CN105137885A - 一种多开关、多回路协同工作的控制系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多开关、多回路协同工作的控制系统和控制方法，包括计算机控制单元、微型计算机处理单元、光隔离模块和高压触发模块；本发明能够在计算机控制单元的人机交互界面上设置针对航空器不同区域雷电直接效应的试验模式以及雷电流A/Ah波的主开关和CROWBAR开关之间、雷电D波的主开关和CROWBAR开关之间以及多回路雷电A/Ah波、B波、C/C*波和D波之间的时序参数，从而使微型计算机处理单元对雷电流的多开关、多回路协同工作时序进行分析和处理，再通过对高压触发模块的控制达到对航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的综合控制，此控制方法和控制系统也可以用于航空材料、结构件等雷电直接效应的试验。有效解决了现有技术中的技术瓶颈。

Description

一种多开关、多回路协同工作的控制系统和控制方法
技术领域
本发明属于航空器雷电直接效应试验技术领域，涉及航空器雷电直接效应试验的方法和系统，尤其是一种多开关、多回路协同工作的控制系统和控制方法。
背景技术
碳纤维复合材料广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，空客A350XWA上CFRP材料所占的比例达到53％。但相比较传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性能差，这就使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。
大飞机雷电直接效应的试验和测量是目前国内外关注的热点和难点，其主要原因是大飞机雷电直接效应测量的雷电电流波测试装备及控制方法不能满足大飞机所设计的材料、结构件及整机研究和发展的需求，欧盟和美军标规定了航空器雷电直接的试验要求和雷电分量，其中雷电分量包括分量A(首次雷电回击分量)或Ah(首次雷电回击的过渡分量)、B(中间电流分量)、C/C*(持续电流分量)和D(后续回击分量)电流波，其中雷电流分量A、Ah和D波可以用振荡波和单极性波两种形式。由于单极性雷电波能够较好的模拟实际的雷电效应，通常被作为国内外认可的试验波形，其中雷电流分量A/Ah和D波采用的是CROWBAR回路，但大容量、高耐压的CROWBAR开关和控制技术及其多种波形的协同工作的时序控制方法和技术已经成为严重制约了大飞机雷电直接效应试验的和大飞机发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作的控制系统和控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提出一种多开关、多回路协同工作的控制系统：该系统包括计算机控制单元、微型计算机处理单元、光隔离模块和高压触发模块；
所述计算机控制单元由工业控制计算机和可编程序逻辑控制器组成，其作用是进行的时序参数设置、试验模式时序控制、试验状态的控制和在线显示；
所述微型计算机处理单元进行航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作时序的精确分析处理和精确控制；
所述光隔离模块是隔离航空器直接效应的雷电流波形成的强电磁干扰对控制系统的影响，提高航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制系统的稳定性；
所述高压触发模块是为航空器雷电直接效应的各雷电流回路中的多路开关提供高压触发脉冲；
所述光隔离模块由多路光接收电路和光发射电路组成，光发射电路将由计算机控制单元和微型计算机处理单元传输来的控制信号变换为光信号；光发射电路的输出信号经过光纤传输至具有肖特基输出特性的集成电路组成的光接收电路。
上述光发射电路的波长为660nm。
本发明还提出一种多开关、多回路协同工作的控制方法，具体为：在计算机控制单元上设置针对航空器不同区域雷电直接效应的试验模式以及雷电流A/Ah波的主开关和CROWBAR开关之间、雷电D波的主开关和CROWBAR开关之间以及多回路雷电A/Ah波、B波、C/C*波和D波之间的时序参数，计算机控制单元通过光纤通讯传输至微型计算机处理单元，微型计算机处理单元对雷电流A/Ah、B、C/C*和D波的多开关、多回路协同工作时序参数进行分析和处理，输出控制量到光隔离模块，通过对高压触发控制模块的控制从而实现对航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的综合控制。
上述光隔离模块为多通道光隔离控制单元。
本发明具有以下有益效果：
本发明的多开关、多回路协同工作的控制系统和控制方法能够在计算机控制单元的人机交互界面上设置针对航空器不同区域雷电直接效应的试验模式以及雷电流A/Ah波的主开关和CROWBAR开关之间、雷电D波的主开关和CROWBAR开关之间以及多回路雷电A/Ah波、B波、C/C*波和D波之间的时序参数，从而使微型计算机处理单元对雷电流的多开关、多回路协同工作时序进行分析和处理，再通过对高压触发模块的控制达到对航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的综合控制，此控制方法和控制系统也可以用于航空材料、结构件等雷电直接效应的试验。有效解决了现有技术中的技术瓶颈。
附图说明
图1是本发明的航空器雷电直接效应测量的雷电流分量A/Ah波、B波、C/C*波和D波发生回路原理图。
图2是本发明的航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的控制系统组成结构图。
图3为本发明的航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作的雷电流A/Ah波、B波和D波的高压触发脉冲电源结构框图。
图4是本发明的航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的控制方法的控制模式和控制流程；其中(a)为控制模式框图，(b)为控制模式曲线图，(c)为控制流程框图。
具体实施方式
本发明首先提出一种多开关、多回路协同工作的控制系统：包括计算机控制单元、微型计算机处理单元、光隔离模块和高压触发模块；所述计算机控制单元由工业控制计算机和可编程序逻辑控制器组成，其作用是进行的时序参数设置、试验模式时序控制、试验状态的控制和在线显示；所述微型计算机处理单元进行航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作时序的精确分析处理和精确控制；所述光隔离模块是隔离航空器直接效应的雷电流波形成的强电磁干扰对控制系统的影响，提高航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制系统的稳定性；所述高压触发模块是为航空器雷电直接效应的各雷电流回路中的多路开关提供高压触发脉冲；所述光隔离模块由多路光接收电路和光发射电路组成，光发射电路将由计算机控制单元和微型计算机处理单元传输来的控制信号变换为光信号；光发射电路的输出信号经过光纤传输至具有肖特基输出特性的集成电路组成的光接收电路。所述光发射电路的波长为660nm。
本发明的多开关、多回路协同工作的控制方法为：在计算机控制单元上设置针对航空器不同区域雷电直接效应的试验模式以及雷电流A/Ah波的主开关和CROWBAR开关之间、雷电D波的主开关和CROWBAR开关之间以及多回路雷电A/Ah波、B波、C/C*波和D波之间的时序参数，计算机控制单元通过光纤通讯传输至微型计算机处理单元，微型计算机处理单元对雷电流A/Ah、B、C/C*和D波的多开关、多回路协同工作时序参数进行分析和处理，输出控制量到光隔离模块，通过对高压触发控制模块的控制从而实现对航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的综合控制。所述光隔离模块为多通道光隔离控制单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的航空器雷电直接效应测量的雷电流分量A/Ah波、B波、C/C*波和D波回路，其中雷电流分量A/Ah波、D波采用CROWBAR回路，回路中包含放电两个开关——主开关和CROWBAR开关。雷电流分量A波发生回路由储能电容、形成电感、主开关A、CROWBAR开关A和测量A组成，雷电流分量A的波形为单极性，其放电电流峰值、比能和持续时间满足峰值电流200kA(±10％)，作用积分2×106A2s(±20％)(in500μs)，持续时间不大于500μs；雷电流Ah波放电电流的波形为单极性(可以与雷电流分量A发生回路共用)，其放电电流峰值、比能和持续时间满足峰值电流150kA(±10％)，作用积分0.8×106A2s(±20％)(in500μs)，持续时间不大于500μs；雷电流B波发生回路是由电容和电感组成的人工模拟传输线网络，电容和电感的链数至少为8，放电电流用测量B完成，其放电电流峰值、电荷量和持续时间满足峰值电流20kA(±20％)，电荷量10C(±10％)(in500μs)，持续时间不大于5ms；雷电流C/C*波是一持续时间较长的直流电源，放电电流用测量C完成，其放电电流峰值、电荷量和持续时间满足峰值电流200-800A(±20％)，电荷量200C(±10％)，持续时间位0.25s-1s；雷电流D波发生回路由储能电容、形成电感、主开关D、CROWBAR开关D和测量D组成，雷电流分量D的波形为单极性，其放电电流峰值、比能和持续时间满足峰值电流100kA(±10％)，作用积分0.25×106A2s(±20％)(in500μs)，持续时间不大于500μs。
参见图2，本发明的航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制系统结构是由计算机控制单元、微型计算机处理单元、光隔离模块和高压触发模块组成。计算机控制单元由工业控制计算机和可编程序逻辑控制器组成，其作用是进行的时序参数设置、各种试验模式时序控制、试验状态的控制和在线显示；微型计算机处理单元的主要作用是进行航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作的各种时序的精确分析处理和精确控制，由于雷电流分量A/Ah波、D波的控制精度在微秒级，而一般的可编程序控制器的控制精度在毫秒级；光隔离模块的主要作用是隔离航空器直接效应的各种雷电流波形成的强电磁干扰对控制系统的影响，极大提高航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制系统的稳定性；高压触发模块的主要作用是为航空器雷电直接效应的各雷电流回路中的多路开关提供高压触发脉冲。本发明的航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的控制系统的光隔离单元由多路光接收电路和光发射电路组成，光发射电路可以将由控制计算机机和微型计算机单元传输来的控制信号变换为光信号，其光发射器的波长为660nm；光发射器的输出信号经过光纤可以传输至具有肖特基输出特性的集成电路组成的光接收器。这种由光发射器-光接收器组成的光传输控制方式和一般的由光电耦合器组成的电传输控制方式具有更强的抑制雷电流产生的强脉冲电磁干扰的能力，可使航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的控制系统具有极强的稳定性和可靠性。
参见图3，本发明的航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作的雷电流A/Ah波、B波、C/C*波和D波的高压触发模块包括充电电源、储能装置、放电开关、限流电阻以及电隔离单元，由于本发明航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作的雷电流A/Ah波和D波采用CROWBAR电路，其主开关处于悬浮状态，因此要求触发脉冲电源的电隔离单元具有与主回路工作电压相同的电压隔离度，否则将有可能造成高压对触发模块乃至控制系统破坏的可能；高压触发模块的开关由航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路控制系统的微型计算机处理单元和多路光隔离模块控制；高压触发模块的电隔离单元的输出端之间、输出端与输入端之间以及输出端各自对地的隔离电压均不小于CROWBAR电路的工作电压。所说的电隔离模块可以是带有磁芯的变压器，变压器的原边接在电容-开关-限流电阻回路中，电隔离模块的输出作为CROWBAR电路中主开关的高压触发脉冲。所说的高压触发模块安装在具有与地有足够绝缘强度的绝缘支架上，同时高压触发模块采用隔离电源或UPS电源供电，避免雷电流强电磁干扰对高压触发模块、微型计算机处理单元的影响。
参见图4a和图4b，本发明的航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制模式包括雷击1区的A-B-C*(1A区)、A-B-C-D(1B区)和Ah-B-C*(1C区)，雷击2区的D-B-C*(2A区)和D-B-C(2B区)，雷击3区的A/5-B-C*(附着)和A-B-C-D(传导)。
参见图4c，发明的航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制流程是：方法是：
(1)打开航空器雷电直接效应试验的主回路、控制回路及计算机管理系统的供电电源。
(2)启动计算机控制单元的控制软件。
(3)启动计算机管理单元的测量软件。
(4)在计算机控制单元的人机交互界面上设置航空器雷电直接效应的试验模式。
(5)在计算机控制单元的人机交互界面上设置各雷电波自身回路的时序控制参数以及各回路时序控制参数。
(6)在计算机控制单元的人机交互界面上点击“确定”，将所有的控制参数传输至微型计算机控制处理单元。
(7)在计算机控制单元的人机交互界面上设定所选控制模式的各发生回路的充电电压或工作电压。
(8)按“高压通”接通航空器雷电直接效应测试的所设定的控制模式所对应的电流发生回路，当对应的各回路的充电电压大于或等于预先设置的放电电压时，微型计算机控制处理单元将雷电直接效应测试的多开关、多回路的控制信号输出至多路光隔离模块。
(9)多路光隔离模块将控制信号输出到多路高压触发模块。
(10)多路触发模块分别控制对应于雷电直接效应测试的多开关、多回路的协同工作。
(11)航空器雷电直接效应测试的数据处理，一次放电过程完成。

Claims (4)

1.一种多开关、多回路协同工作的控制系统，其特征在于，包括计算机控制单元、微型计算机处理单元、光隔离模块和高压触发模块；
所述计算机控制单元由工业控制计算机和可编程序逻辑控制器组成，其作用是进行的时序参数设置、试验模式时序控制、试验状态的控制和在线显示；
所述微型计算机处理单元进行航空器雷电直接效应的多开关、多回路协同工作时序的精确分析处理和精确控制；
所述光隔离模块是隔离航空器直接效应的雷电流波形成的强电磁干扰对控制系统的影响，提高航空器雷电直接效应测量的多开关、多回路系统工作的控制系统的稳定性；
所述高压触发模块是为航空器雷电直接效应的各雷电流回路中的多路开关提供高压触发脉冲；
所述光隔离模块由多路光接收电路和光发射电路组成，光发射电路将由计算机控制单元和微型计算机处理单元传输来的控制信号变换为光信号；光发射电路的输出信号经过光纤传输至具有肖特基输出特性的集成电路组成的光接收电路。
2.根据权利要求1所述的多开关、多回路协同工作的控制系统，其特征在于，所述光发射电路的波长为660nm。
3.一种多开关、多回路协同工作的控制方法，其特征在于，在计算机控制单元上设置针对航空器不同区域雷电直接效应的试验模式以及雷电流A/Ah波的主开关和CROWBAR开关之间、雷电D波的主开关和CROWBAR开关之间以及多回路雷电A/Ah波、B波、C/C*波和D波之间的时序参数，计算机控制单元通过光纤通讯传输至微型计算机处理单元，微型计算机处理单元对雷电流A/Ah、B、C/C*和D波的多开关、多回路协同工作时序参数进行分析和处理，输出控制量到光隔离模块，通过对高压触发控制模块的控制从而实现对航空器雷电直接效应试验的多开关、多回路协同工作的综合控制。
4.根据权利要求3所述的多开关、多回路协同工作的控制方法，其特征在于，所述光隔离模块为多通道光隔离控制单元。
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