摘? 要: 采用計算機(jī)控制液壓傳動系統(tǒng),實現(xiàn)了在電弧加熱器上進(jìn)行模型燒蝕試驗過程的實時自動送進(jìn)補(bǔ)償,保證了試驗?zāi)Ｐ驮诜€(wěn)定的流場狀態(tài)下燒蝕出一定的外形。實際的運(yùn)行結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)控制精度高、穩(wěn)定性好。控制系統(tǒng)采用了液壓伺服機(jī)構(gòu),在計算機(jī)的控制下完成試驗?zāi)Ｐ瓦厽g邊送進(jìn)過程。為保證控制精度要求,系統(tǒng)采用了位置環(huán)和壓力環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方法。
關(guān)鍵詞: 試驗? PID? 液壓伺服系統(tǒng)? 自動控制
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航天型號研制的需要對地面模型燒蝕試驗技術(shù)研究提出了很多的技術(shù)難題。在電弧加熱器中進(jìn)行模型燒蝕試驗時,試驗?zāi)Ｐ碗S著燒蝕而產(chǎn)生外形變化,導(dǎo)致試驗的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化,偏離原設(shè)計參數(shù)。由于試驗?zāi)Ｐ偷耐庑纬叽纭⒉牧辖Y(jié)構(gòu)各不相同,燒蝕率變化非常復(fù)雜,簡單的送進(jìn)方式不能滿足試驗要求。為了保持試驗狀態(tài)的基本穩(wěn)定,必須采用能夠承受大載荷、高熱流、自動反饋、精確定位的模型自動送進(jìn)系統(tǒng),補(bǔ)償模型的燒蝕,來實現(xiàn)模型的定常燒蝕。本系統(tǒng)利用計算機(jī)控制液壓伺服機(jī)構(gòu),采用試驗段壓力點平衡控制方法,實現(xiàn)了大推力、高精度的模型實時送進(jìn)補(bǔ)償控制,成功地解決了在電弧加熱器模型燒蝕試驗中邊燒蝕邊送進(jìn)的問題。
1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)采用壓力平衡法。在模型燒蝕試驗過程中,實時采集試驗段氣流混合室的壓力參數(shù),與給定的控制壓力值進(jìn)行比較,通過動態(tài)調(diào)整試驗?zāi)Ｐ臀恢?從而保持氣流出口喉道大小不變,達(dá)到穩(wěn)定氣流混合室壓力參數(shù)的目的。送進(jìn)控制系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。
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系統(tǒng)由液壓伺服機(jī)構(gòu)、送進(jìn)支架、計算機(jī)實時采集和控制等部分組成,整體設(shè)計采用雙閉環(huán)控制。模型送進(jìn)控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下:
.最大軸向推力=7500kg???? .系統(tǒng)響應(yīng)時間<0.01s
.最大送進(jìn)行程=150mm???? ?.送進(jìn)定位精度<0.2mm
????.最大送進(jìn)速度=0.017m/s?? .軸向?qū)ΨQ精度<0.5mm
????.定位零點、最大送進(jìn)量、送進(jìn)步長、響應(yīng)時間、控制精度可調(diào)。
????為了快速、準(zhǔn)確地對壓力參數(shù)的變化作出反應(yīng),采用計算機(jī)直接數(shù)字控制(Direct Digital Control)方法。
2 系統(tǒng)硬件組成
2.1?液壓伺服機(jī)構(gòu)
??? 液壓伺服機(jī)構(gòu)是用來精確控制模型位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它由伺服油源、控制放大器、伺服閥、油缸以及位移傳感器等部件構(gòu)成。
伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計具有如下特點:
(1)將所有液壓附件如蓄能器、電磁換向閥等都安裝在油箱上,結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、維修方便。
(2)所選用的過濾器都帶有壓差報警裝置,當(dāng)過濾器濾芯堵塞時,能發(fā)出信號,防止事故出現(xiàn)。
(3)伺服閥直接安裝在伺服油缸上,縮短了伺服閥與油缸的管道長度,減少了控制容積,這樣就增加了系統(tǒng)的頻寬,提高了響應(yīng)速度。
(4)采用差動變壓器式位移傳感器,精度為0.2%,比系統(tǒng)要求精度高一個數(shù)量級,這就有效地保證了系統(tǒng)的控制精度。
其中,伺服放大器直接驅(qū)動伺服閥,控制模型送進(jìn),是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在設(shè)計上將比較器、校正放大、反饋量調(diào)節(jié)和電壓-電流變換器等重要部件集成在一起,再加上擾動信號源等構(gòu)成伺服放大器。其頻寬f大于1kHz,零位噪聲小于1mA,最大輸出電流小于100mA。
2.2?計算機(jī)控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制回路,即由伺服放大器、電磁閥、位移傳感器等構(gòu)成模擬量位置環(huán)控制回路;由壓力傳感器、A/D板、計算機(jī)、D/A板和伺服放大器等構(gòu)成數(shù)字量壓力環(huán)控制回路。位置環(huán)對試驗?zāi)Ｐ偷奈恢眠M(jìn)行精確定位,而壓力環(huán)則對試驗?zāi)Ｐ偷乃瓦M(jìn)位移量進(jìn)行精確控制。
2.2.1 A/D信號采集板
數(shù)據(jù)采集選用雙端輸入8路/單端輸入16路的14位A/D轉(zhuǎn)換器AD7872。該采集板最高采樣速率為50kHz,具有1、2、4、8、16可編程增益控制功能。板上裝有DC-DC變換器、光電隔離器、串-并轉(zhuǎn)換電路等,可實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場信號隔離,保證采集系統(tǒng)工作安全可靠。
2.2.2 D/A信號輸出板
D/A轉(zhuǎn)換部分由兩路獨(dú)立的12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC7545、+5V基準(zhǔn)源、運(yùn)算放大器、精密電阻等組成。板上提供可鎖存的電壓輸出或電流輸出(負(fù)載共地方式),并采用了光電耦合器件,使模擬信號電路與計算機(jī)總線完全隔離,從而避免了公共地線引起的各種干擾及地環(huán)流問題。為了確保控制系統(tǒng)不出現(xiàn)誤動作,板上設(shè)計了電復(fù)位清零功能。
2.2.3 定時計數(shù)及開關(guān)量輸入輸出
定時計數(shù)選用一種通用的CMOS化的TTL電平脈沖輸入計數(shù)/定時板,板上提供2MHz的時鐘源,由可編程的高速計數(shù)器/定時器芯片82C54提供三路計數(shù)/定時通道。該接口板為控制系統(tǒng)提供一系列精確定時基準(zhǔn),可以順序控制、分時檢測控制等,同時還提供了一路計數(shù)中斷控制。
2.2.4 壓力-電壓轉(zhuǎn)換器
在本系統(tǒng)中,壓力環(huán)為主控制回路,壓力傳感器是壓力環(huán)中最主要的控制信號檢測器,直接影響到控制精度。選擇時既要保證測量轉(zhuǎn)換精度和響應(yīng)時間,又要兼顧量程。本系統(tǒng)選用三組壓阻型高壓固態(tài)壓力傳感器,分布在試驗段和弧室等處,實時檢測試驗段噴管壓力和前端電弧加熱器弧室壓力的變化情況。
壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下：
????·量程： 0～4MPa??????? 非線性： ±0.04% FS
????·遲滯： ±0.04% FS???? 重復(fù)性： 0.02% FS
????·精度： 0.3% FS
????其中,FS為滿量程。
2.2.5 輔助電路
2.2.5.1 信號放大器
系統(tǒng)要求信號放大器具有頻響寬、噪聲小、反應(yīng)速度快等特點,并且與A/D信號采集板無縫對接,因此選用Advantech公司的PCLD-5B系列放大器。信號放大器采用模塊化設(shè)計,每路一個模塊,固定放大倍數(shù)為100倍。一個接口板最多可插16塊放大器模塊。接口板提供標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口,編碼可以任意組合,與A/D板聯(lián)結(jié)非常方便。
2.2.5.2 低通濾波器
在測量直流或變化緩慢的信號時,為防止交流信號及高頻噪聲信號串入A/D板,影響測量采集精度,造成控制系統(tǒng)誤動作,在信號放大器前端設(shè)計了一個低通濾波器,頻點分別設(shè)計為30Hz、100Hz、300Hz等,以滿足不同測量信號的要求。
2.2.5.3 信號傳輸及接地處理
鑒于電弧加熱器工作機(jī)理及設(shè)備情況,現(xiàn)場工作環(huán)境非常嚴(yán)劣,高頻強(qiáng)電場、磁場及中頻干擾嚴(yán)重,如不采取抗干擾措施,將無法得到所需要的控制精度。本系統(tǒng)采用軟、硬件相結(jié)合的抗干擾措施抑制干擾信號的影響[1]。在現(xiàn)場信號傳輸上全部采用屏蔽電纜,其屏蔽層在信號端接地,可有效地避免了外界電磁場信號的感應(yīng)干擾。信號放大器為全浮空工作方式,現(xiàn)場信號與采集系統(tǒng)不共地,既防止了現(xiàn)場可能出現(xiàn)的高電壓通過信號傳輸線進(jìn)入采集系統(tǒng),又極為有效地抑制了傳輸線上的共模電壓。在各種接地線的處理上,數(shù)字地與模擬地通過光隔分開,盡可能地避免數(shù)字系統(tǒng)中的噪聲對模擬信號部分的影響,使D/A輸出信號無噪聲干擾,保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計上的幾個問題
由于本系統(tǒng)應(yīng)用場合的特殊性,在設(shè)計時需對控制壓力點的選取、壓力環(huán)控制的切入和退出時間點的確定、模型送進(jìn)異常情況的排除等問題給以解決。
3.1 控制算法及其設(shè)計
PID控制是目前過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制方法[2]。本系統(tǒng)根據(jù)壓力參數(shù)變化規(guī)律以及電弧加熱器的運(yùn)行機(jī)理,采用如下所述的復(fù)合式PID控制算法。
在試驗初始階段,氣流混合室有一個初始壓力P0,隨著模型燒蝕的進(jìn)行,噴管出口喉道發(fā)生變化,使氣流混合室壓力產(chǎn)生變化量ΔP。這時系統(tǒng)輸出一個增量信號,通過調(diào)整模型位置,使氣流混合室壓力穩(wěn)定在控制壓力點上。算法如下：?
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其中,T、TI、TD分別為采樣周期、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù);KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù);Pr為壓力設(shè)定值。
在控制系統(tǒng)中,控制精度與控制過程的平穩(wěn)是一對矛盾。控制精度要求太高,將有可能產(chǎn)生控制動作過于頻繁,甚至可能引起系統(tǒng)振蕩。為此,人為地設(shè)置了一個不靈敏區(qū),采用帶死區(qū)的PID控制算式,修正增量型PID控制算式。控制器的輸出為:
式中,B是與控制精度要求有關(guān)的常數(shù)。
因為壓力變化是由于試驗?zāi)Ｐ蜔g等原因產(chǎn)生,正常變化過程比較緩慢,加之控制系統(tǒng)滯后,有可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象,造成很大的超調(diào)和長時間的振蕩。為克服這一缺點,采用積分分離的PID控制算法,即:
3.2? 控制點的切入與退出
對控制系統(tǒng)的切入與退出時間一定要明確,并且系統(tǒng)反應(yīng)必須精確,否則將造成模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)誤動作。本系統(tǒng)采用互感器和分流器分別監(jiān)視電弧加熱器主回路的電壓和電流,并以此作為控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號。在電弧加熱器開車啟動時,控制系統(tǒng)被觸發(fā)。此時壓力控制環(huán)并不立即切入,而是不斷地采集氣流混合室的壓力變化,當(dāng)壓力上升到工作壓力點時,壓力控制環(huán)才切入。同樣,在電弧加熱器停車或異常情況造成試驗中斷時,立即觸發(fā)控制系統(tǒng)切斷控制回路,并控制伺服閥動作,使試驗?zāi)Ｐ屯Ｋ突蚝笸?避免試驗?zāi)Ｐ鸵蛟囼瀴毫ν蝗幌陆刀皼_,造成試驗段噴管出口堵塞。
3.3 異常情況的處理
3.3.1 試驗?zāi)Ｐ瓦^沖問題
在試驗?zāi)Ｐ退瓦M(jìn)過程中,有可能造成控制系統(tǒng)誤動作,使試驗?zāi)Ｐ退瓦M(jìn)過沖,出現(xiàn)重大事故。為此在油缸前端加裝一個溢流閥,限定油壓,一旦油壓超過預(yù)定值立即動作泄壓,同時給出信號,系統(tǒng)立即強(qiáng)制伺服閥換向,后退模型。并在伺服閥上加裝磁屏蔽層,與信號線屏蔽層相連,防止電弧加熱器的強(qiáng)磁場干擾伺服閥工作。在軟件上,根據(jù)模型燒蝕量計算出最大送進(jìn)補(bǔ)償量,并限制單步送進(jìn)的最大步長。同時,不斷采集電弧加熱器的弧室壓力和氣流混合室壓力等,對其加入濾波處理,去掉噪聲信號,確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
3.3.2? 控制系統(tǒng)振蕩問題
本系統(tǒng)采用壓力平衡法控制模型的送進(jìn)。但如果控制精度要求太高,將有可能出現(xiàn)試驗?zāi)Ｐ皖l繁調(diào)整前后位移,嚴(yán)重時,將使控制系統(tǒng)振蕩,進(jìn)入控制死區(qū)。因此,一方面應(yīng)根據(jù)實際情況確定壓力控制精度,定義合理的PID控制算法的死區(qū)域;另一方面,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,通過系統(tǒng)控制軟件可以實時調(diào)整控制死區(qū)域大小,達(dá)到消除振蕩的目的。
4 試驗結(jié)果與分析
本系統(tǒng)已投入運(yùn)行一年多了,承擔(dān)了多項航天型號的試驗任務(wù)。試驗表明,控制系統(tǒng)工作一切正常,達(dá)到設(shè)計要求。實際使用時,不僅對模型在燒蝕過程中因外型燒蝕變化導(dǎo)致的試驗參數(shù)變化進(jìn)行了實時補(bǔ)償,而且對其它因素的影響,如電弧加熱器電源參數(shù)波動、氣源壓力波動等,也能起到穩(wěn)定和補(bǔ)償作用。
圖2為承擔(dān)某項航天型號模型試驗的模型送進(jìn)補(bǔ)償曲線和壓力控制曲線。試驗段混合室壓力控制點為P0=1.10MPa,控制精度為△P=0.02MPa。從試驗曲線我們可以看出,整個送進(jìn)過程非常平穩(wěn),在試驗狀態(tài)建立初期,混合室壓力沖得比較高,控制系統(tǒng)強(qiáng)制模型后退;隨著模型燒蝕進(jìn)程,模型逐漸往前送進(jìn),保持混合室壓力在控制范圍內(nèi)。壓力控制非常穩(wěn)定,模型送進(jìn)過程也未出現(xiàn)振蕩,控制精度滿足了試驗要求。
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參考文獻(xiàn)
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2 王新賢,蔣富瑞.實用計算機(jī)控制技術(shù)手冊.山東:山東科學(xué)技術(shù)出版社,1994