅動缸移動了4 m的行程，在達到目標速度時達到了目標行程。在忽略機械碰撞的問題時，該模型是滿足設計要求。

2.3 仿真結果分析

從仿真結果來看，在液壓系統流量、壓力足夠，且在運行過程中變化不大的工況下，現有的模型可以滿足使用的要求。同時，仿真結果中還潛藏著一個隱含的控制條件，理論上，在極限速度下，比例閥的接通時間不能超過0.8 s，即PID的調節時間也不能超過0.8 s，這是本系統的難點所在。

3 測控系統結構及原理

測控系統架構如圖6所示，分為兩部分，一部分是泵站，即人機屏加PLC控制泵站的正常運行。另一部分為測控部分。測控部分采用通過采集位移傳感器、力傳感器的值作為力閉環、速度閉環、位移閉環控制參數，通過控制電磁閥、電磁球閥、比例閥來完成對缸的閉環控制。

圖6 測控系統架構

測控部分由上位機、下位機、位移傳感器、力傳感器、電磁閥、球閥、伺服閥組成，上下位機之間通過以太網連接[5]。上位機主要完成控制命令的下發以及信息的接收；下位機主要接收來自上位機的控制命令，并執行該命令并完成閉環控制，同時采集系統當前傳感器信息，并將當前信息上傳。力傳感器在鋼索緊邊與松邊，各安裝一個，在運行過程中實時監測力值變化。張緊缸與尾鉤缸的位移傳感器均為1.5米，驅動缸位移傳感器為4米。

YVK1、YVK2回油球閥主要液壓系統的回油控制，同時為驅動缸空載伸出提供備壓。YVH3、YVH4電磁閥用于驅動缸空載伸出、縮回控制；比例閥YVP1用于驅動缸高速控制。YVH5電磁閥、YVP2比例閥用于尾鉤缸伸出、縮回控制。YVH6電磁閥、YVC1比例閥用于張緊缸伸出、縮回控制。YVH1電磁閥用于泵源出口壓力控制、YVH2用于旁路補油、YVH7用于張緊力釋放。

4 測控系統軟件實現

4.1 上位機軟件功能

上位機為XP系統，采用LABVIEW編程語言，套用生產者消費者模式進行編寫。主要功能為工況狀態設置，下位機信息讀取顯示,PLC信息讀取顯示、數據存儲、數據讀取、數據清除、試驗次數記錄、試驗參數記錄等功能。

4.2 PLC軟件

PLC控制軟件采用梯形圖編寫[6]，主要功能為控制風機、主泵、循環泵的運行及部分傳感器信號采集等。

4.3 下位機軟件

下位機為RT實時操作系統[7]，采用LABVIEW編程語言[8-10]，套用狀態機模式，使得系統的運行步驟按照狀態機的邏輯進行。驅動缸的速度控制依賴于下位機的控制。RT實時操作系統的周期為μs級，PID控制環節的運行周期為ms級別[11]，這是液壓缸高速控制的有效保證。下位機流程圖如圖7所示。

圖7 下位機流程圖

尾鉤位置調整利用PID調節，以尾鉤位移傳感器為閉環參數，輸入角度為目標值進行控制。張緊力調整，以緊邊松邊力傳感器為閉環參數，以輸入張緊力值為目標值進行閉環控制。驅動缸速度控制，以驅動缸位移傳感器為閉環參數，以輸入控制速度為目標值進行閉環控制。

5 實際控制效果

5.1 準備階段控制

首先啟動上下位機，啟動完成后，先運行下位機軟件，隨后運行上位機軟件。當測控系統軟件啟動完成后，通過控制系統先將循環泵、主泵、風機、告警的設備啟動。當主泵啟動完成后，此時電機測控主界面左上角上位機啟動按鈕，此時下位機運行指示燈亮起，泵源出口電磁閥YVH1打開，液壓系統壓力升高至設定值，此時系統完成前期準備工作。

當系統未調整到位時可進行輔助動作操作，輔助動作包括：張緊力釋放、電磁球閥開啟、電磁球閥關閉、驅動缸空載伸出、驅動缸空載縮回、尾鉤缸空載伸出、尾鉤缸空載縮回、張緊缸空載伸出、張緊缸空載縮回。

5.2 低速情況下控制效果

低速情況下，驅動缸的速度位移曲線如圖8所示。

圖8 低速情況下驅動缸的速度位移曲線

可以看出在低速情況下，驅動缸的速度控制效果較為理想，超調不大，穩態時間較長，能平穩的停止運行。

同時從圖上可以看出，在實際控制時，將驅動的行程縮短，給驅動缸留出了安全行程，避免不必要的機械碰撞，從而延長了驅動缸的使用壽命。

5.3 高速情況下的控制效果

高速情況下，驅動缸仍可以被有效的控制，能夠急速起動，并達到8 m/s的峰值速度，并可靠停止。由于受液壓系統、測控系統性能的影響，及驅動缸有效行程短等因素，在高速運動時，只能檢測到幾個速度峰值。

要改善這一問題，行之有效的辦法是將驅動缸的行程加長，使得測控系統有更長的時間進行控制，速度能得到更好的控制。另外還需要適當增大蓄能器的流量，使得驅動缸能夠有更大的動能，使驅動缸的初始加速度變大，使測控系統有更大的調整空間。

6 結束語

本文闡述了一種改進型的攔截索試驗臺高速液壓缸設計方法，描述了該試驗臺與傳統試驗臺的區別。詳細描述了該試驗臺測控系統的設計過程，及設計中遇到的問題，以及問題的解決方案。在設計過程中，對模型進行了仿真，在得到可靠的仿真結果后，進行測控系統搭建。試驗結果表明驅動缸的控制效果較好，實際使用中為真實飛行試驗提供了數據，充分說明了其實用性。