FL-51風洞飛行器地面效應試驗控制系統設計

多 勐

（中國航空工業空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

風洞地面效應試驗是飛機研制中必須進行的試驗項目之一，在風洞中用地板模擬地面，并通過調節地板與模型間的距離來模擬飛機近地面不同高度時地面對飛機氣動特性的影響。風洞地面效應試驗是國內外進行地效研究和測量的主要手段，目前風洞地面效應試驗主要有固定地板模擬試驗、固定地板吸除邊界層模擬試驗和移動地板模擬試驗。FL-51風洞地面效應試驗主要以固定地板模擬試驗為主，系統控制的難點主要是地板升降時多軸同步的控制以及地板與模型之間的隨動控制，保證地板不出現扭別和碰撞模型的安全事故。

整個系統采用以CAN總線為基礎的分布式伺服控制方式，該控制系統成功地應用于地面效應試驗中，試驗結果表明該系統控制精度高、運行穩定、擴展性強，能夠滿足設計指標。

1 系統組成及原理

FL-51風洞飛行器地面效應控制系統各子系統既可以獨立運行，又可以通過網絡相互聯系協調工作，這樣可以將故障的影響降到最小，系統安全可靠，操作靈活，維修方便，也易于系統擴展和更新，地面效應控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

根據風洞地面效應試驗的實際需求，整個控制系統分為尾撐控制和升降地板控制2個部分。各子系統管理計算機通過以太網分別與主控機進行數據和指令的交換，這種方式有利于保證整個系統設計的獨立性、擴展性和可維護性，提高實驗效率。

2 控制系統設計

2.1 CAN總線設計

FL-51風洞地面效應實驗中主要需要控制2個子系統，各控制子系統分布在試驗區域的不同地點，有些設備為經常需要更換的移動部件。同時，系統的設計還需考慮今后多個子系統能夠擴展和兼容的問題。基于以上需求，CAN總線分布式管理的控制思想是解決風洞現場問題的最佳選擇。CAN總線是多主方式的串行總線，報文自動過濾重發，具有極低的誤碼率和高通信速率等特性，在各種低成本、高抗干擾的多機遠程控制中得到廣泛應用，所以在中大型風洞建設中有其突出的優勢[2]。

現場總線系統接線十分簡單，可采用CAN總線通信專用電纜進行現場各設備的級聯，目前可驅動節點數量為110個，大大減少了現場布線的工作量[3]。FL-51風洞在未來規劃中還將擁有多套設備，由于CAN是標準化總線技術，新設備可在原有的電纜基礎上繼續連接。不需要重新設計，可以大大減少安裝的工作量。通過以上比較不難看出，基于CAN總線的控制方式非常適合FL-51風洞。對于風洞試驗來說，CAN總線能夠協調各子系統并行工作，考慮其與整個風洞測控系統的兼容性，在伺服控制上位機端，我們選用的是NI公司生產的具有高性價比的智能CANopen（一種架構在控制局域網路上的高層通信協定）總線通信適配卡，它具備完善的CAN總線驅動函數，使軟、硬件之間通信更方便。

2.2 伺服控制系統設計

2.2.1 伺服控制系統硬件設計

FL-51風洞地面效應試驗的特點是控制地板升降的4組電缸需同步升降運行，要求在伺服驅動系統的選型上以小型化、高能效、遠程控制和同步功能為主，同時在系統功能上要滿足高動態響應、高精度、開放式設計的要求，結合升降地板系統和尾撐系統的力矩載荷匹配合適的伺服驅動器。倫茨9400系列伺服驅動器是智能型控制器，適用于集中或分布式控制，可以實現地板的同步及尾撐機構角度控制。系統由濾波電源模塊、9400HighLine驅動器、POWERLINK通信模塊、安全模塊、存儲模塊MM330及制動電阻組成。升降地板和尾撐機構伺服系統現場安裝如圖2和圖3所示。

圖2 升降地板伺服控制器現場安裝圖

圖3 尾撐機構伺服控制器現場安裝圖

2.2.2 伺服控制器功能模塊與基于CAN總線的數據通道

9400系列伺服驅動器具有豐富的內部功能模塊庫，如常見的布爾邏輯功能模塊、通信接口模塊、速度跟隨模塊、信號類型轉換模塊、斜坡發生器模塊以及位置功能模塊等。用戶利用這些功能可以任意配置控制系統所需要的參數。

為了實現基于CAN總線的應用，9400系列伺服驅動器的Engineer軟件提供了專門的CAN總線功能模塊組CAN-IN與CAN-OUT，作為過程數據通道進行數據的傳輸。

CAN總線是面向消息的總線系統，每一個消息都有明確標識符，使用CANopen面向每一個控制器的節點傳輸數據是通過每個消息幀都只有一個發送者的對應方式來實現的[4]。標識符由基礎標識符和控制器節點地址構成，倫茨伺服控制器節點之間是通過CAN總線報文進行數據通信，CAN總線的數據報文范圍包括過程數據和參數數據。

過程數據的特點是數據通過過程通道進行傳輸，上位機可以直接訪問過程數據。例如，在PLC中數據是直接分配到I/O區域，數據必須在主機和控制器之間盡可能快地交換才能到達直接分配的目的。少量的數據可以循環傳輸，而過程數據不保存在控制器中，過程數據在主機和控制器之間傳輸，以確保當前輸入和輸出數據的連續交換。

倫茨的參數數據就是所謂的代碼參數的設置。例如，在調試初期系統的初始設置時，參數數據通過參數數據通道進行傳輸，發送方需得到關于傳輸成功與否的確認。參數通道允許訪問所有倫茨代碼和CANopen函數，參數的更改會自動存在控制器中，一般來說，參數傳遞時間不是最為關鍵的步驟，不需要實時傳遞。

2.2.3 POWERLINK總線同步設置

在升降地板四軸同步控制中需要在POWERLINK同步功能模塊中進行設置。POWERLINK是支持標準以太網的實時協議，該協議確保能以可配置的響應時間在很短的周期內傳輸時間關鍵型數據。POWERLINK支持1588分布式時鐘協議，每個循環周期的開始，主站都會廣播一個包含網絡時間信息的SOC數據幀到網絡上，而SOC幀另外具備兩種功能，時鐘同步功能和動作動能。利用網絡時間來同步網絡中所有設備的分布式時鐘，讓網絡上所有的設備有一個共同的基準，POWERLINK主站MN在每一個循環周期內將soC數據幀廣播到網絡上，網絡上所有節點可以將這個時間作為統一的網絡時間。設置好IP地址和通信端口等參數后，在POWERLINK模塊上將DIP開關地址撥動到與Engineer軟件中設定值一致。設定第一軸控制器為主軸控制器，安裝POWERLINK MN型總線模塊，其IP地址為240。其他2軸、3軸、4軸為隨動從軸，安裝POWERLINKCN型總線模塊，IP地址分別為1、2、3。用RJ45型網線將模塊上的網口級聯上，當各軸模塊通信正常上模塊上BS指示燈為常綠狀態，各軸同步狀態調整完成。

3 試驗技術研究

在正式做地面效應型號試驗之前，首先要進行帶地板的標模試驗。通過對實驗數據的分析來驗證地面效應系統各項設計是否達到指標。將模型用腹撐機構安裝在試驗段內，如圖4所示。在恒定的動壓下改變模型的迎角α或側滑角β，用天平測量作用于模型上的氣動力及力矩。

該次地效試驗測試所用的標模為常規布局的飛機模型，即由機身、機翼、平尾和垂尾組成，這種常規布局的飛機在起飛與著陸過程中做近地面飛行時，繞機翼與繞水平尾翼的流動因受地面存在的影響而改變了流動狀態，使下洗流減小，有效迎角增大，結果使機翼與水平尾翼的升力增大，試驗狀態為不帶地板與帶地板比較試驗。

圖4 帶地板模型安裝圖

圖5 風速70 m時標模縱向試驗升力曲線圖

3.1 角度范圍

迎角α（-6°～20°），側滑角β（-16°～16°）。

3.2 地板高度

距模型水線：H=881 mm，H=300 mm。

3.3 支撐方式

腹撐單支桿支撐。

3.4 風速

V=70 m/s。

地效標模的縱向試驗共包括3種狀態：無地板狀態、地板距模型水線881 mm及地板距模型水線300 mm，試驗結果表明隨著地板距模型水線高度的減小，模型零迎角升力系數增大，升力線斜率增大，如圖5所示，誘導阻力減小，縱向靜安定度增大。試驗數據符合地效對飛機的影響規律。

4 結語

該項目對地面效應試驗的控制系統進行了測試，之后又通過標模試驗驗證了系統的有效性。從項目測試結果來看，地面效應試驗控制系統的設計指標均達到要求。系統控制精度高、運行穩定、擴展性強，POWERLINK以太網總線的多軸同步控制功能處于國內領先水平。