CN112849430A - 一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，属于飞机试飞测试中的重心调配控制技术领域。控制方法包括以下步骤：步骤一、设定好可以启动调节的力矩量阈值；步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断力矩量是否大于可以启动调节的力矩量的阈值，并实时监控单个水箱的液位是否到达警戒值，进而启动水泵并控制电动球阀的开度，完成重心的调配。本发明基于FPGA进行方法设计，利用FPGA的快速并行性提高控制方法的实时性和准确性，对每个水箱的液位都进行监控，调动全部水箱参与重心调配，并根据单水箱液位监控调整进出水水箱的液位分布，采用前馈与PID结合的控制方法，同时结合预关闭策略，高效完成重心的调配。

Description

一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，属于飞机试飞测试中的重心调配控制技术领域。

背景技术

在飞机研制和试飞过程中，重心包线检测是最为重要的指标之一，直接影响飞机的飞行安全。重心调配系统是基于水介质的自动调配装置，已经被国际上民用飞行客机公司广泛应用。重心调配系统可以在飞机重心相关的试验飞行过程中实现重心快速、精确地调配，实现飞机重心在不同飞行阶段的重心保持等功能，并有效提高试飞效率。重心调配系统的构成原理框图如图1所示。

重心调配控制系统是通过调配前后各个水箱中的水量来实现飞机重心的变化。虽然调配过程是全水箱参与，但是由于系统的布局展开面积所限，系统不可能完全按照对称设计。此外飞机飞行过程中存在姿态角，这些因素导致重心调配时，各水箱的进、出水速度不均匀。可能存在有的水箱的液位快速下降，而有的水箱液位则快速上升。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，控制方法包括以下步骤：

步骤一、设定可以启动调节的力矩量阈值；

步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断力矩量是否大于可以启动调节的力矩量的阈值，并实时监控单个水箱的液位是否到达警戒值，进而启动水泵并控制电动球阀的开度，完成重心的调配。

进一步的，在步骤一中，还包括：设定误差力矩量的阈值，误差力矩量为当前力矩量与所需改变力矩量的差值。

进一步的，在步骤一中，还包括：设定单个水箱的进水警戒高水位的阈值和出水警戒低水位的阈值。

进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、FPGA控制采集各水箱液位，计算飞机重心；

步骤二二、将水箱分组，并汇总液位高度；

步骤二三、判断当前力矩量大于可以启动调节的力矩量的阈值，若是，则执行步骤二四；否则，执行步骤二五；

步骤二四、由前馈调节算法控制电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量，并返回步骤二一；

步骤二五、由PID控制算法调节电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量；

步骤二六、判断当前重心与目标重心的偏差是否小于当前重心与目标重心偏差阈值，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤二一。

进一步的，在步骤二三中，还包括：判断第n个进水箱液位是否高于进水警戒水位的阈值，或第n个出水箱液位是否低于出水警戒水位的阈值，若是，则执行步骤二七；否则，执行步骤二六；

步骤二七、若是，则关断第n个进水箱或出水箱的电磁阀，并判断是否只剩一个出水箱或入水箱，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤步骤二一。

进一步的，在步骤二后还包括步骤三、在单个水箱的当前重心下的误差力矩量达到误差力矩量的阈值时，提前停止重心调配。

进一步的，飞机纵向重心调配控制方法基于可编程逻辑器件FPGA设计实现。

本发明的主要优点是：

1、基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法以全部水箱参与调配过程为基础，增加了对每个水箱的液位监控，调整进出水水箱液位分布，两者相结合使重心调配过程兼具高效准确和稳定性；

2、基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法实行分组控制，对前水箱组和后水箱组分别汇总液位信息，增强重心调配控制方法的鲁棒性；

3、基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法采用预关闭策略，有助于提高重心调配的精确度；

4、基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法利用FPGA实现，将控制逻辑固化于芯片中，提高了自动控制逻辑的实时性、准确性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法基于的重心调配控制系统的系统原理框图；

图2是本发明的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法基于的重心调配控制系统的系统框图；

图3是本发明的步骤二的流程图。

其中，①到⑧为前组水箱，⑨到

为后组水箱，1到8为前组水相对应电磁阀，9到16为后组水箱对应电磁阀，17、18、23到26为手动球阀，19到22为电动球阀，B1到B4为水泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于单个水箱液位监控的飞机纵向重心调配控制方法，系统通过对各个水箱的液位进行监控，根据调配方法对各水箱中的水量进行调配，从而得到调配飞机重心的目标，具体通过控制水箱出入水口阀门的开关、泵的开关、电动球阀的开度来实现不同水量的调配，进而实现飞机重心的精确调配。该发明综合考虑飞机试飞的应用环境与应用目的：(1)应用环境为机载环境，要考虑到可靠性、稳定性和安全性因素。(2)应用目的是利用对单个水箱液位的监控改善重心调配方法，使其能够更加精准地调配飞机的重心。

基于以上对重心调配控制方法的分析，本发明采用FPGA实现液位信息采集、电动球阀的开度调配以及控制方法，基于力矩量利用前馈和PID结合的算法控制电动球阀的开度，调动全部水箱参与重心调配，并采用预关闭方式提高重心调配控制方法的精度。

本发明的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，基于一种飞机纵向重心调配控制系统，该系统的设计方案框图如图2所示，重心调配控制系统工作时，控制方法会根据水对应的力矩量将水箱中的水实时向前或向后调配。整个系统工作时，所有水箱均参与调配，①和⑤为一组，②和⑥为一组，③和⑦为一组，④和⑧为一组，⑨和

为一组，⑩和

为一组，

和

为一组，

和

为一组，共8组水箱，前四组水箱为前水箱组，后四组水箱为后水箱组，具体调配过程包括全水箱参与重心调配控制过程和基于单水箱液位监控的重心调配控制过程。具体的控制方法如下：

一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、设定可以启动调节的力矩量阈值；

步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断所述力矩量是否大于所述可以启动调节的力矩量的阈值，并实时监控单个水箱的液位是否到达警戒值，进而启动水泵控制电动球阀的开度，完成重心的调配。

进一步的，在步骤一中，还包括：设定误差力矩量的阈值，所述误差力矩量为当前力矩量与所需改变力矩量的差值。

进一步的，在步骤一中，还包括：设定单个水箱的进水警戒高水位的阈值和出水警戒低水位的阈值。

进一步的，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、FPGA控制采集各水箱液位，计算飞机重心；

步骤二二、将水箱分组，并汇总液位高度；

步骤二三、判断当前力矩量大于所述力矩量的阈值，若是，则执行步骤二四；否则，执行步骤二五；

步骤二四、由前馈调节算法控制电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量，并返回步骤二一；

步骤二五、由PID控制算法调节电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量；

步骤二六、判断当前重心与目标重心的偏差是否小于所述当前重心与目标重心偏差阈值，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤二一。

具体的，在全水箱参与重心调配控制过程中，控制算法基于力矩量作为控制变量，采用前馈和PID结合的算法调整电动球阀开合度，当飞机的实时重心与目标重心差距较大时，进行前馈调配，此时电动球阀的开度调制最大，在这个过程中重心变化速度较快，当实时重心与目标重心的误差进入一个阈值后，工作逻辑进入PID调配，重心向后调配时，所有的前水箱均输出水，所有的后水箱均输入水；重心向前调配时，所有的后水箱均输出水，所有的前水箱均输入水。此外，调配系统采用预关闭策略，即控制系统在当前重心下的误差力矩达到某个阈值时提前关闭调配系统。

进一步的，在步骤二三中，还包括：判断第n个进水箱液位是否高于进水警戒水位的阈值，或第n个出水箱液位是否低于出水警戒水位的阈值，若是，则执行步骤二七；否则，执行步骤二六；

步骤二七、若是，则关断第n个进水箱或出水箱的电磁阀，并判断是否只剩一个出水箱或入水箱，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤步骤二一。

具体的，在全水箱参与重心调配控制的基础上，为每个水箱增加了一个液位监测模块，当重心调配方法控制时，虽然所有水箱都参与工作，但是直接参与调配的电磁阀和水箱是8个(即向前或者向后调配)，如果长期调配使得某个或者某些水箱中的液位高于或者低于某个阈值，液位监控模块会给出预警信号，此时控制方法将参与接通电磁阀的水箱关断。

控制算法为前水箱和后水箱分别设置一个控制模块，当重心向后调配时，前水箱负责出水，因而控制模块只监控液位低于某个阈值的水箱，后水箱负责入水，控制模块只监控液位高于某个阈值的水箱。当进行重心调配时，一旦触发控制，则控制模块一次仅关断一个水箱。控制模块在关断水箱时会判断当前剩余工作水箱的数量，如果出水口仅剩一个水箱或者入水口仅剩一个水箱，则会触发自动停止调配并给出报警信号。当重心向前调配时，情况相反，控制方法的框图如图3中所示，全水箱参与的重心调配控制方法负责调整电动球阀的开度，而基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法负责开关对应水箱的进出水口，两个方法并行工作。

进一步的，在步骤二后还包括步骤三、在单个水箱的当前重心下的误差力矩量达到所述误差力矩量的阈值时，提前停止重心调配。

进一步的，所述的基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法基于可编程逻辑器件FPGA设计实现。

具体的，上述控制策略是重心调配控制方法的核心，但是本方法的实时性是效能的关键，为了保证传感器计算、执行机构的实施能够精确同步，所有的控制方法基于现场可编程逻辑器件(FPGA)设计，将控制逻辑固化于数字芯片中，更加保证自动控制逻辑的实时性与精确性。

上述控制策略是重心调配控制方法的核心，但是方法的实时性是效能的关键，为了保证传感器计算、执行机构的实施能够精确同步，所有的控制方法基于现场可编程逻辑器件(FPGA)设计，将控制逻辑实现于数字芯片中，更加保证自动控制逻辑的实时性与精确性。

本发明提供一种高效准确的基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，该应用的目的是对水配重的重心调配控制方法进行改进，增强重心调配方法的鲁棒性，保证重心调配方法的长期稳定性。本发明基于FPGA进行方法设计，利用FPGA的快速并行性提高控制方法的实时性和准确性，对每个水箱的液位都进行监控，调动全部水箱参与重心调配，并根据单水箱液位监控调整进出水水箱的液位分布，采用前馈与PID结合的控制方法，同时结合预关闭策略，高效稳定地完成重心的调配。

Claims (7)

1.一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、设定可以启动调节的力矩量阈值；

步骤二、计算要达到目的重心所需改变力矩量，并判断所述力矩量是否大于所述可以启动调节的力矩量的阈值，并实时监控单个水箱的液位是否到达警戒值，进而启动水泵并控制电动球阀的开度，完成重心的调配。

2.根据权利要求1所述的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，在步骤一中，还包括：设定误差力矩量的阈值，所述误差力矩量为当前力矩量与所需改变力矩量的差值。

3.根据权利要求2所述的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，在步骤一中，还包括：设定单个水箱的进水警戒高水位的阈值和出水警戒低水位的阈值。

4.根据权利要求3所述的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，在步骤二中，具体包括以下步骤：

步骤二一、FPGA控制采集各水箱液位，计算飞机重心；

步骤二二、将水箱分组，并汇总液位高度；

步骤二三、判断当前力矩量大于所述可以启动调节的力矩量的阈值，若是，则执行步骤二四；否则，执行步骤二五；

步骤二四、由前馈调节算法控制电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量，并返回步骤二一；

步骤二五、由PID控制算法调节电动球阀开度，进而调节全部水箱内的水量；

步骤二六、判断当前重心与目标重心的偏差是否小于所述当前重心与目标重心偏差阈值，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤二一。

5.根据权利要求4所述的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，在步骤二三中，还包括：判断第n个进水箱液位是否高于进水警戒水位的阈值，或第n个出水箱液位是否低于出水警戒水位的阈值，若是，则执行步骤二七；否则，执行步骤二六；

步骤二七、若是，则关断第n个进水箱或出水箱的电磁阀，并判断是否只剩一个出水箱或入水箱，若是，则结束重心调配；否则，返回步骤步骤二一。

6.根据权利要求5所述的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，在步骤二后还包括步骤三、在单个水箱的当前重心下的误差力矩量达到所述误差力矩量的阈值时，提前停止重心调配。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于单个水箱液位监控的重心调配控制方法，其特征在于，所述飞机纵向重心调配控制方法基于可编程逻辑器件FPGA设计实现。

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