用于風(fēng)洞全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及亞超聲速試驗(yàn)風(fēng)洞領(lǐng)域，涉及一種馬赫數(shù)位控系統(tǒng)及控制方法，尤其涉及一種用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)洞(wind tunnel)，是人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周?chē)鷼怏w的流動(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，風(fēng)洞在結(jié)構(gòu)上大體可分為穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、擴(kuò)散段和風(fēng)扇段等功能段，傳統(tǒng)風(fēng)洞在收縮段上多采用固塊噴管、半柔壁噴管的方式。固塊噴管在不同馬赫數(shù)試驗(yàn)時(shí)需要更換不同的固塊，半柔壁噴管的柔壁軸在控制上經(jīng)歷了 STD工控機(jī)，IPC工控機(jī)，然后是Compact PCI簡(jiǎn)稱(chēng)(CPCI)，可編程控制器PLC產(chǎn)品，分布式(DCS)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制卡等?？刂仆竭\(yùn)行電機(jī)的數(shù)量不大，一般在十幾個(gè)之內(nèi)。對(duì)多達(dá)幾十個(gè)電機(jī)的同步控制，實(shí)現(xiàn)過(guò)程繁瑣，實(shí)時(shí)性差，穩(wěn)定性也不好。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明采用技術(shù)更為先進(jìn)的全柔壁噴管，通過(guò)多電機(jī)控制風(fēng)洞內(nèi)壁形成不同的曲面，形成不同的流場(chǎng)及流速，具有較寬的馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍，可連續(xù)改變?cè)囼?yàn)馬赫數(shù)，并可得到較好的流場(chǎng)品質(zhì)，能夠大幅提高風(fēng)洞試驗(yàn)的柔性和效率，降低風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用。同時(shí)解決了多軸同步控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行通暢，平穩(wěn)無(wú)卡滯。
[0004]考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)及控制方法。所述控制方法是基于EtherCAT總線(xiàn)技術(shù)的多電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制方法。全柔壁噴管的一個(gè)型面(上下對(duì)稱(chēng)，共有兩個(gè)型面)的生成需要例如28個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行來(lái)完成。所述EtherCAT總線(xiàn)同時(shí)用作驅(qū)動(dòng)總線(xiàn)、高速I(mǎi)/O信號(hào)和通信總線(xiàn)；所述28個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別與相應(yīng)的減速器相連，采用耦合方法實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。本控制方法保證了全柔壁噴管系統(tǒng)型面運(yùn)行的精準(zhǔn)度、可重復(fù)性、安全性，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的控制方法，所述同步控制系統(tǒng)包括包括左右側(cè)壁板、柔板、前后端板、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中，所述左右側(cè)壁板左右平行布置，所述柔板為上下對(duì)稱(chēng)布置的兩個(gè)柔板，與所述左右側(cè)壁板共同構(gòu)成側(cè)面密閉的柱體，在所述柔板的背氣流面上布置有多個(gè)鉸鏈支撐點(diǎn)，并通過(guò)鉸鏈支撐點(diǎn)與所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，所述前后端板被垂直安放在所述柱體的兩端，具有外圓內(nèi)方結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞氣流從所述柱體兩的一端進(jìn)、另一端出，所述前后端板對(duì)所述柔板起固定安裝作用。
[0006]本發(fā)明的有益效果主要在于:本發(fā)明通過(guò)耦合方法實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，保證了全柔壁噴管系統(tǒng)型面運(yùn)行的精準(zhǔn)度、可重復(fù)性、安全性，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程通暢，平穩(wěn)無(wú)卡滯，達(dá)到了很好的效果，同時(shí)大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了故障率，降低了成本。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的總體配置示意圖；
[0008]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于全柔壁噴管的同步控制方法的示意流程圖；以及
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的功能模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面，結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0012]本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管以下的說(shuō)明涉及到有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例的很多技術(shù)細(xì)節(jié)，但這僅為用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理的示例、而不意味著任何限制。本發(fā)明能夠適用于不同于以下例舉的技術(shù)細(xì)節(jié)之外的場(chǎng)合，只要它們不背離本發(fā)明的原理和精神即可。
[0013]另外，為了避免使本說(shuō)明書(shū)的描述限于冗繁，在本說(shuō)明書(shū)中的描述中，可能對(duì)可在現(xiàn)有技術(shù)資料中獲得的部分技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了省略、簡(jiǎn)化、變通等處理，這對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是可以理解的，并且這不會(huì)影響本說(shuō)明書(shū)的公開(kāi)充分性。
[0014]再者，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本說(shuō)明書(shū)的附圖僅為用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理的示意圖，其中的各個(gè)部分/模塊并非完整和對(duì)應(yīng)的表示，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的實(shí)施例可按照實(shí)際應(yīng)用而對(duì)附圖進(jìn)行添加/修改，或省略附圖中示出的各個(gè)部分。
[0015]首先，參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的總體配置示意圖。
[0017]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)由機(jī)架、左右側(cè)壁板、柔板、前后端板、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、支座及周邊部件等組成。兩個(gè)左右側(cè)壁板左右平行布置，兩個(gè)柔板上下對(duì)稱(chēng)布置。在柔板的背氣流面上布置許多鉸鏈支撐點(diǎn)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在垂直氣流方向，有二個(gè)支撐點(diǎn)，它們的距離相同，多個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支撐點(diǎn)構(gòu)成兩排直線(xiàn)。也就是說(shuō)，沿著風(fēng)洞氣流方向，在柔板上依次布置兩排鉸鏈支撐點(diǎn)，所述兩排鉸鏈支撐點(diǎn)呈兩條直線(xiàn)，沿著風(fēng)洞氣流方向的每個(gè)位置處的兩個(gè)鉸鏈支撐點(diǎn)之間的間距相同。一個(gè)柔板上共有56個(gè)支撐點(diǎn)，并通過(guò)鉸鏈支撐點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程來(lái)控制柔板的彎曲形狀，使之與噴管理論氣動(dòng)型面相吻合，以得到不同試驗(yàn)馬赫數(shù)(M = I?4)的柔壁噴管型面，保證試驗(yàn)要求的馬赫數(shù)和氣流均勻度。
[0018]作為示例，上下對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)柔板各連接有28個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括28個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同步控制系統(tǒng)要保證同組的28臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以各自的速度(加速度)同時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)絲杠上下運(yùn)動(dòng)。馬赫數(shù)型面調(diào)節(jié)是各個(gè)柔板節(jié)點(diǎn)(鉸鏈支撐點(diǎn))同時(shí)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制。這種亞超音速變馬赫數(shù)噴管的高精度運(yùn)動(dòng)控制對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的建立非常重要。
[0019]通過(guò)控制柔板的彎曲形狀使之與噴管理論氣動(dòng)型面相吻合。因此在形成型面時(shí)，要同時(shí)對(duì)柔板的上下對(duì)稱(chēng)的28個(gè)電機(jī)進(jìn)行位置同步協(xié)調(diào)控制，對(duì)控制系統(tǒng)可靠性、精確度、重復(fù)性、同步性要求高。
[0020]控制系統(tǒng)分成三組，上、下柔板兩組各28個(gè)電機(jī)，雙側(cè)壁板和端蓋共一組有12個(gè)電機(jī)。采用三臺(tái)嵌入式控制器，上下柔板各一臺(tái)，側(cè)壁板和端蓋合用一個(gè)控制器。側(cè)壁板在維修時(shí)，打開(kāi)，維修人員才能進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部。端蓋是對(duì)柔板的末端鎖緊裝置，在柔板調(diào)節(jié)之前，打開(kāi)鎖緊，柔板調(diào)節(jié)完成，吹風(fēng)之前，對(duì)柔板的末端鎖緊。一塊側(cè)壁板的打開(kāi)需要控制器協(xié)調(diào)控制4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)工作才能完成。系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT建立嵌入式控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的通信，系統(tǒng)構(gòu)架圖見(jiàn)圖2。
[0021]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于全柔壁噴管的同步控制系統(tǒng)的功能模塊示意圖。
[0022]如圖4所示，所述同步控制系統(tǒng)是基于EtherCAT總線(xiàn)技術(shù)的多軸同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包括控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出，安全保護(hù)系統(tǒng)與若干組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。每組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、螺旋升降機(jī)與絕對(duì)值編碼器。
[0023]下面逐一說(shuō)明上述各部分的構(gòu)成和作用。
[0024]主控計(jì)算機(jī):系統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)。各個(gè)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)、型面數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)管理、柔板狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)通訊等功能。
[0025]嵌入式控制器，運(yùn)行Twincat軟件，電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的指令生成、分別用于上下柔板和側(cè)壁板及端蓋的控制實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)運(yùn)算。
[0026]系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方式建立上位機(jī)、下位機(jī)和電機(jī)控制器之間的通訊。
[0027]數(shù)字量輸入:為了確保安全運(yùn)行，引入運(yùn)行條件變量(系統(tǒng)上電、開(kāi)使能、系統(tǒng)急停等)與安全保護(hù)參數(shù)(接近開(kāi)關(guān)報(bào)警)。
[0028]數(shù)字量輸出:運(yùn)行狀態(tài)的輸出與顯示一例如運(yùn)行、報(bào)警。
[0029]安全保護(hù)系統(tǒng):扭矩安全保護(hù)、應(yīng)力報(bào)警保護(hù)一系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢測(cè)柔板的所感受的應(yīng)力、電纜斷線(xiàn)保護(hù)等。
[0030]數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、安全保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)Twincat總線(xiàn)方式連接嵌入式控制器。
[0031]伺服驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，與伺服電機(jī)組成一個(gè)高精度的定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，使控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。減速器是一種精密機(jī)械，降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)距。螺旋升降機(jī)，它把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，放大了推力。絕對(duì)值編碼是檢測(cè)元件，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)角位置并可轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)行距離，實(shí)現(xiàn)精確控制。
[0032]整個(gè)柔壁控制系統(tǒng)的前端是交流永磁電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。它是由嵌入式控制器、驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、螺旋升降機(jī)、減速器和多圈絕對(duì)值編碼器構(gòu)成的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0033]嵌入式控制器與驅(qū)動(dòng)器、功能模塊之間采用的是EtherCAT總線(xiàn)。
[0034]主控計(jì)算機(jī)可采用MS Windows操作系統(tǒng)。嵌入式控制器安裝了Windows Embedded操作系統(tǒng)，采用TwinCAT軟件作為Windows操作系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，把控制器轉(zhuǎn)換成一個(gè)實(shí)時(shí)服務(wù)器。事實(shí)上，TwinCAT可以將PC變成一個(gè)實(shí)時(shí)控制器，控制由嵌入式驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、反饋元件組成的閉環(huán)系統(tǒng)。柔板的實(shí)際位置通過(guò)絕對(duì)值編碼器作為反饋組成位置環(huán)，嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)運(yùn)算，電機(jī)內(nèi)置有速度閉環(huán)控制。在多控制器的系統(tǒng)中，二者之間建立了路由關(guān)系，控制器之間即可進(jìn)行EtherCAT通信。
[0035]軟件分為現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用軟件和運(yùn)行在控制器上的TwinCAT-PLC控制軟件兩部分組成。我們編寫(xiě)的柔板型面控制軟件在主控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，它完成型面參數(shù)的編輯、下載，安全參數(shù)的設(shè)置，型面運(yùn)行的數(shù)據(jù)與狀態(tài)回顯等。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Lab WINDOWS/CVI，它