褚福剛，楊全海，康 寧，韓 用

(中國航天科工集團第六研究院601所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076)

1553B總線噴管測控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計與實現(xiàn)

褚福剛，楊全海，康 寧，韓 用

(中國航天科工集團第六研究院601所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076)

為滿足噴管測控試驗需要，提出了一種基于1553B總線的數(shù)字化測控系統(tǒng)設(shè)計方法，可用于對數(shù)字伺服機構(gòu)進行控制，并提高了噴管的控制精度和穩(wěn)定性。對噴管測控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計分別進行了闡述，同時對所實現(xiàn)測控系統(tǒng)的性能進行了驗證和測試。實際應(yīng)用表明，所設(shè)計的噴管測控系統(tǒng)具有可靠性高、實時性和精確性好的特點。

測控系統(tǒng)；噴管；數(shù)字化；1553B總線

Abstract In order to meet the needs of measurement and control in nozzle swinging test,a design method of digital measurement and control system based on 1553B bus is proposed,which can be used to control the digital servo and improve the control precision and stability of the nozzle.The hardware system and software system design of the nozzle measurement and control system are described respectively,and the performance of the measurement and control system is verified and tested.The practical application shows that the designed measurement and control system of nozzle has the characteristics of high reliability,good real-time performance and accuracy.

Key words measurement and control system；nozzle；digital；1553B bus

0 引言

在噴管測控試驗中需采用伺服機構(gòu)作為噴管擺動的執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制指令，控制噴管的擺角或閥門的開度[1]，其控制方式屬于伺服控制技術(shù)在試驗領(lǐng)域中的應(yīng)用。傳統(tǒng)伺服機構(gòu)屬于模擬伺服機構(gòu)，通常采用電信號控制和液壓動力相結(jié)合的方式，通過模擬信號直接進行控制,如文獻[2-3]所述，這種伺服機構(gòu)雖具有交流伺服系統(tǒng)所具有的許多優(yōu)點，但往往操作復(fù)雜、信號干擾和延時較大，同時信號精度、可靠性和安全性都不理想。根據(jù)文獻[4-5]可知，在伺服機構(gòu)控制中引入數(shù)字技術(shù)，采用數(shù)字信號方式對伺服機構(gòu)進行控制可彌補模擬信號控制方式的不足，為滿足噴管測控試驗中對數(shù)字伺服機構(gòu)進行控制的需要，需對噴管擺動控制系統(tǒng)進行數(shù)字化設(shè)計和實現(xiàn)，還需同時滿足1553B總線傳輸要求[6]，實現(xiàn)對1553B總線上2套伺服機構(gòu)進行同時控制和反饋信號采集。進行噴管擺動控制系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計和實現(xiàn)能夠降低噴管控制試驗中控制與反饋信號的傳輸干擾和延時，并提高信號的精確性，從而提高試驗系統(tǒng)的可靠性，保障試驗順利完成。開展噴管測控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計研究能夠促進噴管擺動虛擬試驗與實物試驗的進一步結(jié)合，對促進噴管擺動虛擬試驗的發(fā)展具有重要意義。

基于1553B總線進行噴管測控系統(tǒng)設(shè)計，不僅能滿足試驗的可靠性要求，還具有以下優(yōu)良特點[7]：實時性好、合理的差錯控制措施和特有的方式命令、總線效率高、具有命令/響應(yīng)以及“廣播”通信方式，適合于集中控制的分布式處理系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

進行噴管測控系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計，首先要求1553B總線上所有設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)通信功能，并在各設(shè)備之間實現(xiàn)預(yù)定的控制策略和控制規(guī)則，以達(dá)到總線控制器對伺服機構(gòu)運動狀態(tài)進行控制和測量的目標(biāo)。其次要求噴管擺動控制系統(tǒng)能夠滿足對伺服機構(gòu)動態(tài)性能進行測量的指標(biāo)要求[8]，具體指標(biāo)包括：伺服機構(gòu)反饋信號的延時時間、所有信號的干擾以及啟動信號的啟動時間等。此外，噴管擺動控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計后還必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。依據(jù)1553B總線基本結(jié)構(gòu)和噴管擺動控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 噴管擺動控制系統(tǒng)組成

噴管擺動控制的硬件系統(tǒng)組成包括測試機、控制機、遠(yuǎn)程數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)、1553B連接線路、耦合器和供電電源等部件[9]。整套系統(tǒng)采用分布式部署模式，其中控制機、耦合器布置在試驗臺側(cè)的隔離間，并采取減震抗沖擊保護措施，測試機、電源等布置在操作間，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。整套系統(tǒng)發(fā)送和應(yīng)答指令信息全部采用1553B總線協(xié)議，并由1553B總線耦合器和線纜連接。

控制機是噴管擺動控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，實現(xiàn)對伺服機構(gòu)的核心控制功能[10]，設(shè)置為下位機，負(fù)責(zé)接收測試機的啟動指令和控制噴管擺動。根據(jù)文獻[11-12]進行控制機的設(shè)計，實現(xiàn)的具體功能包括接收測試機指令信號、返回接收狀態(tài)字、控制伺服機構(gòu)擺動、采集伺服機構(gòu)運動狀態(tài)信息和向測試機返回控制信息等功能。

測試機設(shè)置為上位機，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，負(fù)責(zé)接收主控臺啟動信號，在控制前將擺動信號加載到控制機，控制過程中遠(yuǎn)程監(jiān)控控制機返回的伺服機構(gòu)狀態(tài)信息，實現(xiàn)的具體功能包括：發(fā)送指令信號、接收狀態(tài)字、接收試驗數(shù)據(jù)、接收和反饋控制臺啟控信號、傳輸啟動信號給控制機等，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對伺服機構(gòu)的供電和狀態(tài)檢測。

監(jiān)視機的硬件配置與控制機相同，直接與1553B總線相連接。監(jiān)視機的硬件設(shè)計參考了文獻[13-14]的研究內(nèi)容，并設(shè)置了與總線斷開的功能，因此能夠根據(jù)試驗需要，方便地將監(jiān)視機從總線斷開，實現(xiàn)增加監(jiān)視機、刪除監(jiān)視機和監(jiān)視機與控制機互換等功能。

噴管擺動控制系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計中，采用1553B數(shù)據(jù)線纜作為系統(tǒng)控制線纜；采用工業(yè)級朝陽電源作為控制機和伺服機構(gòu)供電電源；采用中斷控制方式實現(xiàn)控制機、監(jiān)視機的時序控制；控制機將控制信息和采集到的伺服機構(gòu)狀態(tài)信息實時傳送到測試機，測試機對試驗數(shù)據(jù)自動存盤，避免數(shù)據(jù)丟失。

1.2 數(shù)字信號傳輸設(shè)計

由于推力向量控制試驗中會產(chǎn)生較大的噪聲和強烈震動，控制系統(tǒng)需設(shè)計成遠(yuǎn)程控制方式，即測試機遠(yuǎn)程啟控控制機，控制機遠(yuǎn)距離控制伺服機構(gòu)。其中測試機與控制機之間傳輸距離長約數(shù)百米，控制機與伺服機構(gòu)之間距離長約數(shù)十米。因而實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)噴管擺動控制系統(tǒng)數(shù)字化的一個關(guān)鍵部分。設(shè)計中針對控制特點和傳輸距離采用2種傳輸方式實現(xiàn)：光纖傳輸和1553B總線傳輸。

測試機和控制機之間的傳輸采用單模光纖作為傳輸媒介，采用TCP/IP協(xié)議作為傳輸協(xié)議[15]。這種傳輸方式成熟穩(wěn)定，既能保證傳輸?shù)乃俣?，同時也能保證傳輸?shù)目煽啃?，能夠降低傳輸成本，適合于長距離傳輸。

控制機與伺服機構(gòu)之間距離較短，實現(xiàn)對伺服機構(gòu)的直接控制，參考文獻[16-17]進行1553B總線傳輸設(shè)計，采用1553B總線線纜直接連接控制機和伺服機構(gòu)，總線上所有設(shè)備全部運行1553B總線協(xié)議完成通信，同時所有設(shè)備全部通過耦合器接口連接。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

噴管擺動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中采用指令/響應(yīng)異步工作方式實現(xiàn)[18]，其中控制機采用主動式通信方式與測試機通信，即服務(wù)請求機制。當(dāng)控制機有數(shù)據(jù)需要傳送時，首先請求測試機將消息發(fā)送主動權(quán)交給控制機，然后控制機將伺服機構(gòu)狀態(tài)信息在較小的時間延時內(nèi)傳送給測試機?？刂茩C向測試機傳送伺服機構(gòu)運動狀態(tài)信息的工作過程如下：將伺服機構(gòu)的反饋電位計信號通過A/D轉(zhuǎn)換后存放在指定的數(shù)據(jù)存儲器緩沖區(qū)中，同時將發(fā)送請求位和狀態(tài)字相應(yīng)位設(shè)置為高電平，向測試機請求發(fā)送消息；測試機采取查詢方式接收控制機請求信號，在每個總線幀開始時段查詢控制機的服務(wù)請求，并根據(jù)狀態(tài)字安排相應(yīng)的消息發(fā)送。這種通信方式能夠保證消息傳輸?shù)膶崟r性，同時能夠保證系統(tǒng)的同步運行和降低系統(tǒng)運行負(fù)荷，避免產(chǎn)生較大的時延。

數(shù)字化的噴管擺動控制系統(tǒng)通信流程圖如圖2所示。

圖2 通信流程

噴管擺動控制系統(tǒng)軟件的編程實現(xiàn)中，根據(jù)各設(shè)備的功能特點分別采用不同的語言實現(xiàn)，測試機客戶端軟件的編程采用Delphi語言編寫，控制機和測試機之間的通信協(xié)議采用TCP/IP傳輸協(xié)議實現(xiàn)。測試機軟件實現(xiàn)的功能包括：1553B總線上各設(shè)備之間的接口檢查、自檢等指令交互；啟控前實現(xiàn)軟件設(shè)置、控制波形的編制與下載；啟控后實現(xiàn)數(shù)據(jù)波形的監(jiān)視等[19]，測試機操作界面如圖3所示。

圖3 測試機操作界面

控制機服務(wù)端軟件的編程實現(xiàn)采用C++Builder2007進行編寫，主要實現(xiàn)與伺服機構(gòu)的接口檢查、自檢等指令的交互，以及實現(xiàn)發(fā)控等一系列的動作，并把交互的結(jié)果通過遠(yuǎn)程傳輸?shù)綔y試機[20]，控制機操作界面如圖4所示。

圖4 控制機操作界面

3 系統(tǒng)測試

3.1 功能驗證

對噴管測控系統(tǒng)進行功能驗證，驗證平臺包括伺服作動器、地面能源系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)等，均為實際試驗用設(shè)備。驗證的功能包括1553B總線通信功能、測試機信號編輯功能、測試機與控制機的遠(yuǎn)程通信、控制機對作動器的控制以及控制機采集作動器狀態(tài)信息等，驗證結(jié)果如表1所示。

表1 功能驗證結(jié)果

根據(jù)表1所得測試結(jié)果，可以得出所實現(xiàn)測控系統(tǒng)具備普通測控系統(tǒng)的各項測控功能，各組成設(shè)備能夠與1553B總線設(shè)備進行正確通信，因此可用于對1553B總線數(shù)字伺服作動器進行測控，彌補了傳統(tǒng)伺服測控方式的不足。

3.2 延時測試

反饋延時是衡量伺服測控性能的一個重要指標(biāo)，反饋延時過大可能導(dǎo)致測控系統(tǒng)無法實現(xiàn)閉環(huán)控制，引起噴管擺動試驗失敗，造成巨大損失。因此反饋延時必須盡量短，且不能超過一定范圍。由于測控試驗波形可由正弦波、方波、梯形波及其組合波形構(gòu)成，因此采用上述波形對測控系統(tǒng)進行反饋延時測試，并與傳統(tǒng)的模擬伺服測控系統(tǒng)反饋延時進行對比，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 反饋延時測試結(jié)果

由表2能夠得出論文所實現(xiàn)的測控系統(tǒng)反饋延時與原測控系統(tǒng)相比平均降低0.033 s，其原因是所實現(xiàn)的系統(tǒng)采用了更快處理速度的元器件，并采用了1553B數(shù)字總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，因此提高了噴管測控試驗的實時性和可靠性。

3.3 幅值測試

反饋幅值能夠表示出伺服作動器的實際伸縮長度，即反映噴管的實際擺動位置，是噴管控制的實際效果，因此用作測控系統(tǒng)的測試指標(biāo)。對所設(shè)計的測控系統(tǒng)的反饋幅值進行測試，并與原測控系統(tǒng)反饋幅值及信號幅值進行對比，如表3所示。

表3 反饋幅值測試結(jié)果

根據(jù)表3可知，針對噴管測控波形的零位和3個基本波形的極值點進行幅值測試時，實現(xiàn)的測控系統(tǒng)反饋幅值均優(yōu)于原測控系統(tǒng)，反饋幅值平均誤差值降低到0.015 V，與原測控系統(tǒng)的平均誤差值0.02 V相比更接近于控制信號，因此所設(shè)計的測控系統(tǒng)具有更好的測控效果。

4 結(jié)束語

基于1553B總線開展噴管擺動測控系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計，由于采用了數(shù)字信號的控制和傳輸方式，在具備了對數(shù)字伺服機構(gòu)控制功能的同時。所設(shè)計的測控系統(tǒng)能夠降低反饋信號的傳輸延時，并能夠提高控制信號的控制效果。此外，由于1553B總線具有備份控制和容錯機制等多項優(yōu)點，因此較大地提高了所設(shè)計的噴管擺動測控系統(tǒng)的可靠性，并使該測控系統(tǒng)可進行分布式部署，進一步使控制機近距離控制伺服機構(gòu)，使伺服機構(gòu)能夠更好地跟蹤指令信號，有助于提高試驗的控制精度。采用所設(shè)計的數(shù)字化噴管擺動控制系統(tǒng)已參加了多次試驗，傳輸延時和控制精度均優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)。

[1] 劉華偉,葉正寅,葉坤.火箭發(fā)動機噴管擺動對側(cè)向載荷的影響[J].固體火箭技術(shù),2016(5):619-624.

[2] 許學(xué)超.汽輪機新型電液伺服機構(gòu)設(shè)計、仿真及實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[3] 許仕偉.電液伺服機構(gòu)密封可靠性分析及其試驗研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2012.

[4] 崔勇,黃元生.一種擺動噴管電動伺服機構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化,2012(18):52-55.

[5] 程相,王書銘,左哲清.一種數(shù)字伺服閥驅(qū)動機構(gòu)的性能研究[J].液壓與氣動,2015(9):101-105.

[6] 孟慶華,王興梅.基于FPGA的1553B總線系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(6):72-75.

[7] 劉云峰,繆棟,劉凡軍.1553B總線及其在電液伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機床與液壓,2004(9):106-108.

[8] 馬建偉.精密電液伺服閥幾何因素與性能指標(biāo)映射關(guān)系研究[D].大連:大連理工大學(xué),2011.

[9] 謝偉,張蕾,蘭天,等.一種伺服測試領(lǐng)域1553B總線的實現(xiàn)架構(gòu)[J].計算機測量與控制,2016(6):128-132.

[10] 楊衛(wèi)軍,李釗,許化龍,等.1553B網(wǎng)絡(luò)BC的SPN建模與分析[J].無線電工程,2009,39(2):16-17.

[11] 顏學(xué)龍,梅明.基于1553B總線協(xié)議IP核的設(shè)計[J].半導(dǎo)體技術(shù),2007,32(5):426-429.

[12] 王一達(dá).SoC驗證平臺中1553B總線控制器設(shè)計[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[13] 羅運虎,章寧,周濤,等.1553B總線監(jiān)視器中數(shù)據(jù)讀取與解析方法研究[J].測控技術(shù),2013(10):33-35.

[14] 張子明.基于BU-61580的1553B總線通訊模塊的設(shè)計和研制[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

[15] 魏晨曦.TCP/IP技術(shù)在航天測控通信中的應(yīng)用[J].無線電工程,2005,35(8):21-30.

[16] 曹曉麗,谷春英.1553B總線傳輸機制建模及性能分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(9):2 562-2 565.

[17] 劉騏銘,馮旭哲.星載子網(wǎng)1553B總線數(shù)據(jù)傳輸與管理[J].宇航計測技術(shù),2015(5):64-69.

[18] 蔡敬坤,呂兵兵,吳健.設(shè)計模式在飛行器高速1553B總線軟件設(shè)計中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2016(4):89-91.

[19] 于東超.LXI總線1553B通信模塊研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[20] 王程崢,李文魁,宋衛(wèi)紅,等.艦船綜合導(dǎo)航模擬器1553B總線控制器軟件開發(fā)[J].船電技術(shù),2012(5):43-46.

Digital Design and Realization of Measurement and Control System of Nozzle Based on 1553B Bus

CHU Fu-gang,YANG Quan-hai,KANG Ning,HAN Yong

(The601stInstituteofthe6thAcademyofChinaAerospaceScienceandIndustryCorporation,HohhotInnerMongolia010076,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.16

褚福剛，楊全海，康寧，等.1553B總線噴管測控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2017,47(8):67-70.[CHU Fugang,YANG Quanhai,KANG Ning,et al.Digital Design and Realization of Measurement and Control System of Nozzle Based on 1553B Bus[J].Radio Engineering,2017,47(8):67-70.]

2017-03-24

國防基礎(chǔ)科研基金資助項目(A0420133311) 。

V416

A

1003-3106(2017)08-0067-04

褚福剛 男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：推力向量測控。

楊全海 男，(1982—)，碩士，工程師。主要研究方向：推力向量測控。