CN104655392A - 用于风洞全柔壁喷管的同步控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于风洞全柔壁喷管的同步控制系统的控制方法，所述同步控制系统包括左右侧壁板、柔板、前后端板、驱动机构，其中，所述左右侧壁板左右平行布置，所述柔板为上下对称布置的两个柔板，与所述左右侧壁板共同构成侧面密闭的柱体，在所述柔板的背气流面上布置有多个铰链支撑点，并通过铰链支撑点与所述驱动机构相连，所述前后端板被垂直安放在所述柱体的两端，具有外圆内方结构，风洞气流从所述柱体的一端进、另一端出，所述前后端板对所述柔板起固定安装作用。

Description

用于风洞全柔壁喷管的同步控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及亚超声速试验风洞领域，涉及一种马赫数位控系统及控制方法，尤其涉及一种用于全柔壁喷管的同步控制系统和控制方法。

背景技术

风洞(wind tunnel)，是人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，风洞在结构上大体可分为稳定段、收缩段、试验段、扩散段和风扇段等功能段，传统风洞在收缩段上多采用固块喷管、半柔壁喷管的方式。固块喷管在不同马赫数试验时需要更换不同的固块，半柔壁喷管的柔壁轴在控制上经历了STD工控机，IPC工控机，然后是Compact PCI简称(CPCI)，可编程控制器PLC产品，分布式(DCS)系统，运动控制卡等。控制同步运行电机的数量不大，一般在十几个之内。对多达几十个电机的同步控制，实现过程繁琐，实时性差，稳定性也不好。

发明内容

本发明采用技术更为先进的全柔壁喷管，通过多电机控制风洞内壁形成不同的曲面，形成不同的流场及流速，具有较宽的马赫数调节范围，可连续改变试验马赫数，并可得到较好的流场品质，能够大幅提高风洞试验的柔性和效率，降低风洞试验费用。同时解决了多轴同步控制，保证了系统运行通畅，平稳无卡滞。

考虑到现有技术中的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种用于全柔壁喷管的同步控制系统及控制方法。所述控制方法是基于EtherCAT总线技术的多电机同步运动控制方法。全柔壁喷管的一个型面(上下对称，共有两个型面)的生成需要例如28个电机同时运行来完成。所述EtherCAT总线同时用作驱动总线、高速I/O信号和通信总线；所述28个驱动电机分别与相应的减速器相连，采用耦合方法实现控制驱动电机同步运转。本控制方法保证了全柔壁喷管系统型面运行的精准度、可重复性、安全性，提高了生产质量和效率。

根据本发明的实施例，提供了一种用于全柔壁喷管的同步控制系统的控制方法，所述同步控制系统包括包括左右侧壁板、柔板、前后端板、驱动机构，其中，所述左右侧壁板左右平行布置，所述柔板为上下对称布置的两个柔板，与所述左右侧壁板共同构成侧面密闭的柱体，在所述柔板的背气流面上布置有多个铰链支撑点，并通过铰链支撑点与所述驱动机构相连，所述前后端板被垂直安放在所述柱体的两端，具有外圆内方结构，风洞气流从所述柱体两的一端进、另一端出，所述前后端板对所述柔板起固定安装作用。

本发明的有益效果主要在于：本发明通过耦合方法实现控制驱动电机同步运转，保证了全柔壁喷管系统型面运行的精准度、可重复性、安全性，提高了生产质量和效率，整个运行过程通畅，平稳无卡滞，达到了很好的效果，同时大大缩短了开发时间，降低了故障率，降低了成本。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制系统的总体配置示意图；

图2是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制系统的系统架构图；

图3是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制方法的示意流程图；以及

图4是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制系统的功能模块示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

再者，本领域的技术人员应当理解，本说明书的附图仅为用来说明本发明的原理的示意图，其中的各个部分/模块并非完整和对应的表示，不构成对本发明的限制。本发明的实施例可按照实际应用而对附图进行添加/修改，或省略附图中示出的各个部分。

首先，参照附图来描述本发明的用于全柔壁喷管的同步控制系统的结构。

图1是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制系统的总体配置示意图。

如图1所示，根据本发明的实施例，全柔壁喷管的同步控制系统由机架、左右侧壁板、柔板、前后端板、驱动机构、支座及周边部件等组成。两个左右侧壁板左右平行布置，两个柔板上下对称布置。在柔板的背气流面上布置许多铰链支撑点，一个驱动机构，在垂直气流方向，有二个支撑点，它们的距离相同，多个驱动机构的支撑点构成两排直线。也就是说，沿着风洞气流方向，在柔板上依次布置两排铰链支撑点，所述两排铰链支撑点呈两条直线，沿着风洞气流方向的每个位置处的两个铰链支撑点之间的间距相同。一个柔板上共有56个支撑点，并通过铰链支撑点与驱动机构相连。通过控制驱动机构的行程来控制柔板的弯曲形状，使之与喷管理论气动型面相吻合，以得到不同试验马赫数(M＝1～4)的柔壁喷管型面，保证试验要求的马赫数和气流均匀度。

作为示例，上下对称的两个柔板各连接有28个驱动机构，每组驱动机构包括28个驱动电机。同步控制系统要保证同组的28台驱动电机以各自的速度(加速度)同时驱动螺旋升降机丝杠上下运动。马赫数型面调节是各个柔板节点(铰链支撑点)同时运行以实现多电机的同步控制。这种亚超音速变马赫数喷管的高精度运动控制对风洞流场的建立非常重要。

通过控制柔板的弯曲形状使之与喷管理论气动型面相吻合。因此在形成型面时，要同时对柔板的上下对称的28个电机进行位置同步协调控制，对控制系统可靠性、精确度、重复性、同步性要求高。

控制系统分成三组，上、下柔板两组各28个电机，双侧壁板和端盖共一组有12个电机。采用三台嵌入式控制器，上下柔板各一台，侧壁板和端盖合用一个控制器。侧壁板在维修时，打开，维修人员才能进行系统内部。端盖是对柔板的末端锁紧装置，在柔板调节之前，打开锁紧，柔板调节完成，吹风之前，对柔板的末端锁紧。一块侧壁板的打开需要控制器协调控制4套驱动机构同时工作才能完成。系统采用实时以太网EtherCAT建立嵌入式控制器和电机驱动器之间的通信，系统构架图见图2。

图4是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制系统的功能模块示意图。

如图4所示，所述同步控制系统是基于EtherCAT总线技术的多轴同步运动控制系统，主要包括控制计算机、运动控制器、数字量输入、数字量输出，安全保护系统与若干组驱动机构。每组驱动机构包括伺服驱动器、驱动电机、减速器、螺旋升降机与绝对值编码器。

下面逐一说明上述各部分的构成和作用。

主控计算机：系统的管理计算机。各个电机伺服控制系统的参数调节、型面数据管理、试验管理、柔板状态的实时显示、数据通讯等功能。

嵌入式控制器，运行Twincat软件，电机伺服控制系统的指令生成、分别用于上下柔板和侧壁板及端盖的控制实现位置闭环运算。

系统采用实时以太网方式建立上位机、下位机和电机控制器之间的通讯。

数字量输入：为了确保安全运行，引入运行条件变量(系统上电、开使能、系统急停等)与安全保护参数(接近开关报警)。

数字量输出：运行状态的输出与显示—例如运行、报警。

安全保护系统：扭矩安全保护、应力报警保护—系统有数据采集系统，检测柔板的所感受的应力、电缆断线保护等。

数字量输入、数字量输出、安全保护系统通过Twincat总线方式连接嵌入式控制器。

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，与伺服电机组成一个高精度的定位系统，可以实现比较复杂的控制算法，使控制实现数字化、网络化、智能化。减速器是一种精密机械，降低转速，增加转距。螺旋升降机，它把旋转运动转成直线运动，放大了推力。绝对值编码是检测元件，用来检测转角位置并可转换成直线运行距离，实现精确控制。

整个柔壁控制系统的前端是交流永磁电机伺服控制系统。它是由嵌入式控制器、驱动器、交流伺服电机、螺旋升降机、减速器和多圈绝对值编码器构成的位置闭环控制系统。

嵌入式控制器与驱动器、功能模块之间采用的是EtherCAT总线。

主控计算机可采用MS Windows操作系统。嵌入式控制器安装了WindowsEmbedded操作系统，采用TwinCAT软件作为Windows操作系统的一个实时内核，把控制器转换成一个实时服务器。事实上，TwinCAT可以将PC变成一个实时控制器，控制由嵌入式驱动器、电机、反馈元件组成的闭环系统。柔板的实际位置通过绝对值编码器作为反馈组成位置环，嵌入式控制器实现位置闭环运算，电机内置有速度闭环控制。在多控制器的系统中，二者之间建立了路由关系，控制器之间即可进行EtherCAT通信。

软件分为现场的应用软件和运行在控制器上的TwinCAT-PLC控制软件两部分组成。我们编写的柔板型面控制软件在主控计算机上运行，它完成型面参数的编辑、下载，安全参数的设置，型面运行的数据与状态回显等。软件开发环境采用Lab WINDOWS/CVI，它支持通用C语言编程。在嵌入式控制器上运行我们用PLC编写的控制软件。

在柔板运动控制过程中，上下柔板的定位，调节方式为：从一种马赫数变化到另一种马赫数型面，各组驱动机构按照运行时间相等的原则同时启动、同时到位，其各自的匀速运行时间、加(减)速时间均相等。因此多电机同步控制方法是该控制系统设计的关键之一。为了实现多电机同步控制，发明人设计耦合方法，根据型面位置不同找到主控电机，计算出系统运行的速度、加速度并赋值给主控电机，由耦合系数保证了系统其它执行机构的运行速度都比设定的运行速度小，从而保证了系统运行通畅，平稳无卡滞。

根据本发明的实施例，各个驱动机构的加速度和速度(即，柔板的每个铰链支撑点上的速度和加速度)可控，并采用EtherCAT总线通信，用来传递驱动机构的运行参数。每一次型面变化前采用耦合方法确定驱动电机之中的主控电机和其它电机(伺服电机)的耦合系数，然后，主控电机和其它电机根据耦合系数耦合运行，实现控制伺服电机同步运转。具体地，根据所需的柔板型面位置、运行时间，计算出驱动机构运行的速度、加速度。在每一次型面变化时，它的速度、加速度是定值，过程是渐启→匀速→渐停，渐启、渐停阶段的时间是一样的(起止速度和加减速度对应相同)，可设置，例如，5秒。例如，匀速阶段的速度V_t＝柔板型面在匀速阶段的位置变化量/(运行时间-10)，单位为秒。根据运动学公式，V_t＝V_o+at,V_o为整个控制过程的初始速度(或者终止速度)，其为0，加速度a_t＝±Vt/t,t是渐启/渐停时间，其中对于渐启阶段，a_t取+，对于渐停阶段，a_t取-。将计算出的速度V_t、加速度a赋值给主控电机，并通过耦合系数计算其它受控电机的各自的速度V_t、加速度a。由耦合系数保证了其它驱动电机的运行速度都比设定运行速度小，从而保证了系统运行通畅，平稳无卡滞；所述EtherCAT总线用于建立嵌入式控制器和电机驱动器之间的通信、多个控制器之间的通信。

图3是根据本发明的实施例的用于全柔壁喷管的同步控制方法的示意流程图。

如图3所示，主控计算机选择当前试验型面，如果当前试验选择的是柔板，则进入柔板控制界面并选择一种马赫数；如果选择的是侧壁板，则进入侧壁板控制界面选择当前试验通道。

下面介绍所述耦合方法。

每次试验的型面变化，始终遵循同时启动同时到达的原则。主控计算机通过网络读取了绝对值编码器型面的当前位置，通过软件代码编写找出型面变化中，变化距离绝对值最大的作为主控电机。故每一次型面的变化，它的主控电机都有可能不一样。在软件控制界面将系统设定的运行速度、加速度、减速度直接赋给主控电机，设定主控电机的耦合系数是1。其它电机的耦合系数定义是：电机的当前位置减去预设位置得到的绝对位置量，与主控电机的绝对位置的变化量的比率，它小于等于1，这样就保证了系统其它电机的运行速度都比设定的主控电机的运行速度小。通过正负号可知方向。各个电机的运行速度将通过耦合系数自动计算主控电机(主轴)的匀速运行速度是Vt，轴N的匀速运行速度即为V_N＝V_t*R_N，计算各个受控电机的启动加速度、终止减速度a_N＝a_t*R_N，其中R_N为轴N的耦合系数。执行后，系统即实现等时同步控制。由于每一次型面的变化，它的主控电机都有可能不一样，耦合系数也不相同，因此每次运行之前，都要执行解耦、计算耦合系数、偶合、运行的操作步骤。

在风洞全柔壁软件控制界面，确定主控电机和其它电机的耦合系数，以及电机的安全扭矩保护值，以一个数据结构的形式通过ADS发送到嵌入式控制器的PLC模块，然后伺服控制系统驱动柔板发生型变，到达相应位置，运行过程中由绝对值编码器进行位置反馈并实时显示、保存。试验结束后可进行试验数据回放。系统根据位置反馈的情况进行实时调节。

所有执行机构必须是同时启、停，所有的伺服电机都到位之后，上位机的到位灯亮则运行灯灭，控制端盖锁紧电机对柔板的活动端进行锁紧，然后系统向风洞状态监控系统发送就绪信号。

电机的定位控制采用TwinCAT_NC的点到点(PTP)定位方法。PTP定位是通过定位算法实现的。在这种算法中，轨迹的生成具有跃度限制以及对速度和加速度的预控制，以便将跟随误差降到最低。

系统的控制目的是通过控制柔板的弯曲形状使之与喷管理论气动型面相吻合，所以柔板的安全防护就显得非常重要，我们采用了跟随误差保护、扭矩安全保护、曲率保护、断线保护、接近开关保护，在多个位置设置了应急开关。控制软件在运行过程中，根据编码器反馈数据(例如位移数据，单位mm)实时判断跟随误差，如果超差(跟随误差过大)则断掉这组所有电机的使能，如出现扭矩(电机的运行数据中有该数据)超限情况，风洞全柔壁控制软件会断掉这组所有电机的使能并急停；出现其它异常情况可采取系统急停措施，断掉整个系统电源。

综上所述，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于风洞全柔壁喷管的同步控制系统，包括左右侧壁板、柔板、前后端板、驱动机构，

其中，所述左右侧壁板左右平行布置，所述柔板为上下对称布置的两个柔板，与所述左右侧壁板共同构成侧面密闭的柱体，

在所述柔板的背气流面上布置有多个铰链支撑点，并通过铰链支撑点与所述驱动机构相连，

所述前后端板被垂直安放在所述柱体的两端，具有外圆内方结构，风洞气流从所述柱体的一端进、另一端出，所述前后端板对所述柔板起固定安装作用。

2.根据权利要求1所述的用于全柔壁喷管的同步控制系统，其中，所述两个柔板各连接有一组驱动机构，每组驱动机构包括多个驱动机构，每个驱动机构包括伺服驱动器、驱动电机、减速器、螺旋升降机、以及绝对值编码器，

所述驱动电机与所述减速器连接，用于同时驱动所述螺旋升降机的丝杠上下运动，所述螺旋升降机的丝杠连接到与该驱动机构对应的铰链支撑点，

所述绝对值编码器用于反馈各个驱动机构的位置数据，

其中，沿着风洞气流方向，在柔板上依次布置两排铰链支撑点，所述两排铰链支撑点呈两条直线，沿着风洞气流方向的每个位置处的两个铰链支撑点之间的间距相同。

3.根据权利要求2所述的用于全柔壁喷管的同步控制系统，其中，

所述驱动电机通过以下步骤控制各个驱动电机同步运转：

步骤1、根据与目标型面相对应的每个驱动机构的预设位置，将位置变化绝对值最大的驱动机构的驱动电机作为主控电机，其它驱动电机作为受控电机；

步骤2、根据预设的驱动电机的总运行时间，计算主控电机所需中间匀速运行速度、启动加速度、终止减速度，并将其发送到主控电机；

步骤3、将各个受控电机的当前位置减去所述预设位置，得到各个受控电机的位置变化绝对值，将各个受控电机的位置变化绝对值除以主控电机的位置变化绝对值，得到的结果作为各个受控电机的耦合系数；

步骤4、根据各个受控电机的耦合系数，计算各个受控电机的中间匀速运行速度、启动加速度、终止减速度参数，并将其发送到各个受控电机；

步骤5、主控电机与各个受控电机根据接收到的中间匀速运行速度、启动加速度、终止减速度参数，同时启动，并同步到达各自的预设位置。

4.根据权利要求3所述的用于全柔壁喷管的同步控制系统，其中，在所述步骤5中，在各个驱动电机同步运转的过程中，接收绝对值编码器反馈的跟随误差数据，如果跟随误差超过预定阈值，则断掉驱动电机使能，并急停。

5.根据权利要求3所述的用于全柔壁喷管的同步控制系统，其中，在所述步骤5中，在各个驱动电机同步运转的过程中，接收驱动电机扭矩数据，如果出现扭矩超限情况，则断掉电机使能并急停。

6.一种用于风洞全柔壁喷管的同步控制系统的同步控制方法，包括如权利要求3至5中的一个所述的各个步骤。

7.根据权利要求6所述的用于全柔壁喷管的同步控制系统的同步控制方法，其中，所述步骤2包括：

步骤2-1、计算中间匀速运行速度V_t＝柔板型面在匀速阶段的位置变化量/(T₀-2×t)，T₀为驱动电机的总运行时间，t为预设的加速时间和减速时间；

步骤2-2、计算启动加速度、终止减速度a_t＝±V_t/t，其中对于启动加速度，a_t取+，对于终止减速度，a_t取-。

8.根据权利要求7所述的用于全柔壁喷管的同步控制系统的同步控制方法，所述步骤4包括：

步骤4-1、计算各个受控电机的中间匀速运行速度V＝V_t*R,其中R为该受控电机的耦合系数，计算各个受控电机的启动加速度、终止减速度a＝a_t*R。