CN116382178B - 大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，涉及高速风洞电液伺服控制领域，包括：在喷管操作软件上选择目标马赫数型面Ma并设定喷管运行速度v ₀，喷管操作软件基于Ma进行查表，以确定每个运动轴的目标位置s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰，将v ₀和s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰的值发送给多轴运动控制器，所述多轴运动控制器基于接收到的信息对各轴的运动速度进行计算分配；所述多轴运动控制器将各轴的目标位置和运动速度发送给相应的伺服控制单元，以通过位置闭环调节比例伺服阀开度，使各轴做相应的运动以控制喷管型面按要求变化。本发明提供一种大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，为液压驱动中的多轴同步协同控制问题提供了可行解决方案。

Description

大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法

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，本发明涉及一种大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法。

背景技术

喷管是高速风洞中通过改变型面几何形状以加速气流的一种设备，对风洞的流场品质具有决定性的影响，因此风洞对喷管型面的控制精度有着十分高的要求。喷管型面的驱动方式可分为伺服电机驱动、伺服电机和液压缸混合驱动、全液压伺服驱动三种方式。对于小型风洞而言，由于喷管载荷较小，通常选用伺服电机驱动。目前国内大型风洞主要采用伺服电机和液压缸混合驱动方式，即先用伺服电机实现丝杠螺母精确定位，再通过液压缸驱动喷管型面紧贴定位螺母，从而实现型面成型和锁紧。伺服电机和液压缸混合驱动方式，喷管型面更换效率低，并且在吹风试验过程中无法改变喷管型面。某大型高速风洞，为了克服风洞试验过程中喷管型面受到的近百吨的气动载荷，实现连续变马赫数功能，在国内首次采用全液压伺服驱动方式驱动喷管型面。但对应的控制系统在实时性、同步性、定位准确性、反馈信号的可靠性等方面均不能满足喷管控制要求。

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，提供了一种大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，包括：

步骤一，在喷管操作软件上选择目标马赫数型面Ma并设定喷管运行速度v ₀，喷管操作软件基于Ma进行查表，以确定每个运动轴的目标位置s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰，

步骤二，将步骤一中得到v ₀和s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰的值发送给多轴运动控制器，所述多轴运动控制器基于接收到的信息对各轴的运动速度进行计算分配；

步骤三，所述多轴运动控制器将各轴的目标位置和运动速度发送给相应的伺服控制单元，以通过位置闭环调节比例伺服阀开度，使各轴做相应的运动以控制喷管型面按要求变化；

其中，在步骤三中，对存在位置约束问题的轴采用位置与力的复合控制；

所述复合控制是将位置闭环控制的轴作为复合控制的主轴，力闭环控制的轴作为复合控制的从轴，从轴的以主轴液压油缸所受的载荷为力的控制目标，即：

F=P _A S _A-P _B S _B

式中P _A、P _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的油压，S _A、S _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的面积，对于需要力控制的轴，多轴运动控制器将目标力F发送给伺服控制单元，由伺服控制单元实现力闭环控制。

优选的是，在步骤二中，所述计算分配的方式被配置为包括：

通过下式计算每个轴运动的位移Δs _i ：

Δs _i =|s _i ⁰-s _i |；

式中，s _i 为i号轴的当前位置，i=1,2,3……n；

找出各轴中出位移最大的j号轴Δs _j ，将j号轴的运动速度设置为v ₀，按下式计算得到其余轴的速度v _i ：

v _i= Δs _i /Δs _j *v ₀。

优选的是，还包括相配合的控制系统，所述控制系统被配置为包括：

位于风洞测控间，且安装有喷管操作软件的型面控制上位机；

带触摸屏的现场控制柜，其上设置有切换现场控制和远程控制的选择开关；

通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制与型面配合的伺服油缸运动的多套伺服控制单元；

通过接收型面控制上位机指令，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，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。

优选的是，在控制系统运行时，多轴运动控制器接收上位机控制指令，从上位机获取运动任务，对驱动喷管型面的各油缸行程进行计算和规划，向伺服控制单元发送运动控制指令，并对全部伺服控制单元进行协同控制，同时监测整个喷管的运行工况，实现系统内的报警与安全联锁；

所述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，实现油缸的位置闭环控制或压力闭环控制；

在需要进行型面协同运动时，多轴运动控制器可根据各执行机构反馈的实际行程，分析与预期型面存在的协同误差并进行指令修正，确保全部执行机构按预期要求精确同步协同运行；

其中，所述控制指令包括马赫数型面设置、运动速度。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明针对该风洞全液压伺服驱动系统中液压缸数量多、分布跨度大、同步精度要求高等特点，提出了“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，控制系统的实时性、同步性、定位准确性、反馈信号的可靠性等方面均满足喷管控制要求。

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为本发明的实施例中风洞喷管上下型面驱动油缸布置示意图；

图2为本发明的实施例中的风洞喷管型面全液压伺服驱动控制系统原理图。

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。

本发明的目的是为大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制系统提供一种可行的解决方案，以实现液压油缸的精确定位控制，保证喷管实际型面与理论气动型面相符合并且具备较高的重复精度。

整个系统采用“上位机+多轴运动控制器+伺服控制单元+伺服比例阀”的分布式控制方案。优选的，整个控制系统包括：一台型面控制计算机/一块触摸屏，一套多轴运动控制器，若干套伺服控制单元和若干套伺服比例阀，采用这种分布式控制方案，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。

所述型面控制计算机位于风洞测控间，实现远程控制功能，所述触摸屏安装在现场控制柜上，实现现场控制功能，通过控制柜上的选择开关，实现现场控制和远程控制的切换。型面控制计算机和触摸屏均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，上传给触摸屏和型面控制计算机，用于监控显示。触摸屏或型面控制计算机将控制指令，如马赫数型面设置、运动速度等信息，下载到多轴运动控制器中，控制喷管型面按要求变化。

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，对驱动喷管型面的各油缸行程进行计算和规划，向伺服控制单元发送运动控制指令，并对全部伺服控制单元进行协同控制，同时监测整个喷管的运行工况，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。在需要进行型面协同运动时，多轴运动控制器可根据各执行机构反馈的实际行程，分析与预期型面存在的协同误差并进行指令修正，确保全部执行机构按预期要求精确同步协同运行。

所述多轴运动控制器需配置若干I/O模块。包括：DI输入模块，用于急停、本地远程等电平信号的检测；DO输出模块，通过控制中间继电器开闭，继而控制比例阀组中电磁阀的通断；AI输入模块，用于检测油缸外置位移传感器、油路供油压力等模拟量信号。I/O模块通过现场总线和多轴运动控制器通讯实现交换数据。

所述多轴运动控制器应具备PROFINET通信功能，通过工业以太网交换机（PROFINET协议）接入风洞测控主干网络，与风洞安全联锁控制系统和核心控制系统进行实时通信。

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（本方案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）。每只伺服油缸的内置直线位置传感器信号及两腔压力信号，在现场直接接入油缸对应的伺服控制单元，本方案通过位移传感器、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，并根据采集到的油缸实际位置信息和两腔压力信息，实现油缸的位置闭环控制或力（压力）闭环控制。

所述喷管型面全液压伺服驱动控制系统工作原理为：

1)操作者在上位机或者触摸屏上的喷管操作软件上选择目标马赫数型面Ma并设定喷管运行速度v ₀，喷管操作软件根据目标马赫数型面Ma通过查表确定每个运动轴的目标位置s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰并将v ₀和s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰的值发送给多轴运动控制器。

2)多轴运动控制器对多轴的运动速度进行分配：

计算每个轴运动的位移Δs _i =|s _i ⁰-s _i |，s _i 为i号轴的当前位置，i=1,2,3……n。判断出位移最大的轴，记为j号轴，令将j号轴的运动速度设置为v ₀，其余轴的速度v _i= Δs _i /Δs _j *v _0。

3)多轴运动控制器将每个轴的目标位置和速度发送给伺服控制单元，伺服控制单元根据目标位置和速度，通过位置闭环调节比例伺服阀开度，控制轴运动。

4)喷管某些轴之间存在位置约束问题，即使微小的位置偏差也可能造成很大的应力容易损坏设备，对于这些轴采用位置与力的复合控制，本方案通过采用位置和力的复合控制解决轴之间存在位置约束问题，防止喷管型面局部应力过大。

具体来说，复合控制是将位置闭环控制的轴作为位置与力的复合控制的主轴，力闭环控制的轴作为位置与力的复合控制的从轴。从轴的以主轴液压油缸所受的载荷为力的控制目标，即F=P _A S _A-P _B S _B，其中P _A、P _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的油压，S _A、S _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的面积。

对于需要力控制的轴，多轴运动控制器将目标力F发送给伺服控制单元，由伺服控制单元实现力闭环控制。本方案可实现喷管型面连续调节，型面精确到位后，通过位置闭环保持当前位置并抵抗变化的外负载，解决了传统的喷管液压驱动方式带来的同步性差、操作复杂以及型面更换效率低等问题，可以实现风洞试验过程中喷管型面连续变化。

实施例：

以高速风洞喷管型面控制系统为例，对本发明的具体实施进行说明。

该风洞喷管单边型面共有11组支撑节点，如图1所示，每组支撑节点均沿横向布置2只液压油缸，因此单边型面共有22只液压油缸，上下型面共有44只液压油缸。

每只液压油缸上安装1只内置位移传感器和1只外置位移传感器，共需要44只内置位移传感器和44只外置位移传感器。内置位移传感器输出信号为SSI 303，外置直线位移传感器输出4~20mA电流信号305。

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，保护喷管型面。

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套运动逻辑控制器和22套伺服控制单元，44只内置位移传感器，44只外置位移传感器，90只油压传感器组成，如图2所示。

上位控制计算机通过以太网100与运动逻辑控制器进行通讯，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器进行数据交互,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。

运动逻辑控制器用于协调每个伺服控制单元的动作，实现协同运动。运动逻辑控制器通过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器与22套伺服控制单元建立可靠通讯。

此外运动逻辑控制器配置数字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（共88路信号），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，用来采集液压油缸外置位置传感器输出的4~20mA电流信号305（共44路）以及油源系统压力传感器输出的4~20mA电流信号（共2路）。外置位置传感器的信号值305主要用来与内置位移传感器信号303进行比对，判断传感器是否故障。2路油源系统压力传感器对油源系统油压进行监测，当压力过低时控制系统进行联锁关闭伺服阀组的进油和出油电磁阀，以此对喷管型面进行保护。

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。

每套伺服控制单元可以控制2套伺服阀组来驱动2只液压油缸运动，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路液压油缸内置位移传感器输出的SSI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。

内置位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器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器。

所述喷管型面全液压伺服驱动控制系统工作原理为：

1)操作者在上位机或者触摸屏上的喷管操作软件上选择目标马赫数型面Ma并设定喷管运行速度v ₀，喷管操作软件根据目标马赫数型面Ma通过查表确定每个运动轴的目标位置s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰并将v ₀和s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰的值发送给多轴运动控制器。

2)多轴运动控制器对多轴的运动速度进行分配：

计算每个轴运动的位移Δs _i =|s _i ⁰-s _i |，s _i 为i号轴的当前位置，i=1,2,3……n。判断出位移最大的轴，记为j号轴，令将j号轴的运动速度设置为v ₀，其余轴的速度v _i= Δs _i /Δs _j *v _0。

3)多轴运动控制器将每个轴的目标位置和速度发送给伺服控制单元，伺服控制单元根据目标位置和速度，通过位置闭环调节比例伺服阀开度，控制轴运动。

4)喷管某些轴之间存在位置约束问题，即使微小的位置偏差也可能造成很大的应力容易损坏设备，对于这些轴采用位置与力的复合控制。位置闭环控制的轴作为位置与力的复合控制的主轴，力闭环控制的轴作为位置与力的复合控制的从轴。从轴的以主轴液压油缸所受的载荷为力的控制目标。F=P _A S _A-P _B S _B，其中P _A、P _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的油压，S _A、S _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的面积。

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 (5)

1.一种大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，在喷管操作软件上选择目标马赫数型面Ma并设定喷管运行速度v ₀，喷管操作软件基于Ma进行查表，以确定每个运动轴的目标位置s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰，

步骤二，将步骤一中得到v ₀和s₁ ⁰，s₂ ⁰，……，s_n ⁰的值发送给多轴运动控制器，所述多轴运动控制器基于接收到的信息对各轴的运动速度进行计算分配；

步骤三，所述多轴运动控制器将各轴的目标位置和运动速度发送给相应的伺服控制单元，以通过位置闭环调节比例伺服阀开度，使各轴做相应的运动以控制喷管型面按要求变化；

其中，在步骤三中，对存在位置约束问题的轴采用位置与力的复合控制；

所述复合控制是将位置闭环控制的轴作为复合控制的主轴，力闭环控制的轴作为复合控制的从轴，从轴的以主轴液压油缸所受的载荷为力的控制目标，即：

F=P _A S _A-P _B S _B

式中P _A、P _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的油压，S _A、S _B分别为主轴无杆腔和有杆腔的面积，对于需要力控制的轴，多轴运动控制器将目标力F发送给伺服控制单元，由伺服控制单元实现力闭环控制；

在步骤二中，所述计算分配的方式被配置为包括：

通过下式计算每个轴运动的位移Δs _i ：

Δs _i =|s _i ⁰- s _i |；

式中，s _i 为i号轴的当前位置，i=1,2,3……n；

找出各轴中出位移最大的j号轴Δs _j ，将j号轴的运动速度设置为v ₀，按下式计算得到其余轴的速度v _i ：

v _i= Δs _i /Δs _j * v ₀。

2.如权利要求1所述的大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，其特征在于，还包括相配合的控制系统，所述控制系统被配置为包括：

位于风洞测控间，且安装有喷管操作软件的型面控制上位机；

带触摸屏的现场控制柜，其上设置有切换现场控制和远程控制的选择开关；

通过调节伺服阀组的阀芯位置，以控制与型面配合的伺服油缸运动的多套伺服控制单元；

通过接收型面控制上位机指令，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。

3.如权利要求2所述的大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，其特征在于，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。

4.如权利要求2所述的大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，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.如权利要求3所述的大型高速风洞喷管型面全液压伺服驱动控制方法，其特征在于，在控制系统运行时，多轴运动控制器接收上位机控制指令，从上位机获取运动任务，对驱动喷管型面的各油缸行程进行计算和规划，向伺服控制单元发送运动控制指令，并对全部伺服控制单元进行协同控制，同时监测整个喷管的运行工况，实现系统内的报警与安全联锁；

所述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，实现油缸的位置闭环控制或压力闭环控制；

在需要进行型面协同运动时，多轴运动控制器可根据各执行机构反馈的实际行程，分析与预期型面存在的协同误差并进行指令修正，确保全部执行机构按预期要求精确同步协同运行；

其中，所述控制指令包括马赫数型面设置、运动速度。