CN109540456A - 一种空气动力学分离试验控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气动力学分离试验控制系统及方法，控制计算机与现场控制器单元通过以太网通讯连接，与加速度测量单元通过数据线连接，现场控制器单元与液压系统、空压机系统通过工业通讯总线连接，与控制台、充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元、压力测量单元、速度测量单元通过控制线缆连接，通过参数设置、试验准备、正式试验和试验恢复几个主要步骤，完成整个空气动力学分离试验。本发明所提供的系统和方法自动化程度高、可靠性高，可实现分离速度的无级、精准控制，可扩展应用于各种以压缩空气作为动力源，模拟试验件在快速运动过程中进行分离的设备和系统上。

Description

一种空气动力学分离试验控制系统及方法

技术领域

本发明属于空气动力学试验领域，具体涉及一种空气动力学分离试验控制系统及方法。

背景技术

分离试验台是用来实现导弹弹射装置等发射分离、动态冲击试验功能，且能对各类冲击、碰撞试验过程进行管控的试验装置。

某分离试验台的工作方式为：活塞依靠快速阀打开后蓄能罐内存储的压缩空气为驱动，在释放机构对滑车释放后，由活塞通过牵引绳牵引滑车及位于滑车前面、与滑车接触但不连接的试验件一起向前运动，到达一定距离后，活塞被活塞制动气缸减速制动，滑车被滑车制动气缸减速制动，并由活塞锁止机构和滑车锁止机构分别锁止，防止制动后的反弹，试验件则依靠惯性与滑车分离并继续向前运动，试验后，对活塞、滑车、活塞止动机构、滑车止动机构等运动件进行复位。

针对某分离试验台，需要设计一套控制系统和方法，满足以下要求：

(1)对分离试验台所有相关部件的驱动和控制；

(2)分离试验的全过程控制；

(3)分离试验全过程参数的精确测量；

(4)大范围和不同分离速度的控制；

(5)需要保证系统的安全和可靠运行。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种满足分离试验台自动运行、精准控制和安全可靠等要求的空气动力学分离试验控制系统及方法。

本发明的技术解决方案是：一种空气动力学分离试验控制系统，其分离试验控制对象包括为分离试验提供压缩空气的空压机系统，压缩空气存储在蓄能罐中，分离试验时，活塞带动滑车、试验件运动，通过滑车制动气缸、活塞制动气缸对运动过程中的滑车及活塞进行制动缓冲，实现滑车与试验件分离，使得试验件达到预设的分离速度；控制系统包括控制台、控制计算机、现场控制器单元，以及液压系统、空压机系统、充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元、压力测量单元、速度测量单元和加速度测量单元；

压力测量单元用于测量空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸内压力，速度测量单元安装在预设的滑车与试验件分离点位置；加速度测量单元安装在滑车上；

控制台向现场控制器单元发送模式切换信号，通过该模式切换信号控制现场控制器单元处于不同的工作模式下；

控制计算机，根据当前试验需要达到的分离速度，确定空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸的预置压力，以及根据现场控制器单元目前工作模式发送相应的控制指令，将上述预置压力参数连同控制指令发送至现场控制器单元；

现场控制器单元根据接收的预置压力参数完成相应的设置，并根据当前工作模式结合控制计算机的控制指令控制液压系统为系统提供油源，控制空压机系统为蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸提供气源，控制充放气电磁阀单元使蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸内压力达到预置的压力并保持平衡，通过驱动液压缸单元打开蓄能罐下游的快速阀并释放滑车；分离完成后控制驱动电机单元使滑车、活塞复位到试验前的位置。

优选的，所述的工作模式包括待机模式、准备模式、运行模式；

待机模式下系统内所有设备不能动作，只进行状态监视和参数设置，所述的状态监视即由现场控制器单元采集除控制台、控制计算机外系统内其余设备的状态，并反馈至控制计算机；

准备模式下，驱动电机单元、驱动液压缸单元以及相应驱动设备不动作，其余设备工作，使空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸达到预置压力；

运行模式下，所有设备工作，完成分离试验。

优选的，所述的充放气电磁阀单元包括蓄能罐充气电磁阀、蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀；

蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀和活塞制动气缸充气电磁阀分别位于空压机之后，蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸之前，用于向蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸充压缩空气；蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀分别位于蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸之后，用于将蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸内的压缩空气放掉。

优选的，速度测量单元包括一个激光器和一个光电探测器，光电探测器的输出信号发送至现场控制器单元；

当分离试验开始前，激光器发射的激光照射到光电探测器的感光镜头上，产生高电平信号，当试验件在滑车推动下发射并运动到二者分离位置，从激光器和光电探测器中间通过时，试验件开始遮断激光，光路断开，信号由高电平阶跃为低电平，现场控制器单元开始计时，当经过试验件厚度距离后，激光不再遮断，光路连通，信号由低电平阶跃为高电平，现场控制器单元停止计时，并计算出低电平阶段的时长，再使用试验件的厚度值除以低电平阶段的时长，从而计算出试验件在分离位置处的速度，即试验件达到的实际分离速度。

优选的，所述的压力测量单元包括空压机压力传感器、蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器，分别安装于空压机、蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸上，用于监测各个设备上的压力，并反馈给现场控制器单元；上述所有压力传感器分别配备多个不同量程的压力传感器，使用时，通过控制计算机控制现场控制器单元选用当前分离试验需要的对应量程的压力传感器。

优选的，所述的控制台上还设置急停按钮和急停恢复按钮，

急停按钮用于在紧急情况下对系统进行急停，关停预设的影响系统安全的设备；通过急停恢复按钮取消急停，系统继续后续试验。

优选的，急停时，关停的影响系统安全的设备包括空压机系统、蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀，快速阀液压缸驱动的快速阀，同时，打开蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀。

优选的，所述的压力测量单元中的压力传感器均分别配备有一个参考压力传感器，参考压力传感器的量程与其配备的最高量程传感器的量程相同，防止因压力传感器故障导致对各设备压力监测的失控。

优选的，所述的所有参考压力传感器在试验过程中均工作，将该参考压力传感器的测量值与对应压力传感器的测量值进行做差，若差值的绝对值大于两个传感器的最大精度误差之和，证明两个传感器中间有一个出现故障，即为压力测量故障，进行急停；否则，取上述对应压力传感器的测量值反馈至现场控制器单元。

优选的，所述的加速度测量单元实时检测滑车当前的加速度值，当检测到加速度值大于0时，开始自动记录加速度数据。

优选的，所述的控制计算机根据当前试验需要达到的分离速度，确定空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸的预置压力，具体方法为通过预先设置配置文件，在配置文件中存储空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸预置压力与分离速度的矩阵，试验时，控制计算机读取配置文件，根据当前试验要达到的分离速度在配置文件中进行插值，得到上述需要确定的预置压力：所述的配置文件中的矩阵，首先通过牛顿第二定理结合气体多变过程原理进行理论分析，确定上述预置压力与分离速度的关系式；然后，按照上述理论分析进行多次分离试验，获取实际分离过程中预置压力与分离速度；并将结果存入配置文件。

优选的，在参数设置过程中，由控制计算机向现场控制器单元，向加速度测量单元同时发送校准时间，保证二者所记录的试验数据的时间同步性。

优选的，控制充放气电磁阀单元使蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸内压力达到预置的压力并保持平衡通过下述方式实现：

分别以蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸对应的压力传感器测量值为反馈，以预置压力值为目标，在现场控制器单元中进行PID运算，对对应的各充气电磁阀输出通道信号的占空比进行调节，即对单位时间内充气电磁阀开和关的时间比进行PID闭环控制，从而完成对各设备的自动充压保压。

一种基于上述系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)参数设置

控制台设置当前工作模式为待机模式；在控制计算机中进行所有试验参数设置，并在设置完成后下载到现场控制器单元中，由现场控制器单元完成整个试验的流程控制；

①设置压力测量单元中空压机压力传感器、蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器的传感器参数值；

②设置空压机系统、蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸的预置压力值；

③向现场控制器单元，向加速度测量单元同时发送校准时间；

④将①②所有参数发送到现场控制器单元；

(2)试验准备

试验准备主要指的是在发射-分离试验正式开始前各部件的充压缩空气的准备；

①将当前工作模式切换为准备模式；

②启动液压系统；

③启动空压机系统，向空压机系统的缓冲罐打气，待空压机压力传感器数值与空压机系统预置压力相等后，停止压缩机；

④开启蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀进行自动充压保压；

⑤等待蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器数值分别与蓄能罐预置压力、滑车制动气缸预置压力、活塞制动气缸预置压力相等；

(3)正式试验

①将当前工作模式切换为运行模式；

②控制快速阀液压缸打开快速阀；

③控制释放机构液压缸释放滑车；

④加速度测量单元测量并记录全过程加速度，速度测量单元测量分离速度；

(4)试验恢复

①控制快速阀液压缸关闭快速阀；

②控制滑车止动机构复位电机、活塞止动机构复位电机将滑车止动机构和活塞止动机构复位；

③控制滑车复位电机将滑车连同活塞复位；

④控制释放机构液压缸锁紧滑车；

⑤停止液压系统。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过对压缩空气压力的精确调节，对活塞施加不同的驱动力，从而可以实现对分离速度的精准控制，同时，还可以在最大工作压力范围内对压缩空气压力进行无级调节，从而实现对分离速度的无级调节，获取最大速度范围内的任意分离速度；

(2)本发明可以在现场无人值守的情况下，在控制间通过控制计算机对整个分离试验台进行远程操控，实现整个分离试验流程的自动控制，自动化程度高、安全性高；

(3)本发明通过工作模式的切换，对设备的动作权限进行限定，防止在现场人员进行设备检查、维护时，因控制人员误操作带来的对设备和人员安全的损害；

(4)本发明通过多种量程的传感器的使用，保证高中低分离速度下，都可以获取高精度的压力反馈数据，同时通过参考压力传感器的使用，防止了单个传感器失效的情况下造成设备损坏、试验失败等风险；

(5)本发明可以通过对系统进行简单的适应性调整，将其扩展应用于各种以压缩空气作为动力源，模拟试验件在快速运动过程中进行分离的设备和系统上。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图；

图2是本发明的试验流程示意图。

具体实施方式

结合附图，给出如下具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。分离试验控制对象包括为分离试验提供压缩空气的空压机系统，压缩空气存储在蓄能罐中，分离试验时，活塞带动滑车、试验件运动，通过滑车制动气缸、活塞制动气缸对运动过程中的滑车及活塞进行制动缓冲，实现滑车与试验件分离，使得试验件达到预设的分离速度。本发明的目的就是提供一种针对上述对象的分离试验控制系统，如图1所示，包括控制台、控制计算机、现场控制器单元、液压系统、空压机系统、充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元、压力测量单元、速度测量单元和加速度测量单元。

控制计算机与现场控制器单元通过以太网通讯连接，与加速度测量单元通过数据线连接，现场控制器单元与液压系统、空压机系统通过工业通讯总线连接，与控制台、充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元、压力测量单元、速度测量单元通过控制线缆连接。根据当前试验需要达到的分离速度，确定空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸的预置压力，以及根据现场控制器单元目前工作模式发送相应的控制指令，将上述预置压力参数连同控制指令发送至现场控制器单元；控制台向现场控制器单元发送模式切换和急停信号，现场控制器单元中安装有下位机软件，用于向液压系统、空压机系统、充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元发送控制命令，驱动分离试验台的相关设备动作，完成分离试验，同时接收试验过程中压力测量单元和速度测量单元的测量参数，并将所有相关状态和测量参数上传给控制计算机，加速度测量单元直接将试验过程中的加速度测量参数上传给控制计算机。

控制台包括模式切换旋钮、急停按钮和急停恢复按钮。通过模式切换旋钮对“待机/准备/运行”的权限进行切换，待机模式时，所有设备不能动作，只能进行状态监视和参数设置等；所述的状态监视即由现场控制器单元采集除控制台、控制计算机外系统内其余设备的状态，并反馈至控制计算机。准备模式时，只有与试验准备阶段相关的设备可以动作，即驱动电机单元、驱动液压缸单元以及相应驱动设备不动作，其余设备工作，使空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸达到预置压力；运行模式时，所有设备都可以动作。急停按钮用于在紧急情况下对系统进行急停，系统自动进入应急处理流程，对相关设备进行关停；在对整个分离试验系统进行维修检查，确认系统正常后，使用急停恢复按钮，才能取消急停状态，使系统恢复到正常使用状态。

现场控制器单元包括机箱、控制器、通讯总线模块、数字量输出模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和电平检测模块，现场控制器单元选用NI公司的CRIO实时控制器系列产品，其中，机箱型号为NI-9114,共有8个插槽，控制器型号为NI-9022，时钟频率533MHz，DRAM 256MB，内置闪存2GB，通讯总线模块型号为PROFIBUS-DP主从式模块，数字量输出模块为NI-9476，共有32个通道，数字量输入模块型号为NI-9425，共有32个通道，模拟量输入模块型号为NI-9208，共有16个通道,24位电流输入，电平检测模块为NI-9411，6通道差分数字输入模块；控制器、通讯总线模块、数字量输出模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和电平检测模块都安装在机箱上，控制器与各模块之间通过机箱内的背板总线进行通讯。现场控制器单元通过控制器上的网口与控制计算机进行TCP/IP通讯，通过通讯总线模块与液压系统、空压机系统进行PROFIBUS-DP通讯，控制器为PROFIBUS主站，液压系统和空压机系统为PROFIBUS从站，通过数字量输出模块对充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元控制，通过数字量输入模块接收控制台的输入，通过模拟量输入模块采集压力测量单元的电信号，并转换为压力值，通过电平检测模块采集速度测量单元高低电平信号，当信号由高电平阶跃为低电平，控制器开始计时，当经过试验件厚度距离后，激光不再遮断，光路连通，信号由低电平阶跃为高电平，控制器停止计时，并计算出低电平阶段的时长，再使用试验件的厚度值除以低电平阶段的时长，从而计算出试验件在分离位置处的速度，即试验件达到的实际分离速度。

充放气电磁阀单元包括蓄能罐充气电磁阀、蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀；蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀和活塞制动气缸充气电磁阀分别位于空压机之后，蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸之前，用于向蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸充压缩空气；蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀分别位于蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸之后，用于将蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸内的压缩空气放掉；

驱动电机单元包括滑车复位电机、滑车止动机构复位电机、活塞止动机构复位电机，以实现滑车止动机构、活塞止动机构的复位后，再实现滑车复位，以及通过牵引绳带动活塞的复位，使所有设备复位到试验前的初始位置；

驱动液压缸单元包括释放机构液压缸和快速阀液压缸，都由液压系统提供高压油源，释放机构液压缸用于实现释放机构对滑车的锁紧、释放，快速阀液压缸用于实现快速阀的快速打开和关闭，由蓄能罐中的压缩空气为活塞提供驱动；

速度测量单元设置于试验件与滑车的分离位置，由一个激光器和一个光电探测器组成，光电探测器通过信号线连接至现场控制器单元的电平检测模块，具体地，激光器和光电探测器选用THORLAB公司的产品，其中激光器为一体式氦氖激光器，具体型号为HNLS008R-EC，光电探测器为硅探测器，具体型号为DET10A/M，其中，硅探测器的输出信号为毫安级电流信号，需要通过终端电阻转换为电压信号再接入电平检测模块。当分离试验开始前，激光器发射的激光照射到光电探测器的感光镜头上，产生高电平信号，当试验件在滑车推动下发射并运动到二者分离位置，从激光器和光电探测器中间通过时，试验件开始遮断激光，光路断开，信号由高电平阶跃为低电平。

由于分离试验台结构设计的特点，尤其在进行较高速度的分离试验时，采用普通电缆连接的加速度传感器会在空间和安全上对分离试验造成影响，因此，加速度测量单元采用集成有加速度计和锂电池的离线式加速度数据记录仪，具体选用瑞士MSR公司的产品，型号为MSR165，最高采样率为1600Hz，配备有专用数据处理软件，可在试验后通过USB数据线将数据上传到计算机中；加速度数据记录仪离线安装于推动试验件运动的滑车上。在分离前，滑车推动试验件共同向前运动，因此可以用滑车加速度代表试验件的加速度，试验结束后通过USB数据线将试验加速度数据上传给控制计算机，与其它试验数据共同进行分析。

压力测量单元包括空压机压力传感器、蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器，可以全部选用YZD-2B型号压力传感器，传感器精度为0.2％，分别安装于空压机缓冲罐、蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸上，用于监测各个设备上的压力，并反馈给现场控制器单元；各套传感器分别配备有一个低量程压力传感器、一个中量程压力传感器和一个高量程压力传感器，以保证对于低速、中速和高速分离速度下不同压力范围的压缩空气测量的精度，同时，还分别配备有一个参考压力传感器，参考压力传感器的量程与高量程传感器的量程相同，用于提高各设备压力测量的可靠性，防止因压力传感器故障导致对各设备压力监测的失控。使用时，参考压力传感器与低量程、中量程、高量程压力传感器中的一个共同对设备的压力进行监测，同时，还对二者测量值的差值进行判断，若差值的绝对值大于两个传感器的最大精度误差之和，证明两个传感器中间有一个出现故障，即为压力测量故障，进行急停；若差值小于等于两个传感器的最大测量误差之和，则取当前使用的低量程、中量程、高量程压力传感器中的一个的测量值供控制系统监测和控制使用。例如，蓄能罐传感器低、中、高量程传感器量程分别为0.6MPa、2MPa、6.5MPa，其参考压力传感器量程为6.5MPa，当进行10m/s的试验时，0.6MPa量程的压力传感器和6.5MPa量程的参考压力传感器共同工作，两个传感器的最大精度误差为(0.6+6.5)×0.2％＝0.00142MPa，当两个传感器测量值的差值小于此值时，则控制系统使用0.6MPa量程的压力传感器的测量值，当大于此值时，则进行故障报警，系统自动进入应急处理流程。

如图2所示，系统的具体工作流程步骤是：

(1)参数设置

控制台设置当前工作模式为待机模式；在控制计算机中进行所有试验参数设置，并在设置完成后下载到现场控制器单元中，由现场控制器单元完成整个试验的流程控制；

①设置压力测量单元中空压机压力传感器、蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器的传感器参数值；

②设置空压机系统、蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸的预置压力值；

③向现场控制器单元，向加速度测量单元同时发送校准时间；

④将①②所有参数发送到现场控制器单元；

(2)试验准备

试验准备主要指的是在发射-分离试验正式开始前各部件的充压缩空气的准备；

①将当前工作模式切换为准备模式；

②启动液压系统；

③启动空压机系统，向空压机系统的缓冲罐打气，待空压机压力传感器数值与空压机系统预置压力相等后，停止压缩机；

④开启蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀进行自动充压保压；

⑤等待蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器数值分别与蓄能罐预置压力、滑车制动气缸预置压力、活塞制动气缸预置压力相等；

(3)正式试验

①将当前工作模式切换为运行模式；

②控制快速阀液压缸打开快速阀，将蓄能罐中的压缩空气顶到活塞上；

③控制释放机构液压缸释放滑车，压缩空气推动活塞向前运动，活塞通过牵引绳牵引滑车及位于滑车前面、与滑车接触但不连接的试验件一起向前运动，到达一定距离后，活塞被活塞制动气缸减速制动，滑车被滑车制动气缸减速制动，并由活塞锁止机构和滑车锁止机构分别锁止，防止制动后的反弹，试验件则依靠惯性与滑车分离并继续向前运动；

④加速度测量单元测量并记录全过程加速度，速度测量单元测量分离速度；

(4)试验恢复

①控制快速阀液压缸关闭快速阀；

②控制滑车止动机构复位电机、活塞止动机构复位电机将滑车止动机构和活塞止动机构复位；

③控制滑车复位电机将滑车连同活塞复位；

④控制释放机构液压缸锁紧滑车；

⑤停止液压系统；

在控制计算机中的上位机软件初始化时，导入配置文件，配置文件中包含所有传感器的参数和空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸预置压力与分离速度的矩阵，矩阵的获得方法为首先通过牛顿第二定理结合气体多变过程原理进行理论分析，确定预置压力与分离速度的关系式，然后按照上述理论分析进行多次分离试验，获取实际分离过程中预置压力与分离速度，并将结果存入配置文件；设置传感器参数时，只需要选择本次试验采用的压力测量单元传感器的量程范围为小量程、中量程还是大量程即可，在向现场控制器单元下载参数时，上位机软件会根据配置文件中的数据，自动将各个传感器相应量程下的传感器参数下载下去；设置各设备预置压力时，只需要在上位机软件中输入分离速度，再根据当前试验要达到的分离速度在配置文件的矩阵中进行插值，得到该分离速度下空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸的预置压力；

为保证所有试验数据时间上的同步性，在参数设置阶段，由上位机通过网线向现场控制器单元，通过数据线向加速度测量单元同时发送校准时间，保证二者所记录的试验数据的时间同步性；

蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸自动充压保压的方法为分别以对应的压力传感器测量值为反馈，以预置压力值为目标，在控制器中进行PID运算，对数字量输出模块对应的各充气电磁阀输出通道信号的占空比进行调节，即对单位时间内充气电磁阀开和关的时间比进行PID闭环控制，从而完成对各设备的自动充压保压；

当分离试验开始前，速度测量单元的激光器发射的激光照射到光电探测器的感光镜头上，产生高电平信号，当试验件在滑车推动下发射并运动到二者分离位置，从激光器和光电探测器中间通过时，试验件开始遮断激光，光路断开，信号由高电平阶跃为低电平，控制器开始计时，当经过试验件厚度距离后，激光不再遮断，光路连通，信号由低电平阶跃为高电平，控制器停止计时，并计算出低电平阶段的时长，再使用试验件的厚度值除以低电平阶段的时长，从而计算出试验件在分离位置处的速度，即试验件达到的实际分离速度；

试验过程中，加速度测量单元实时检测当前的加速度值，当检测到加速度值大于0时，开始自动记录加速度数据，从而可以记录试验件从发射到分离全过程的加速度数据；

在正常试验流程进行过程中，当出现急停或者压力测量故障时，立即停止当前正常试验流程，并转入应急处理流程，关闭空压机系统、蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀，控制快速阀液压缸关闭快速阀，打开蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀；

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (14)

1.一种空气动力学分离试验控制系统，其分离试验控制对象包括为分离试验提供压缩空气的空压机系统，压缩空气存储在蓄能罐中，分离试验时，活塞带动滑车、试验件运动，通过滑车制动气缸、活塞制动气缸对运动过程中的滑车及活塞进行制动缓冲，实现滑车与试验件分离，使得试验件达到预设的分离速度；其特征在于：包括控制台、控制计算机、现场控制器单元，以及液压系统、空压机系统、充放气电磁阀单元、驱动电机单元、驱动液压缸单元、压力测量单元、速度测量单元和加速度测量单元；

压力测量单元用于测量空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸内压力，速度测量单元安装在预设的滑车与试验件分离点位置；加速度测量单元安装在滑车上；

控制台向现场控制器单元发送模式切换信号，通过该模式切换信号控制现场控制器单元处于不同的工作模式下；

控制计算机，根据当前试验需要达到的分离速度，确定空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸的预置压力，以及根据现场控制器单元目前工作模式发送相应的控制指令，将上述预置压力参数连同控制指令发送至现场控制器单元；

现场控制器单元根据接收的预置压力参数完成相应的设置，并根据当前工作模式结合控制计算机的控制指令控制液压系统为系统提供油源，控制空压机系统为蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸提供气源，控制充放气电磁阀单元使蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸内压力达到预置的压力并保持平衡，通过驱动液压缸单元打开蓄能罐下游的快速阀并释放滑车；分离完成后控制驱动电机单元使滑车、活塞复位到试验前的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的工作模式包括待机模式、准备模式、运行模式；

待机模式下系统内所有设备不能动作，只进行状态监视和参数设置，所述的状态监视即由现场控制器单元采集除控制台、控制计算机外系统内其余设备的状态，并反馈至控制计算机；

准备模式下，驱动电机单元、驱动液压缸单元以及相应驱动设备不动作，其余设备工作，使空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸达到预置压力；

运行模式下，所有设备工作，完成分离试验。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的充放气电磁阀单元包括蓄能罐充气电磁阀、蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀；

蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀和活塞制动气缸充气电磁阀分别位于空压机之后，蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸之前，用于向蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸充压缩空气；蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀分别位于蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸之后，用于将蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸内的压缩空气放掉。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：速度测量单元包括一个激光器和一个光电探测器，光电探测器的输出信号发送至现场控制器单元；

当分离试验开始前，激光器发射的激光照射到光电探测器的感光镜头上，产生高电平信号，当试验件在滑车推动下发射并运动到二者分离位置，从激光器和光电探测器中间通过时，试验件开始遮断激光，光路断开，信号由高电平阶跃为低电平，现场控制器单元开始计时，当经过试验件厚度距离后，激光不再遮断，光路连通，信号由低电平阶跃为高电平，现场控制器单元停止计时，并计算出低电平阶段的时长，再使用试验件的厚度值除以低电平阶段的时长，从而计算出试验件在分离位置处的速度，即试验件达到的实际分离速度。

5.根据权利要求1或3或4所述的系统，其特征在于：所述的压力测量单元包括空压机压力传感器、蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器，分别安装于空压机、蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸上，用于监测各个设备上的压力，并反馈给现场控制器单元；上述所有压力传感器分别配备多个不同量程的压力传感器，使用时，通过控制计算机控制现场控制器单元选用当前分离试验需要的对应量程的压力传感器。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的系统，其特征在于：所述的控制台上还设置急停按钮和急停恢复按钮，

急停按钮用于在紧急情况下对系统进行急停，关停预设的影响系统安全的设备；通过急停恢复按钮取消急停，系统继续后续试验。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：急停时，关停的影响系统安全的设备包括空压机系统、蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀，快速阀液压缸驱动的快速阀，同时，打开蓄能罐放气电磁阀、滑车制动气缸放气电磁阀和活塞制动气缸放气电磁阀。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的压力测量单元中的压力传感器均分别配备有一个参考压力传感器，参考压力传感器的量程与其配备的最高量程传感器的量程相同，防止因压力传感器故障导致对各设备压力监测的失控。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述的所有参考压力传感器在试验过程中均工作，将该参考压力传感器的测量值与对应压力传感器的测量值进行做差，若差值的绝对值大于两个传感器的最大精度误差之和，证明两个传感器中间有一个出现故障，即为压力测量故障，进行急停；否则，取上述对应压力传感器的测量值反馈至现场控制器单元。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的加速度测量单元实时检测滑车当前的加速度值，当检测到加速度值大于0时，开始自动记录加速度数据。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的控制计算机根据当前试验需要达到的分离速度，确定空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸的预置压力，具体方法为通过预先设置配置文件，在配置文件中存储空压机、蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸预置压力与分离速度的矩阵，试验时，控制计算机读取配置文件，根据当前试验要达到的分离速度在配置文件中进行插值，得到上述需要确定的预置压力：所述的配置文件中的矩阵，首先通过牛顿第二定理结合气体多变过程原理进行理论分析，确定上述预置压力与分离速度的关系式；然后，按照上述理论分析进行多次分离试验，获取实际分离过程中预置压力与分离速度；并将结果存入配置文件。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在参数设置过程中，由控制计算机向现场控制器单元，向加速度测量单元同时发送校准时间，保证二者所记录的试验数据的时间同步性。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：控制充放气电磁阀单元使蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸内压力达到预置的压力并保持平衡通过下述方式实现：

分别以蓄能罐、滑车制动气缸、活塞制动气缸对应的压力传感器测量值为反馈，以预置压力值为目标，在现场控制器单元中进行PID运算，对对应的各充气电磁阀输出通道信号的占空比进行调节，即对单位时间内充气电磁阀开和关的时间比进行PID闭环控制，从而完成对各设备的自动充压保压。

14.一种基于权利要求1-13之一所述系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)参数设置

控制台设置当前工作模式为待机模式；在控制计算机中进行所有试验参数设置，并在设置完成后下载到现场控制器单元中，由现场控制器单元完成整个试验的流程控制；

①设置压力测量单元中空压机压力传感器、蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器的传感器参数值；

②设置空压机系统、蓄能罐、滑车制动气缸和活塞制动气缸的预置压力值；

③向现场控制器单元，向加速度测量单元同时发送校准时间；

④将①②所有参数发送到现场控制器单元；

(2)试验准备

试验准备主要指的是在发射-分离试验正式开始前各部件的充压缩空气的准备；

①将当前工作模式切换为准备模式；

②启动液压系统；

③启动空压机系统，向空压机系统的缓冲罐打气，待空压机压力传感器数值与空压机系统预置压力相等后，停止压缩机；

④开启蓄能罐充气电磁阀、滑车制动气缸充气电磁阀、活塞制动气缸充气电磁阀进行自动充压保压；

⑤等待蓄能罐压力传感器、滑车制动气缸压力传感器、活塞制动气缸压力传感器数值分别与蓄能罐预置压力、滑车制动气缸预置压力、活塞制动气缸预置压力相等；

(3)正式试验

①将当前工作模式切换为运行模式；

②控制快速阀液压缸打开快速阀；

③控制释放机构液压缸释放滑车；

④加速度测量单元测量并记录全过程加速度，速度测量单元测量分离速度；

(4)试验恢复

①控制快速阀液压缸关闭快速阀；

②控制滑车止动机构复位电机、活塞止动机构复位电机将滑车止动机构和活塞止动机构复位；

③控制滑车复位电机将滑车连同活塞复位；

④控制释放机构液压缸锁紧滑车；

⑤停止液压系统。