CN116380403B - 高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法，涉及高速风洞电液伺服控制领域，包括：位于风洞测控间的上位机；通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸运动的多套伺服控制单元；通过接收上位机指令，协调每套伺服控制单元的动作以实现协同运动的运动逻辑控制单元。本发明提供一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法，采用“上位机+多轴运动控制器+伺服控制单元+伺服比例阀”的分布式控制方案，可实现大载荷多自由度模型支撑机构位置或者角度精确控制，通过位置闭环保持当前位置并抵抗风洞试验过程中变化的气动载荷。

Description

高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法

技术领域

本发明涉及高速风洞电液伺服控制领域。更具体地说，本发明涉及一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统及应用方法。

背景技术

风洞模型支撑机构用于支撑试验模型，根据试验需要改变模型姿态和位置。风洞试验对模型姿态和位置有着较高的精度要求，并且考虑到减小试验能耗，调整模型姿态和位置的时间应尽量缩短。因此模型支撑机构的伺服控制需同时具备较高的伺服精度和速度。随着飞行器研制对风洞试验的要求日益增高，模型支撑机构的自由度逐渐增加，也增大了伺服驱动控制系统的设计难度。

模型支撑机构的驱动方式总体上可分为电机伺服驱动和液压伺服驱动。电机伺服驱动具有成本低、装置体积小便于安装等优点，常用于小载荷模型支撑机构。液压伺服驱动突出的优点是单位体积的驱动力大，适用于大载荷模型支撑机构。

现有风洞使用液压驱动的模型支撑机构大多只有一个自由度，控制系统设计较简单。而高速风洞在应用时通常配置一套采用了液压伺服驱动方式的多自由度模型支撑机构，该支撑机构自身重量和所受气动载荷大，驱动装置需要提供数十吨的驱动力。该多自由度模型支撑机构液压伺服驱动系统中驱动轴数量较多、同步精度要求高、部分驱动轴为双级油缸，而现有技术的控制系统满足不了大载荷、高速、高精度同步控制的要求。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，包括：

位于风洞测控间的上位机；

通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸运动的多套伺服控制单元；

通过接收上位机指令，协调每套伺服控制单元的动作以实现协同运动的运动逻辑控制单元；

其中，所述运动逻辑控制单元和伺服控制单元之间采用总线连接；

所述伺服油缸均安装至少一个直线位移传感器，伺服油缸与伺服阀组具有一一对应的关系，每套伺服阀组均安装有用于采集伺服油缸有杆腔和无杆腔油压的两个油压传感器，且每套伺服阀组还分别配备有1只进油电磁阀和1只出油电磁阀。

优选的是，所述运动逻辑控制单元被配置为包括：数字IO模块，模拟IO模块，通讯模块，以及对多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸的位移和速度进行计算和规划的多轴运动控制器；

其中，数字IO模块包括：

用于接收外部急停、本地/远程切换信号的数字输入模块；

输出电平信号，以通过中间继电器控制伺服阀组的进油电磁阀和出油电磁阀的数字输出模块；

所述通讯模块通过以太网与风洞控制系统进行实时通讯。

优选的是，在多自由度模型支撑机构配置为采用四自由度模型支撑机构时，采用串联布局，其最里层为迎角机构，向外依次为侧滑角机构、Y机构、X机构；

其中，所述迎角机构、侧滑角机构分别由一台双级伺服油缸驱动，所述X机构由两台单级伺服油缸同步驱动，所述Y机构由两台两级伺服油缸同步驱动。

优选的是，还包括用于对多自由度模型支撑机构进行回零控制的多个电磁换向阀。

一种所述高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统的应用方法，包括：

所述上位机通过以太网与多轴运动控制器通信，以将控制指令下载到多轴运动控制器中；

所述多轴运动控制器基于下载的上位机控制指令获取运动任务，以基于运动任务对多自由度模型支撑机构各轴伺服油缸位移和速度进行计算和/或规划；

所述多轴运动控制器将规划后的伺服油缸位移和速度指令发送至相应的伺服控制单元，以对全部伺服控制单元进行协同控制；

所述伺服控制单元基于接收到的伺服油缸位移和速度指令，通过控制伺服阀组阀芯位置来实现伺服油缸的运动控制，同时基于采集到的伺服油缸实际位置信息和两腔压力信息，实现伺服油缸的位置闭环控制或压力闭环控制，并实时上传状态信息；

当多自由度模型支撑机构运动到目标位置后，伺服控制单元仍保持伺服状态，以通过保持当前位置以抵抗变化的外部负载；

其中，所述控制指令包括：多自由度模型支撑机构的角度、角速度、位置、动速度。

优选的是，所述计算和/或规划的方式包括：

将上位机下发的控制指令转化为相应的伺服油缸位移和速度指令；

对于存在多级伺服油缸的轴，分别对各级油缸的位移和速度进行分配；

对每个自由度运动的先后顺序进行规划。

优选的是，所述伺服控制单元在执行相应的运动控制程序时，实时将液压油缸的状态参数反馈给运动逻辑控制单元，以通过运动逻辑控制单元反馈给风洞控制系统。

优选的是，其特征在于，所述上位机对多自由度模型支撑机构的运动控制包括：对单级伺服油缸位置伺服控制以及对双级伺服油缸位置伺服控制；

在单级伺服油缸位置伺服控制中，通过上位机操作软件对目标位置s和目标速度v进行设置，以将目标位置和目标速度发送给多轴运动控制器，多轴运动控制器经过软限位检查后将目标位置和目标速度发送给伺服控制单元，由伺服控制单元完成相应的位置伺服控制；

在双级伺服油缸位置伺服控制中，先对各级伺服油缸的动作顺序进行规划，再通过上位机操作软件对目标位置s*和目标速度v^*进行设置，设最先动作的一级伺服油缸的最大行程为s1_max，以油缸伸出情况为例，如果s^*≤s1_max，则s1^*= s^*，v1^*=v^*，其中，s1^*和v1^*分别为一级伺服油缸的目标位置和目标速度；

如果s^*＞s1_max，则s1^*=s1_max，v1^*=v^*，并且当|s1^*-s1|<a时，令s2^*= s^*-s1_max，v2^*=v^*-|v1|，其中，s2^*和v2^*分别为二级伺服油缸的目标位置和目标速度，s1和v1分别为一级伺服油缸的实际位置和实际速度，a为常数。

本发明至少包括以下有益效果：本发明采用“上位机+多轴运动控制器+伺服控制单元+伺服比例阀”的分布式控制方案，可实现大载荷多自由度模型支撑机构位置或者角度精确控制，通过位置闭环保持当前位置并抵抗风洞试验过程中变化的气动载荷。解决了电机伺服驱动难以应用到大载荷多自由度模型支撑机构的问题，而本发明控制系统的应用方法在实时性、同步性、定位准确性、反馈信号的可靠性等方面均满足多自由度模型支撑机构控制要求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中四自由度模型支撑机构中伺服油缸的布局示意图；

图2为本发明采用四自由度模型支撑机构液压伺服驱动控制系统的其中一部分原理示意图；

图3为本发明采用四自由度模型支撑机构液压伺服驱动控制系统的另外一部分原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明的目的是为高速风洞多自由度模型支撑机构伺服驱动控制系统提供一种可行的解决方案，以实现模型姿态和位置的精确、快速控制。

控制系统采用“上位机+多轴运动控制器+伺服控制单元+伺服比例阀+电磁换向阀”的分布式控制方案，可实现大载荷多自由度模型支撑机构位置或者角度精确控制，通过位置闭环保持当前位置并抵抗风洞试验过程中变化的气动载荷。解决了电机伺服驱动难以应用到大载荷多自由度模型支撑机构的问题。同时采用分布式控制方案，相比传统的集中式控制方式，降低了现场布线和调试难度，提高了系统的可靠性，具体方案如下：

所述上位机位于风洞测控间，优选工业控制计算机。上位机通过工业以太网与多轴运动控制器通信，交互指令和状态信息。多轴运动控制器将伺服油缸位置（速度）、油缸两腔压力、供油压力、伺服比例阀状态，上传给上位机，用于监控显示。上位机将控制指令，如多自由度模型支撑机构的角度、角速度、位置、动速度等控制指令，下载到多轴运动控制器中，控制多自由度模型支撑机构按要求运动。

所述多轴运动控制器接收上位机指令，从上位机获取运动任务，对多自由度模型支撑机构各轴伺服油缸位移和速度进行计算和规划：1.将上位机下发的角度、角速度等指令转化为相应的伺服油缸位移和速度指令；2.对于某些轴存在多级伺服油缸的情况，需分配各级油缸的位移和速度；3.确定每个自由度运动的先后顺序，避免干涉。

多轴运动控制器将规划后的伺服油缸位移和速度指令发送给相应的伺服控制单元，对全部伺服控制单元进行协同控制，同时监测整个模型支撑机构的运行工况，实现系统内的报警与安全联锁。多轴运动控制器和伺服控制单元之间采用总线连接，保证两者间实时可靠的数据通信。多轴运动控制器可迅速将运动指令发往连接在总线的各个伺服控制单元，并及时获取伺服控制单元中包括各运动轴位置、运行速度、伺服阀两腔压力等信息。

所述多轴运动控制器需配置若干I/O模块。限位、急停、模式切换以及各种状态信号接入数字量输入模块。电源控制、液控锁控制等信号接入数字量输出模块。油源压力等信号接入模拟量输入模块。

所述伺服控制单元通过控制伺服阀组阀芯位置来实现液压油缸的运动，使用全液压伺服驱动方式，避免了伺服电机对风洞测控信号带来的干扰问题。每只伺服油缸的直线位置传感器信号及有杆腔、无杆腔压力信号，在现场直接接入伺服油缸对应的伺服控制单元，以通过位移传感器、油压传感器实时监测系统运动、载荷状态，在实现油缸精确定位的同时，也保证了系统的安全性和可靠性。伺服控制单元接收来自多轴运动控制器的指令信号，并根据采集到的伺服油缸实际位置信息和两腔压力信息，实现伺服油缸的位置闭环控制或力（压力）闭环控制，并实时上传状态信息。当多自由度模型支撑机构运动到目标位置后，伺服控制单元仍保持伺服状态保持当前位置并抵抗变化的外部负载。

多自由度模型支撑机构有两种回零方式：伺服控制单元控制系统回零和电磁换向阀回零。位置控制功能正常时，伺服控制单元接收来自上位机的回零指令，自动完成回零操作；位置控制功能不正常时，风洞安全联锁与状态监控系统在硬件线路上关闭伺服比例阀控制单元的液控锁，锁住油路，解除伺服控制单元对液压油缸的控制，接管多自由度模型支撑机构的控制权限，控制电磁换向阀完成回零操作。

所述高速风洞多自由度模型支撑机构伺服驱动控制系统工作原理为：

多自由度模型支撑机构的运动控制分为三种情况：1、单级伺服油缸位置伺服控制；2、双级伺服油缸位置伺服控制。

单级伺服油缸位置伺服控制。操作者在上位机多自由度模型支撑机构操作软件上目标位置和目标速度，将目标位置和目标速度发送给多轴运动控制器。多种运动控制器经过软限位检查后将目标位置和目标速度发送给伺服控制单元，由伺服控制单元完成位置伺服控制。

双级伺服油缸位置伺服控制。双级伺服油缸涉及运动切换问题。双级伺服油缸需规定好动作顺序，操作者在上位机上给定双级油缸的总的目标位置s*和目标速度v*，一级缸的最大行程记为s1_max。多轴运动控制器根据油缸的当前位置和目标位置进行运动位置和速度分配。

实施例：

以某高速风洞四自由度模型支撑机构液压伺服驱动控制系统为例，对本发明的具体实施进行说明。

该四自由度模型支撑机构采用串联布局，最里层为迎角机构，向外依次为侧滑角机构、Y机构、X机构。机构的四个自由度运动均采用伺服油缸直接驱动：迎角机构由一台单级伺服油缸驱动，侧滑角机构由一台单级伺服油缸驱动，X机构由两台单级伺服油缸同步驱动，Y机构由两台两级伺服油缸同步驱动，如图1所示。

控制系统采用分布式控制方案，主要由1台上位控制计算机，1套运动逻辑控制单元和5套伺服控制单元，10套伺服阀组、4套电磁换向阀组，10只直线位移传感器，20只油压传感器组成，如图2-图3所示。

所有伺服油缸均安装直线位移传感器，双级伺服油缸需安装两只直线位移传感器，共需要10只直线位移传感器。为提高信号的抗干扰能力，优选能够输出同步串行信号SSI的直线位移传感器输出。双级伺服油缸上其中一只直线位移传感器输出信号303直接接入伺服控制单元，用于伺服油缸位置闭环控制，另一只直线位移传感器输出信号305接入数字IO模块。

每只液压油缸配置一套伺服阀组。每套伺服阀组安装两个油压传感器，用于采集液压油缸有杆腔和无杆腔油压。另外每套伺服阀组配备1只进油电磁阀和1只出油电磁阀。液压伺服驱动系统正常工作时，需要打开进油、出油电磁阀，当系统故障时，需要立即关闭进油、出油电磁阀，停止液压油缸移动。

上位控制计算机通过以太网100与运动逻辑控制单元进行通讯，主要实现控制系统的人机交互。上位机操作界面采用Labview图形语言编写，采用OPC技术与运动逻辑控制单元进行数据交互，如用户控制指令的下传，控制参数设置，油缸运动设置，显示系统状态，对系统进行监控和报警等。

运动逻辑控制单元用于协调每套伺服控制单元的动作，实现协同运动。运动逻辑控制单元通过EtherCAT总线200与其中一套伺服控制单元通信，伺服控制单元之间通过自身的HEDA总线201建立通讯连接，这样即可保证运动逻辑控制单元与22套伺服控制单元建立可靠通讯。

此外运动逻辑控制单元配置数字IO模块，模拟IO模块，通讯模块。

其中数字IO模块，又分为数字输入模块和数字输出模块。数字输入模块用于接收外部“急停”、“本地/远程切换”等输入信号307。数字输出模块输出电平信号304，通过中间继电器控制伺服阀组的进油电磁阀和出油电磁阀。

模拟IO模块，为模拟量输入模块，油源系统压力传感器输出的4~20mA电流信号306（共2路）。2路油源系统压力传感器对油源系统油压进行监测，当压力过低时运动逻辑控制单元进行联锁关闭伺服阀组的进油和出油电磁阀，以此对四自由度机构进行保护。

通讯模块支持Profinet协议，通过以太网202与风洞核心控制进行实时通讯。在进行风洞试验过程中，风洞核心控制系统接管四自由度机构模型支撑机构控制权限。

每套伺服控制单元可以控制2套伺服阀组来驱动2只伺服油缸运动，可根据需要对油缸进行位置控制或者力控制。

每套伺服控制单元需要采集2路液压油缸直线位移传感器输出信号303，4路伺服阀组油压传感器输出的4~20mA电流信号301，并且输出2路4~20mA电流信号302控制2套伺服阀组。

直线移传感器用于反馈液压油缸实际位置，参与油缸位置闭环控制。

伺服阀组油压传感器用于计算油缸的载荷情况，用于检测油缸是否超载。另外，当某个油缸需要进行力控制时，则参与力控制。

伺服控制单元接收来自运动逻辑控制单元的每个液压油缸的目标位置、目标速度、启动、停止等指令，执行相应的运动控制程序，并实时将液压油缸的实际位置、实际速度等状态参数反馈给运动逻辑控制单元。

四自由度模型支撑机构的迎角机构和侧滑角机构有两种回零方式：伺服控制单元控制系统回零和电磁换向阀回零。位置控制功能正常时，伺服控制单元接收来自上位机的回零指令，自动完成回零操作；位置控制功能不正常时，风洞安全联锁系统输出信号403关闭伺服阀组的液控锁，锁住油路，解除伺服控制单元对液压油缸的控制，接管多自由度模型支撑机构的控制权限，输出信号401控制电磁换向阀控制油缸回零，当迎角机构和侧滑角机构到达零位后，触发油缸上的限位开关信号402关闭电磁换向阀，锁住油缸位置。

所述高速风洞多自由度模型支撑机构伺服驱动控制系统工作原理为：

多自由度模型支撑机构的运动控制分为三种情况：1、单级伺服油缸位置伺服控制；2、双级伺服油缸位置伺服控制。

单级伺服油缸位置伺服控制。操作者在上位机多自由度模型支撑机构操作软件上目标位置和目标速度，将目标位置和目标速度发送给多轴运动控制器。多种运动控制器经过软限位检查后将目标位置和目标速度发送给伺服控制单元，由伺服控制单元完成位置伺服控制。

双级伺服油缸位置伺服控制。双级伺服油缸涉及运动切换问题。双级伺服油缸需规定好动作顺序，例如：油缸伸出时一级缸先运动，当一级缸到达最大行程后二级缸再运动；油缸收回时二级缸先运动，当二级缸完全收回后一级缸再运动。操作者在上位机上给定双级油缸的总的目标位置s*和目标速度v*，一级缸的最大行程记为s1_max。多轴运动控制器根据油缸的当前位置和目标位置进行运动位置和速度分配，这里仅以油缸伸出情况为例：

如果s*≤s1_max，s1*= s*，v1*=v*，s1*和v1*分别为一级缸的目标位置和目标速度；

如果s*＞s1_max，s1*=s1_max，v1*=v*，并且当|s1*-s1|<a时，令s2*= s*-s1_max，v2*=v*-|v1|，s2*和v2*分别为二级缸的目标位置和目标速度，s1和v1分别为一级缸的实际位置和实际速度，a为某一固定值，其值需要通过实际调试确定。这么处理的好处时可以确保在双级伺服油缸运动切换过程中保持油缸整体的运动速度不会有太大的波动。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，包括：

位于风洞测控间的上位机；

通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸运动的多套伺服控制单元；

通过接收上位机指令，协调每套伺服控制单元的动作以实现协同运动的运动逻辑控制单元；

其中，所述运动逻辑控制单元和伺服控制单元之间采用总线连接；

所述伺服油缸均安装至少一个直线位移传感器，伺服油缸与伺服阀组具有一一对应的关系，每套伺服阀组均安装有用于采集伺服油缸有杆腔和无杆腔油压的两个油压传感器，且每套伺服阀组还分别配备有1只进油电磁阀和1只出油电磁阀；

所述运动逻辑控制单元包括：对多自由度模型支撑机构中各轴伺服油缸的位移和速度进行计算和规划的多轴运动控制器；

所述上位机对多自由度模型支撑机构的运动控制包括：对单级伺服油缸位置伺服控制以及对双级伺服油缸位置伺服控制；

在单级伺服油缸位置伺服控制中，通过上位机操作软件对目标位置s和目标速度v进行设置，以将目标位置和目标速度发送给多轴运动控制器，多轴运动控制器经过软限位检查后将目标位置和目标速度发送给伺服控制单元，由伺服控制单元完成相应的位置伺服控制；

在双级伺服油缸位置伺服控制中，先对各级伺服油缸的动作顺序进行规划，再通过上位机操作软件对目标位置s*和目标速度v^*进行设置，设最先动作的一级伺服油缸的最大行程为s1_max，当油缸伸出时，如果s^*≤s1_max，则s1^*= s^*，v1^*=v^*，其中，s1^*和v1^*分别为一级伺服油缸的目标位置和目标速度；

如果s^*＞s1_max，则s1^*=s1_max，v1^*=v^*，并且当|s1^*-s1|<a时，令s2^*= s^*-s1_max，v2^*=v^*-|v1|，其中，s2^*和v2^*分别为二级伺服油缸的目标位置和目标速度，s1和v1分别为一级伺服油缸的实际位置和实际速度，a为常数。

2.如权利要求1所述的高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，所述运动逻辑控制单元被配置为还包括：数字IO模块，模拟IO模块，通讯模块；

其中，数字IO模块包括：

用于接收外部急停、本地/远程切换信号的数字输入模块；

输出电平信号，以通过中间继电器控制伺服阀组的进油电磁阀和出油电磁阀的数字输出模块；

所述通讯模块通过以太网与风洞控制系统进行实时通讯。

3.如权利要求1所述的高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，在多自由度模型支撑机构配置为采用四自由度模型支撑机构时，采用串联布局，其最里层为迎角机构，向外依次为侧滑角机构、Y机构、X机构；

其中，所述迎角机构、侧滑角机构分别由一台双级伺服油缸驱动，所述X机构由两台单级伺服油缸同步驱动，所述Y机构由两台两级伺服油缸同步驱动。

4.如权利要求1所述的高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统，其特征在于，还包括用于对多自由度模型支撑机构进行回零控制的多个电磁换向阀。

5.一种如权利要求1-4任一项所述高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统的应用方法，其特征在于，包括：

所述上位机通过以太网与多轴运动控制器通信，以将控制指令下载到多轴运动控制器中；

所述多轴运动控制器基于下载的上位机控制指令获取运动任务，以基于运动任务对多自由度模型支撑机构各轴伺服油缸位移和速度进行计算和/或规划；

所述多轴运动控制器将规划后的伺服油缸位移和速度指令发送至相应的伺服控制单元，以对全部伺服控制单元进行协同控制；

所述伺服控制单元基于接收到的伺服油缸位移和速度指令，通过控制伺服阀组阀芯位置来实现伺服油缸的运动控制，同时基于采集到的伺服油缸实际位置信息和两腔压力信息，实现伺服油缸的位置闭环控制或压力闭环控制，并实时上传状态信息；

当多自由度模型支撑机构运动到目标位置后，伺服控制单元仍保持伺服状态，以通过保持当前位置以抵抗变化的外部负载；

其中，所述控制指令包括：多自由度模型支撑机构的角度、角速度、位置、动速度。

6.如权利要求5所述高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统的应用方法其特征在于，所述计算和/或规划的方式包括：

将上位机下发的控制指令转化为相应的伺服油缸位移和速度指令；

对于存在多级伺服油缸的轴，分别对各级油缸的位移和速度进行分配；

对每个自由度运动的先后顺序进行规划。

7.如权利要求5所述高速风洞多自由度模型支撑机构驱动控制系统的应用方法，其特征在于，所述伺服控制单元在执行相应的运动控制程序时，实时将液压油缸的状态参数反馈给运动逻辑控制单元，以通过运动逻辑控制单元反馈给风洞控制系统。