摘?要：介紹了一種利用PLC設計的飛機縱向重心自動調節" title="自動調節">自動調節系統，并對系統的工作原理和軟硬件設計進行了詳細說明。經過實際測試，該系統運行穩定、可靠，達到了預期的設計要求。
關鍵詞：可編程控制器? 自動調節系統? 飛機縱向重心
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??? 飛機重心的位置直接影響飛機的穩定性和操縱特性，飛機定型試飛過程中經常要對飛機的重心位置進行調整，以便驗證不同重心狀態下飛機的操縱穩定特性。為順利完成飛機的重心試飛試驗，這里設計了一套基于PLC的飛機重心自動調節系統。目前世界上主要的控制方法有：①空中客車公司的水調節系統：該系統自動化程度高，但安裝不便，成本較高，且不適合粗短型飛機的試飛。②波音公司的標準砝碼調節系統：該系統改裝工作量小，成本較低，但自動化程度不高。經過比較以往各種重心調節方案的優缺點，并通過計算和分析，本系統采用了標準砝碼和防凍液聯合調節的方法。
1 系統工作原理
1.1 地面調節階段
??? 系統試飛前通過顯示器觸摸屏向PLC輸入飛機稱重數據、飛機加油量、飛行員及試驗員質量和坐標、飛機預設重心值K等參數，PLC根據這些輸入參數計算出飛機實時重心值XT0，在地面進行預配平。在地面預配平時，按照地面預配平規律，可以選擇砝碼單獨預配平、防凍液單獨預配平和砝碼防凍液聯合預配平三種" title="三種">三種方法。選擇砝碼單獨預配平時，由系統顯示器向系統操作員發出提示信息，提示操作員搬移砝碼的數量和方向，通過改變砝碼在前、后機艙的質量分布將實時重心調節到預設值。選擇防凍液單獨預配平時，經過計算，由PLC來控制前后輸液泵的工作，通過改變防凍液在前、后機艙的質量分布將實時重心調節到預設重心。選擇砝碼防凍液聯合預配平時，通過提示系統操作員搬移砝碼的數量和方向以及由PLC控制輸液泵來調節防凍液質量分布，改變砝碼和防凍液在前、后機艙的質量分布，將實時重心調節到預設重心。聯合預配平是以上兩種單獨預配平的優化組合方法,本系統即采用了這種方法。
1.2 空中調節階段
??? 完成地面預配平后，當PLC接收到系統操作員發送的開始空中調節命令后，PLC開始向系統顯示器發送實時重心值XT0以及采集到的防凍液溫度、壓力液位" title="液位">液位、流量信號，并接收系統操作員的指令，系統操作員可以通過切換屏幕觀測系統各部分的工作狀態和實時數據；同時PLC向安裝在駕駛艙的駕駛艙重心顯示器發送飛機實時重心值XT0，由駕駛艙重心顯示器向飛行員顯示實時重心位置，飛行員可以通過駕駛艙重心顯示器上的觸摸鍵向PLC發送飛行員指令。當PLC接收到飛行員發出的緊急指令、特科指令和降落指令時，系統按照不同指令對應的調節規律進行調節。當沒有三種飛行員指令時，PLC計算飛機實時重心值XT0與預設重心值K的差值，當該差值超出系統要求的范圍δ時，PLC控制輸液泵進行調節，將實時重心值XT0調節到預設重心值K，即令該差值為0。隨著飛機燃油的消耗，實時重心值XT0又開始變化，PLC繼續進行判斷并調節，這樣實時重心值XT0就始終保持在（K±δ）內，保證了飛機的飛行安全。調節規律如圖1所示，重心隨耗油量變化如圖2所示。
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2 系統組成及硬件設計
2.1 系統組成
??? 如圖3所示，該系統由控制機柜、前砝碼平臺、后砝碼平臺、前防凍液罐組、后防凍液罐組及駕駛艙顯示器等組成。前、后砝碼平臺由標準砝碼和磁感應" title="磁感應">磁感應傳感器組成，每個砝碼安裝的位置下都裝有一個磁感應傳感器，用來判斷該位置有無砝碼。前、后防凍液罐組由儲液罐、輸液泵、電動插板開關、手動插板開關、安全閥、加熱器和液位、溫度、壓力、流量傳感器等組成，電動插板開關在輸液泵開啟后自動打開，停止后自動關閉，防止虹吸現象。通過采集安裝在儲液罐中的液位傳感器和管路上的壓力傳感器信號" title="傳感器信號">傳感器信號，實時觀測儲液罐液位和管路壓力。通過采集安裝在儲液罐中的溫度傳感器信號，控制加熱器工作，保證了防凍液始終保持在5°C～30°C之間。通過安裝在管路上的流量傳感器實時采集前、后儲液罐的質量改變量。控制機柜中安裝有PLC控制器、系統顯示器和接觸器等，控制機柜實現了信號采集、實時計算、輸液泵控制和加熱等功能，是整個重心調節系統的核心。
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2.2 硬件設計
??? 系統硬件結構如圖4所示。為了采集防凍液流量信號和前后砝碼平臺的砝碼位置信號，并控制前后輸液泵、前后電動插板開關和加熱器，控制器選用三菱FX2N-128MR-D型PLC，并擴展了輸入輸出模塊FX2N-48MR-D。此外，為了接收飛機燃油信號，連接駕駛艙重心顯示器，采集砝碼位置信號和防凍液壓力、液位和溫度等參數，還選用了通訊模塊FX2N-232IF、FX2N-422-BD、測溫模塊FX2N-4AD-PT和A/D輸入模塊FX2N-8AD。駕駛艙重心顯示器選用三菱F930GOT－LWD型PLC觸摸屏圖形操作終端，用來向飛行員顯示飛機實時重心值XT0并接收飛行員指令。系統顯示器選用三菱F940GOT型彩色觸摸屏圖形操作終端，用于顯示控制系統界面、監控各部分的工作狀態、輸入飛機試飛各項參數、接收系統操作員的命令和向PLC發送數據等。在將各數據輸入后，由PLC計算飛機實時重心值XT0并向操作員顯示。其中，PLC與駕駛艙重心顯示器和系統顯示器都采用RS-422總線進行實時數據傳輸，飛機燃油信號通過RS-232總線向PLC傳送。
3 軟件設計
??? PLC程序采用FX-PCS-WIN-2.0c軟件進行編寫，應用該軟件可編寫PLC梯形圖程序。系統顯示器和駕駛艙重心顯示器由GT Designer V5.0開發平臺開發并通過RS-232線纜下載至F940GOT和F930GOT－LWD中。該GOT采用RS-422 CPU編程接口與PLC實時傳輸數據。系統開始工作后，PLC上電自檢，自檢通過后系統進入主界面，試驗員輸入本次飛行參數后選擇地面預配平方式，系統按照選擇的方式進行地面預配平，配平完成后飛機起飛，PLC采集模擬量和脈沖信號并接收飛機燃油信號，根據各種參數計算出飛機實時重心值XT0。同時接收系統操作員發送的信號和命令，并向駕駛艙重心顯示器發送飛機實時重心值XT0。系統操作員發送飛行中配平命令后，系統進入空中飛行配平階段，PLC判斷是否有緊急指令、特科指令和降落指令三種飛行員指令，如有，則按照相應的調節規律進行重心調節，否則按照正常調節規律進行調節。PLC實時采集防凍液溫度信號并判斷，當防凍液溫度低于5°C并且系統沒有進行飛行中調節時，PLC控制加熱器開始加熱，加熱至30°C停止，以防止防凍液過于粘稠，保證防凍液流動順暢，系統正常工作。系統操作員可以通過系統顯示器實時觀測系統狀態，飛行員可通過駕駛艙重心顯示器實時觀察飛機重心值。系統程序流程圖如圖5所示。
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4 系統設計難點問題
??? 在地面試驗階段發現由于外界的干擾會造成飛機燃油信號出現干擾，造成系統運行不穩定，因此需要對接收到的飛機燃油信號進行軟件濾波。由于飛機發動機正常工作時，發動機耗油值不會出現劇烈波動的情況，特別是在穩定工作后，耗油值會在一定值上下浮動（但浮動范圍不大），因此決定采用限幅濾波法。根據發動機耗油參數確定兩次接收值允許的最大偏差值A，每次接收到新值時判斷：如果本次值與上次值之差?燮A,則本次值有效；如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值。采用該濾波方法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，保證接收到的飛機燃油信號的準確。圖6為程序中限幅濾波部分的程序，其中, D400存放上次值、D410存放本次值、D411為本次值與上次值之差、D500存放最大偏差值A。
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??? 本系統通過改變砝碼及防凍液在飛機前后艙的質量分布，實現了對飛機縱向重心的調節。由于選用了彩色的系統顯示器，大大增強了系統的直觀性，提高了人機交互能力。在飛機試飛過程中，該系統響應速度快，運行穩定、可靠，能夠完成飛機試飛過程中對飛機重心的調節，可用來研究飛機的重心分布、燃油消耗控制規律等，達到了預期的設計目標，為飛機的定型試飛提供了技術保證。
參考文獻
[1]?顧戰松,陳鐵年.可編程控制器原理與應用.北京:國防工業出版社.1996.
[2]?三菱公司. FX1S,FX1N,FX2N 編程手冊.2001.
[3]?三菱公司. FX系列通訊手冊.2001.
[4] ?三菱公司. GOT-F900操作手冊.2002.