FL-51風(fēng)洞飛行器地面效應(yīng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多 勐

（中國航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)是飛機(jī)研制中必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目之一，在風(fēng)洞中用地板模擬地面，并通過調(diào)節(jié)地板與模型間的距離來模擬飛機(jī)近地面不同高度時(shí)地面對飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響。風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)是國內(nèi)外進(jìn)行地效研究和測量的主要手段，目前風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)主要有固定地板模擬試驗(yàn)、固定地板吸除邊界層模擬試驗(yàn)和移動(dòng)地板模擬試驗(yàn)。FL-51風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)主要以固定地板模擬試驗(yàn)為主，系統(tǒng)控制的難點(diǎn)主要是地板升降時(shí)多軸同步的控制以及地板與模型之間的隨動(dòng)控制，保證地板不出現(xiàn)扭別和碰撞模型的安全事故。

整個(gè)系統(tǒng)采用以CAN總線為基礎(chǔ)的分布式伺服控制方式，該控制系統(tǒng)成功地應(yīng)用于地面效應(yīng)試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 系統(tǒng)組成及原理

FL-51風(fēng)洞飛行器地面效應(yīng)控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以通過網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系協(xié)調(diào)工作，這樣可以將故障的影響降到最小，系統(tǒng)安全可靠，操作靈活，維修方便，也易于系統(tǒng)擴(kuò)展和更新，地面效應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)的實(shí)際需求，整個(gè)控制系統(tǒng)分為尾撐控制和升降地板控制2個(gè)部分。各子系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)分別與主控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的交換，這種方式有利于保證整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的獨(dú)立性、擴(kuò)展性和可維護(hù)性，提高實(shí)驗(yàn)效率。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線設(shè)計(jì)

FL-51風(fēng)洞地面效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中主要需要控制2個(gè)子系統(tǒng)，各控制子系統(tǒng)分布在試驗(yàn)區(qū)域的不同地點(diǎn)，有些設(shè)備為經(jīng)常需要更換的移動(dòng)部件。同時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需考慮今后多個(gè)子系統(tǒng)能夠擴(kuò)展和兼容的問題?；谝陨闲枨?，CAN總線分布式管理的控制思想是解決風(fēng)洞現(xiàn)場問題的最佳選擇。CAN總線是多主方式的串行總線，報(bào)文自動(dòng)過濾重發(fā)，具有極低的誤碼率和高通信速率等特性，在各種低成本、高抗干擾的多機(jī)遠(yuǎn)程控制中得到廣泛應(yīng)用，所以在中大型風(fēng)洞建設(shè)中有其突出的優(yōu)勢[2]。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線十分簡單，可采用CAN總線通信專用電纜進(jìn)行現(xiàn)場各設(shè)備的級(jí)聯(lián)，目前可驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為110個(gè)，大大減少了現(xiàn)場布線的工作量[3]。FL-51風(fēng)洞在未來規(guī)劃中還將擁有多套設(shè)備，由于CAN是標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù)，新設(shè)備可在原有的電纜基礎(chǔ)上繼續(xù)連接。不需要重新設(shè)計(jì)，可以大大減少安裝的工作量。通過以上比較不難看出，基于CAN總線的控制方式非常適合FL-51風(fēng)洞。對于風(fēng)洞試驗(yàn)來說，CAN總線能夠協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)并行工作，考慮其與整個(gè)風(fēng)洞測控系統(tǒng)的兼容性，在伺服控制上位機(jī)端，我們選用的是NI公司生產(chǎn)的具有高性價(jià)比的智能CANopen（一種架構(gòu)在控制局域網(wǎng)路上的高層通信協(xié)定）總線通信適配卡，它具備完善的CAN總線驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使軟、硬件之間通信更方便。

2.2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

FL-51風(fēng)洞地面效應(yīng)試驗(yàn)的特點(diǎn)是控制地板升降的4組電缸需同步升降運(yùn)行，要求在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型上以小型化、高能效、遠(yuǎn)程控制和同步功能為主，同時(shí)在系統(tǒng)功能上要滿足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度、開放式設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合升降地板系統(tǒng)和尾撐系統(tǒng)的力矩載荷匹配合適的伺服驅(qū)動(dòng)器。倫茨9400系列伺服驅(qū)動(dòng)器是智能型控制器，適用于集中或分布式控制，可以實(shí)現(xiàn)地板的同步及尾撐機(jī)構(gòu)角度控制。系統(tǒng)由濾波電源模塊、9400HighLine驅(qū)動(dòng)器、POWERLINK通信模塊、安全模塊、存儲(chǔ)模塊MM330及制動(dòng)電阻組成。升降地板和尾撐機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)現(xiàn)場安裝如圖2和圖3所示。

圖2 升降地板伺服控制器現(xiàn)場安裝圖

圖3 尾撐機(jī)構(gòu)伺服控制器現(xiàn)場安裝圖

2.2.2 伺服控制器功能模塊與基于CAN總線的數(shù)據(jù)通道

9400系列伺服驅(qū)動(dòng)器具有豐富的內(nèi)部功能模塊庫，如常見的布爾邏輯功能模塊、通信接口模塊、速度跟隨模塊、信號(hào)類型轉(zhuǎn)換模塊、斜坡發(fā)生器模塊以及位置功能模塊等。用戶利用這些功能可以任意配置控制系統(tǒng)所需要的參數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的應(yīng)用，9400系列伺服驅(qū)動(dòng)器的Engineer軟件提供了專門的CAN總線功能模塊組CAN-IN與CAN-OUT，作為過程數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

CAN總線是面向消息的總線系統(tǒng)，每一個(gè)消息都有明確標(biāo)識(shí)符，使用CANopen面向每一個(gè)控制器的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)是通過每個(gè)消息幀都只有一個(gè)發(fā)送者的對應(yīng)方式來實(shí)現(xiàn)的[4]。標(biāo)識(shí)符由基礎(chǔ)標(biāo)識(shí)符和控制器節(jié)點(diǎn)地址構(gòu)成，倫茨伺服控制器節(jié)點(diǎn)之間是通過CAN總線報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，CAN總線的數(shù)據(jù)報(bào)文范圍包括過程數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)。

過程數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)通過過程通道進(jìn)行傳輸，上位機(jī)可以直接訪問過程數(shù)據(jù)。例如，在PLC中數(shù)據(jù)是直接分配到I/O區(qū)域，數(shù)據(jù)必須在主機(jī)和控制器之間盡可能快地交換才能到達(dá)直接分配的目的。少量的數(shù)據(jù)可以循環(huán)傳輸，而過程數(shù)據(jù)不保存在控制器中，過程數(shù)據(jù)在主機(jī)和控制器之間傳輸，以確保當(dāng)前輸入和輸出數(shù)據(jù)的連續(xù)交換。

倫茨的參數(shù)數(shù)據(jù)就是所謂的代碼參數(shù)的設(shè)置。例如，在調(diào)試初期系統(tǒng)的初始設(shè)置時(shí)，參數(shù)數(shù)據(jù)通過參數(shù)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸，發(fā)送方需得到關(guān)于傳輸成功與否的確認(rèn)。參數(shù)通道允許訪問所有倫茨代碼和CANopen函數(shù)，參數(shù)的更改會(huì)自動(dòng)存在控制器中，一般來說，參數(shù)傳遞時(shí)間不是最為關(guān)鍵的步驟，不需要實(shí)時(shí)傳遞。

2.2.3 POWERLINK總線同步設(shè)置

在升降地板四軸同步控制中需要在POWERLINK同步功能模塊中進(jìn)行設(shè)置。POWERLINK是支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)協(xié)議，該協(xié)議確保能以可配置的響應(yīng)時(shí)間在很短的周期內(nèi)傳輸時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)。POWERLINK支持1588分布式時(shí)鐘協(xié)議，每個(gè)循環(huán)周期的開始，主站都會(huì)廣播一個(gè)包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信息的SOC數(shù)據(jù)幀到網(wǎng)絡(luò)上，而SOC幀另外具備兩種功能，時(shí)鐘同步功能和動(dòng)作動(dòng)能。利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間來同步網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的分布式時(shí)鐘，讓網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備有一個(gè)共同的基準(zhǔn)，POWERLINK主站MN在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)將soC數(shù)據(jù)幀廣播到網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)可以將這個(gè)時(shí)間作為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。設(shè)置好IP地址和通信端口等參數(shù)后，在POWERLINK模塊上將DIP開關(guān)地址撥動(dòng)到與Engineer軟件中設(shè)定值一致。設(shè)定第一軸控制器為主軸控制器，安裝POWERLINK MN型總線模塊，其IP地址為240。其他2軸、3軸、4軸為隨動(dòng)從軸，安裝POWERLINKCN型總線模塊，IP地址分別為1、2、3。用RJ45型網(wǎng)線將模塊上的網(wǎng)口級(jí)聯(lián)上，當(dāng)各軸模塊通信正常上模塊上BS指示燈為常綠狀態(tài)，各軸同步狀態(tài)調(diào)整完成。

3 試驗(yàn)技術(shù)研究

在正式做地面效應(yīng)型號(hào)試驗(yàn)之前，首先要進(jìn)行帶地板的標(biāo)模試驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析來驗(yàn)證地面效應(yīng)系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到指標(biāo)。將模型用腹撐機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)段內(nèi)，如圖4所示。在恒定的動(dòng)壓下改變模型的迎角α或側(cè)滑角β，用天平測量作用于模型上的氣動(dòng)力及力矩。

該次地效試驗(yàn)測試所用的標(biāo)模為常規(guī)布局的飛機(jī)模型，即由機(jī)身、機(jī)翼、平尾和垂尾組成，這種常規(guī)布局的飛機(jī)在起飛與著陸過程中做近地面飛行時(shí)，繞機(jī)翼與繞水平尾翼的流動(dòng)因受地面存在的影響而改變了流動(dòng)狀態(tài)，使下洗流減小，有效迎角增大，結(jié)果使機(jī)翼與水平尾翼的升力增大，試驗(yàn)狀態(tài)為不帶地板與帶地板比較試驗(yàn)。

圖4 帶地板模型安裝圖

圖5 風(fēng)速70 m時(shí)標(biāo)模縱向試驗(yàn)升力曲線圖

3.1 角度范圍

迎角α（-6°～20°），側(cè)滑角β（-16°～16°）。

3.2 地板高度

距模型水線：H=881 mm，H=300 mm。

3.3 支撐方式

腹撐單支桿支撐。

3.4 風(fēng)速

V=70 m/s。

地效標(biāo)模的縱向試驗(yàn)共包括3種狀態(tài)：無地板狀態(tài)、地板距模型水線881 mm及地板距模型水線300 mm，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著地板距模型水線高度的減小，模型零迎角升力系數(shù)增大，升力線斜率增大，如圖5所示，誘導(dǎo)阻力減小，縱向靜安定度增大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合地效對飛機(jī)的影響規(guī)律。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目對地面效應(yīng)試驗(yàn)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，之后又通過標(biāo)模試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。從項(xiàng)目測試結(jié)果來看，地面效應(yīng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)到要求。系統(tǒng)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)，POWERLINK以太網(wǎng)總線的多軸同步控制功能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。