CN104360689A - 攻角机构角度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种攻角机构角度控制系统，其包括角度控制上位机、角度控制cRIO实时控制器、位移传感器、电液伺服阀、液压总电磁阀和电源；角度控制cRIO实时控制器与角度控制上位机、位移传感器、电液伺服阀和液压总电磁阀连接，用于通过控制液压总电磁阀以开启或关断攻角机构驱动用伺服液压油缸的液压油路；还用于通过位移传感器输出的数据得到攻角机构实际角度值，并根据得到的攻角机构实际角度值和攻角机构角度运行目标值，得到攻角机构角度差值，并根据攻角机构角度差值对电液伺服阀进行控制以改变攻角机构实际角度值至攻角机构角度运行目标值。本发明能满足攻角机构角度控制要求，提供高性能实时闭环控制，保证角度定位控制快速和高精度需求。

Description

攻角机构角度控制系统

技术领域

本发明涉及一种攻角机构角度控制系统，适用于液压单臂驱动型攻角机构角度调节。

背景技术

大型风洞中，通常配置有大型攻角机构，要求攻角机构运行速度快，而且定位精度高。由于采用大型攻角机构，驱动则采用伺服液压缸进行驱动。而目前攻角机构角度控制系统多直接采用工控机进行控制。

攻角机构角度控制系统直接采用工控机进行控制方式，通常将普通工控机放置于中心控制间内，将所有信号直接引入中心控制间，角度控制由工控机来实现，这种类型的系统叫做集中控制系统。而这种控制系统只能满足小型风洞的需要。如今建造的大型风洞，风洞试验室的面积较大，测量与控制对象比较分散，距离中心控制间比较远，如果仍然采用集中控制系统方式进行控制，就会存在以下几方面的问题：

(1)角度控制电缆均需进出中心控制间，电缆数据较多，距离长，造价较高，而且给风洞调试与检修速来不便；

(2)模拟信号经过长距离传输，线路损失大，而且难以解决信号的干扰问题，降低了系统工作的可靠性；

因此，采用工控机中核心的集中控制方式，不能满足大型风洞攻角机构角度控制系统需要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种攻角机构角度控制系统，其包括：角度控制上位机、角度控制cRIO实时控制器、位移传感器、电液伺服阀、液压总电磁阀和电源；所述角度控制上位机用于接收外部的预设参数，并将所述预设参数发送至所述角度控制cRIO实时控制器，所述预设参数至少包括攻角机构角度运行目标值；所述角度控制cRIO实时控制器与所述角度控制上位机、所述位移传感器、所述电液伺服阀和所述液压总电磁阀连接，用于通过控制所述液压总电磁阀以开启或关断攻角机构驱动用伺服液压油缸的液压油路；还用于通过所述位移传感器输出的数据得到所述攻角机构实际角度值，并根据得到的所述攻角机构实际角度值和所述攻角机构角度运行目标值，得到攻角机构角度差值，并根据所述攻角机构角度差值对所述电液伺服阀进行控制以改变所述攻角机构实际角度值至所述攻角机构角度运行目标值；所述电源用于为所述角度控制cRIO实时控制器、所述位移传感器和所述电液伺服阀提供电源。

在如上所述的攻角机构角度控制系统，优选，所述角度控制上位机包括参数设置模块、数据通信模块和存储模块；所述参数设置模块用于接收外部的预设参数；所述存储模块用于存储所述预设参数；所述数据通信模块与所述角度控制cRIO实时控制器通信连接以将所述预设参数发送至所述角度控制cRIO实时控制器。

在如上所述的攻角机构角度控制系统，优选，所述数据通信模块与所述角度控制cRIO实时控制器通过以太网TCP/IP协议进行通信连接。

在如上所述的攻角机构角度控制系统，优选，所述角度控制cRIO实时控制器包括：与所述位移传感器连接的A/D模块、与所述电液伺服阀连接的D/A模块、与所述液压总电磁阀连接的DO模块、DI模块以及分别与所述A/D模块、所述D/A模块、所述DO模块和所述角度控制上位机连接的实时控制器CPU；所述DI模块用于采集外部输入的使能信号并输出给所述实时控制器CPU；所述实时控制器CPU用于将所述使能信号发送给所述角度控制上位机，以使所述角控制上位机在接收到所述使能信号之后，向所述实时控制器CPU发送所述预设参数和开启所述液压油路的启动信号或关断所述液压油路的关断信号；所述DO模块用于根据所述启动信号或所述关断信号控制所述液压总电磁阀以开启所述液压油路或关断所述液压油路；所述A/D模块用于采集所述位移传感器的数据，所述实时控制器CPU还用于根据所述所述A/D模块采集的所述位移传感器的数据得到所述攻角机构角度实际值，并与所述攻角机构角度运行目标值作比较以获取攻角机构角度差值；所述D/A模块用于接收所述实时控制器CPU发送的所述攻角机构角度差值，并通过所述电液伺服阀调节所述攻角机构角度的实际值至所述攻角机构角度运行目标值。

在如上所述的攻角机构角度控制系统，优选，所述角度控制上位机通过所述数据通信模块与所述角度调节cRIO实时控制器进行基于TCP/IP协议的数据交互，通过如下步骤进行：步骤1、判断所述角度控制上位机与所述角度调节cRIO实时控制器的以太网端口是否连接成功，若连接成功，则进入步骤2，否则数据通信模块停止工作；步骤2、将所述参数设置模块中输入的攻角机构角度运行目标值作为下行数据，写入到所述角度调节cRIO实时控制器的以太网端口中；步骤3、所述角度控制上位机从所述角度调节cRIO实时器的以太网端口中读取上行数据，并判断所述上行数据是否为空，若不为空，则将所述上行数据写入到所述存储模块中，之后进入步骤4；步骤4、若所述角度控制上位机与所述角度调节cRIO实时控制器之间通信正常，则返回到步骤2，否则终止。

在如上所述的攻角机构角度控制系统，优选，所述位移传感器为直线磁致位移传感器，所述电液伺服阀为二位四通电磁阀，所述电源为直流电源。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)、本发明可以实现大型攻角机构的角度快速定位，对于大型风洞等设备能节省试验时间，节省试验成本具有十分重要意义。

(2)、本发明采用实时控制器作为控制核心，具有高可靠性，能满足高可靠性设备使用。

(3)、本发明具有较好的扩展性，可实现攻角机构上多自由度控制(如攻角α、偏航角β、滚转角γ、沿风洞轴向X移动、机构插入风洞Y方向移动)，适用于复杂的攻角机构。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种攻角机构角度控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的角度控制上位计算机的数据通信模块的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种角度控制cRIO实时控制器角度调节过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种攻角机构角度控制系统，其包括：角度控制上位机(或角度控制上位计算机)1、角度控制cRIO实时控制器2、位移传感器3、电液伺服阀4、液压总电磁阀5和电源，该攻角机构8为液压驱动，需配置液压驱动油源、驱动用伺服液压缸7(驱动用伺服液压油缸)、电液伺服阀和液压总电磁阀。

其中，角度控制上位机1用于接收外部的预设参数，并将预设参数发送至角度控制cRIO实时控制器2，预设参数至少包括攻角机构角度运行目标值，应用时，该预设参数还可以包括启动指令。

具体地，角度控制上位机1包括参数设置模块、数据通信模块和存储模块；参数设置模块用于接收外部的预设参数，操作人员通过该参数设置模块输入预设参数；存储模块用于存储预设参数；数据通信模块与角度控制cRIO实时控制器2通信连接以将预设参数发送至角度控制cRIO实时控制器2，优选，该通信连接方式为基于TCP/IP协议的通信连接，即数据通信模块优选为TCP/IP数据通信模块。实际中，角度控制上位机放置于控制间内部，其硬件可采用研华工控机，该工控机安装有Windows7操作系统，自带10/100Mbps以太网接口；其软件可采用基于美国NI公司LabVIEW2012软件进行开发。

其中，位移传感器3设置于攻角机构驱动用伺服液压油缸内部，用于测量伺服液压油缸的伸出长度或反映伺服液压油缸缸杆的伸出长度，应用时，位移传感器3随着伺服液压油缸(伺服液压缸缸杆)伸出或缩回(伺服用液压油缸的伸出长度发生变化)改变输出电压信号量，该电压信号表示攻角机构角度值(该角度值为攻角机构实际角度值)，其输送至角度控制cRIO实时控制器。

该位移传感器优选为直线磁致位移传感器，实际中，该直线磁致位移传感器可以为攻角机构驱动用伺服液压缸自带，其为美国MTS公司生产，供电电压为直流24V，输出电压信号信号0～10VDC，传感器精度为0.02％FS。

电液伺服阀4用于通过控制伺服液压油缸的伸出或缩回改变其内部阀芯位置，从而实现攻角机构角度值(攻角机构实际角度值)的改变，例如实现攻角机构实际角度值改变至攻角机构角度运行目标值。应用时，改变电液伺服阀的控制电压信号，即可实现伺服液压缸的伸出或缩回。优选，电液伺服阀为二位四通电磁阀。实际中，电液伺服阀可选用美国MOOG公司D633系列产品，控制信号为-10～10VDC，需外接直流24V电源。

液压总电磁阀5用于开启/关断液压油路，该液压油路连接液压驱动油源和电液伺服阀5，应用时，液压总电磁阀5在得电状态下开启液压油路，液压驱动油源能接入电液伺服阀；在失电状态下，液压总电磁阀5关断液压油路，进而切断液压驱动油源，并保证攻角机构不动作。实际中，液压驱动油源压力可选为16MPa。伺服液压缸(伺服液压油缸)可选用意大利ATOS公司生产CKM系列产品。液压总电磁阀5可选用ATOS公司产品，为直流24V控制，当电压为直流24V时，液压总电磁阀处于得电状态，其导通；当电压为直流0V时，液压总电磁阀处于失电状态，其关闭。

角度控制cRIO实时控制器2与角度控制上位机1连接，用于接收角度控制上位机1发送的预设参数。

角度控制cRIO实时控制器2还与位移传感器3和电液伺服阀4分别连接，用于通过位移传感器3输出的数据(电压信号)得到攻角机构实际角度值，并根据得到的攻角机构实际角度值L和攻角机构角度运行目标值Lg，得到攻角机构角度差值，并根据攻角机构角度差值对电液伺服阀4进行控制以改变攻角机构实际角度值至攻角机构角度运行目标值；应用时，基于攻角机构机械关系通过预先将位移传感器输出的电压信号与攻角机构实际角度值进行标定，得到该传感器输出电压值与攻角机构角度值对应关系式，即建立位移传感器输出信号与攻角机构实际角度值的对应关系，根据该对应关系式，通过位移传感器输出电压值计算得到攻角机构实际角度值L。需要说明的是：攻角机构角度控制系统所涉及的角度可以为攻角α、偏航角β、滚转角γ、沿风洞轴向X移动、机构插入风洞Y方向移动，即攻角机构角度控制系统可实现攻角机构上多自由度控制。

角度控制cRIO实时控制器2还与电液伺服阀4和液压总电磁阀5连接，用于通过控制液压总电磁阀5以开启或关断攻角机构驱动用伺服液压油缸的液压油路；

具体地，角度控制cRIO实时控制器2包括A/D模块、D/A模块、DO模块、DI模块以及实时控制器CPU。

A/D模块21与位移传感器3和实时控制器CPU 25连接，用于接收位移传感器3输出的电压信号，并将该电压信号发送至实时控制器CPU 25。

D/A22模块与电液伺服阀4和实时控制器CPU 25连接，用于接收来自于实时控制器CPU 25的用于控制电液伺服阀4的控制电压信号，并将该控制电压信号发送至电液伺服阀4。

DI模块23与实时控制器CPU 25连接，用于采集外部输入的使能信号并输出至实时控制器CPU 25。

DO模块24与液压总电磁阀5和实时控制器CPU 25连接，用于接收来自于实时控制器CPU 25启动信号或关断信号并将该启动信号或关断信号发送至液压总电磁阀5，启动信号用于控制液压总电磁阀5以开启液压油路，关断信号用于控制液压总电磁阀以关断液压油路。

实时控制器CPU 25还与角度控制上位机1连接，用于将DI模块23发送来的能信号发送给角度控制上位机1，以使角控制上位机1在接收到使能信号之后，向实时控制器CPU 25发送预设参数和开启液压油路的启动信号或关断液压油路的关断信号；

角度控制cRIO实时控制器中的实时控制器CPU与角度控制上位机的数据通信模块优选进行基于TCP/IP协议的数据交互，即数据通信模块为TCP/IP数据通信模块，其通过如下步骤进行，如图2所示：

步骤1、判断角度调节控制上位机与角度调节cRIO实时控制器的以太网端口是否连接成功，若连接成功，则进入步骤2，否则TCP/IP数据通信模块停止工作；

步骤2、将参数设置模块中输入的角度运行目标值作为下行数据，写入到角度调节cRIO实时控制器的以太网端口中；

步骤3、角度调节控制上位机从角度调节cRIO实时器的以太网端口中读取上行数据，并判断上行数据是否为空，若不为空，则将上行数据写入到存储模块中，之后进入步骤4；

步骤4、若角度调节控制上位机与角度调节cRIO实时控制器之间通信正常，则返回到步骤2，否则终止。实际中，可以按周期为100ms定时重复上述写/读角度控制cRIO实时控制器以太网端口数据过程，本实施例并不对该周期进行限定，还可以为150ms。

实时控制器CPU还用于根据A/D模块21采集的位移传感器的数据得到攻角机构角度实际值L，并与攻角机构角度运行目标值Lg作比较以获取攻角机构角度差值(控制电液伺服阀的控制电压信号)，将该攻角机构角度差值通过D/A模块发送至电液伺服阀4，从而使得电液伺服阀根据攻角机构角度差值对其内部的阀芯位置进行改变来实现将攻角机构实际角度值L改变至攻角机构角度运行目标值Lg。

也就是说实时控制器CPU负责运行实时操作系统，进行数据采集、处理与存储，并负责TCP/IP数据交换。A/D模块进行数据采集，完成位移传感器(例如直线磁致位移传感器)输出信号的采集。D/A模块输出电信号对电液伺服阀进行控制。DI模块对使能信号进行采集，当使能信号为直流24V时，系统才能进行调节控制。DO模块输出开关量信号对液压总电磁阀进行控制，实现开启/关断液压油路功能。换言之：DI模块采集外部输入的使能信号并输出给实时控制器CPU，实时控制器CPU将该使能信号发送给角度控制上位机，角度控制上位机接收到使能信号之后，向实时控制器CPU发送启动信号、角度运行目标值，实时控制器CPU先通过DO模块控制液压总电磁阀开启液压油路，之后再通过A/D模块采集直线磁致位移传感器输出值，与角度运行目标值进行比较，再通过D/A模块向电液伺服阀发送指令(控制电压信号)，调节攻角机构的角度，从而实现对攻角机构角度的调节控制。

参见图3，角度控制cRIO实时控制器对攻角机构角度进行调节时采用的方法为位置调节闭环的数字PID控制方法，即实时控制器CPU采集直线磁致位移传感器输出电压值，计算得到攻角机构实际角度值L，与角度运行目标值Lg进行比较，计算出差值，根据得到的差值通过L数字PID调节器的L数字PID算法，计算出向电液伺服阀发送的电压值(电信号值或控制电压信号)，再通过D/A模块将该电压值发送出去，以调节攻角机构的角度，进而改变攻角机构实际角度值，从而实现将攻角机构角度调节至攻角机构角度运行目标值。

实际中，角度控制cRIO实时控制器可选用美国NI公司cRIO系统产口。实时控制器CPU可选用9022，533MHz，256M内存(配置9116机架)；A/D模块可选用9215，4通道-10～10VDC输入，16位A/D转换器；D/A模块可选用9263，4通道-10～10VDC输出；DI模块可选用9421，8通道直流24V输入；DO模块可选用9481，4通道干触点继电器。

电源用于为角度控制cRIO实时控制器、位移传感器和电液伺服阀提供电源，其优选为直流电源6，实际中，直流电源6可选用SIEMENS公司生产直流24V开关电源，最大输出电流为10A。

本发明提供的攻角机构角度控制系统，既能满足大型攻角机构角度控制要求，又能提供高性能实时闭环控制，能够保证角度定位控制快速和高精度需求。

综上所述，本发明实施例的有益效果如下：

(1)、本发明可以实现大型攻角机构的角度快速定位，对于大型风洞等设备能节省试验时间，节省试验成本具有十分重要意义。

(2)、本发明采用实时控制器作为控制核心，具有高可靠性，能满足高可靠性设备使用。

(3)、本发明具有较好的扩展性，可实现攻角机构上多自由度控制(如攻角α、偏航角β、滚转角γ、沿风洞轴向X移动、机构插入风洞Y方向移动)，适用于复杂的攻角机构。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种攻角机构角度控制系统，其特征在于，包括：角度控制上位机、角度控制cRIO实时控制器、位移传感器、电液伺服阀、液压总电磁阀和电源；

所述角度控制上位机用于接收外部的预设参数，并将所述预设参数发送至所述角度控制cRIO实时控制器，所述预设参数至少包括攻角机构角度运行目标值；

所述角度控制cRIO实时控制器与所述角度控制上位机、所述位移传感器、所述电液伺服阀和所述液压总电磁阀连接，用于通过控制所述液压总电磁阀以开启或关断攻角机构驱动用伺服液压油缸的液压油路；还用于通过所述位移传感器输出的数据得到所述攻角机构实际角度值，并根据得到的所述攻角机构实际角度值和所述攻角机构角度运行目标值，得到攻角机构角度差值，并根据所述攻角机构角度差值对所述电液伺服阀进行控制以改变所述攻角机构实际角度值至所述攻角机构角度运行目标值；

所述电源用于为所述角度控制cRIO实时控制器、所述位移传感器和所述电液伺服阀提供电源。

2.根据权利要求1所述的攻角机构角度控制系统，其特征在于，所述角度控制上位机包括参数设置模块、数据通信模块和存储模块；

所述参数设置模块用于接收外部的预设参数；

所述存储模块用于存储所述预设参数；

所述数据通信模块与所述角度控制cRIO实时控制器通信连接以将所述预设参数发送至所述角度控制cRIO实时控制器。

3.根据权利要求2所述的攻角机构角度控制系统，其特征在于，所述数据通信模块与所述角度控制cRIO实时控制器通过以太网TCP/IP协议进行通信连接。

4.根据权利要求1所述的攻角机构角度控制系统，其特征在于，所述角度控制cRIO实时控制器包括：与所述位移传感器连接的A/D模块、与所述电液伺服阀连接的D/A模块、与所述液压总电磁阀连接的DO模块、DI模块以及分别与所述A/D模块、所述D/A模块、所述DO模块和所述角度控制上位机连接的实时控制器CPU；

所述DI模块用于采集外部输入的使能信号并输出给所述实时控制器CPU；

所述实时控制器CPU用于将所述使能信号发送给所述角度控制上位机，以使所述角控制上位机在接收到所述使能信号之后，向所述实时控制器CPU发送所述预设参数和开启所述液压油路的启动信号或关断所述液压油路的关断信号；

所述DO模块用于根据所述启动信号或所述关断信号控制所述液压总电磁阀以开启所述液压油路或关断所述液压油路；

所述A/D模块用于采集所述位移传感器的数据，

所述实时控制器CPU还用于根据所述所述A/D模块采集的所述位移传感器的数据得到所述攻角机构角度实际值，并与所述攻角机构角度运行目标值作比较以获取攻角机构角度差值；

所述D/A模块用于接收所述实时控制器CPU发送的所述攻角机构角度差值，并通过所述电液伺服阀调节所述攻角机构角度的实际值至所述攻角机构角度运行目标值。

5.根据权利要求3所述的攻角机构角度控制系统，其特征在于：所述角度控制上位机通过所述数据通信模块与所述角度调节cRIO实时控制器进行基于TCP/IP协议的数据交互，通过如下步骤进行：

步骤1、判断所述角度控制上位机与所述角度调节cRIO实时控制器的以太网端口是否连接成功，若连接成功，则进入步骤2，否则数据通信模块停止工作；

步骤2、将所述参数设置模块中输入的攻角机构角度运行目标值作为下行数据，写入到所述角度调节cRIO实时控制器的以太网端口中；

步骤3、所述角度控制上位机从所述角度调节cRIO实时器的以太网端口中读取上行数据，并判断所述上行数据是否为空，若不为空，则将所述上行数据写入到所述存储模块中，之后进入步骤4；

步骤4、若所述角度控制上位机与所述角度调节cRIO实时控制器之间通信正常，则返回到步骤2，否则终止。

6.根据权利要求1所述的攻角机构角度控制系统，其特征在于，所述位移传感器为直线磁致位移传感器，所述电液伺服阀为二位四通电磁阀，所述电源为直流电源。