摘? 要: 采用計算機控制液壓傳動系統,實現了在電弧加熱器上進行模型燒蝕試驗過程的實時自動送進補償,保證了試驗模型在穩定的流場狀態下燒蝕出一定的外形。實際的運行結果表明,該控制系統控制精度高、穩定性好。控制系統采用了液壓伺服機構,在計算機的控制下完成試驗模型邊燒蝕邊送進過程。為保證控制精度要求,系統采用了位置環和壓力環相結合的雙閉環控制方法。
關鍵詞: 試驗? PID? 液壓伺服系統? 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研究提出了很多的技術難題。在電弧加熱器中進行模型燒蝕試驗時,試驗模型隨著燒蝕而產生外形變化,導致試驗的狀態參數發生變化,偏離原設計參數。由于試驗模型的外形尺寸、材料結構各不相同,燒蝕率變化非常復雜,簡單的送進方式不能滿足試驗要求。為了保持試驗狀態的基本穩定,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系統,補償模型的燒蝕,來實現模型的定常燒蝕。本系統利用計算機控制液壓伺服機構,采用試驗段壓力點平衡控制方法,實現了大推力、高精度的模型實時送進補償控制,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的問題。
1 系統工作原理
本系統采用壓力平衡法。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,與給定的控制壓力值進行比較,通過動態調整試驗模型位置,從而保持氣流出口喉道大小不變,達到穩定氣流混合室壓力參數的目的。送進控制系統工作原理圖如圖1所示。
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系統由液壓伺服機構、送進支架、計算機實時采集和控制等部分組成,整體設計采用雙閉環控制。模型送進控制系統的技術指標如下:
.最大軸向推力=7500kg???? .系統響應時間<0.01s
.最大送進行程=150mm???? ?.送進定位精度<0.2mm
????.最大送進速度=0.017m/s?? .軸向對稱精度<0.5mm
????.定位零點、最大送進量、送進步長、響應時間、控制精度可調。
????為了快速、準確地對壓力參數的變化作出反應,采用計算機直接數字控制(Direct Digital Control)方法。
2 系統硬件組成
2.1?液壓伺服機構
??? 液壓伺服機構是用來精確控制模型位移的執行機構,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成。
伺服機構的設計具有如下特點:
(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,結構緊湊、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,當過濾器濾芯堵塞時,能發出信號,防止事故出現。
(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,這樣就增加了系統的頻寬,提高了響應速度。
(4)采用差動變壓器式位移傳感器,精度為0.2%,比系統要求精度高一個數量級,這就有效地保證了系統的控制精度。
其中,伺服放大器直接驅動伺服閥,控制模型送進,是控制系統的關鍵部件。在設計上將比較器、校正放大、反饋量調節和電壓-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?計算機控制系統
本系統采用雙閉環控制回路,即由伺服放大器、電磁閥、位移傳感器等構成模擬量位置環控制回路;由壓力傳感器、A/D板、計算機、D/A板和伺服放大器等構成數字量壓力環控制回路。位置環對試驗模型的位置進行精確定位,而壓力環則對試驗模型的送進位移量進行精確控制。
2.2.1 A/D信號采集板
數據采集選用雙端輸入8路/單端輸入16路的14位A/D轉換器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-并轉換電路等,可實現計算機系統與現場信號隔離,保證采集系統工作安全可靠。
2.2.2 D/A信號輸出板
D/A轉換部分由兩路獨立的12位D/A轉換器DAC7545、+5V基準源、運算放大器、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流問題。為了確保控制系統不出現誤動作,板上設計了電復位清零功能。
2.2.3 定時計數及開關量輸入輸出
定時計數選用一種通用的CMOS化的TTL電平脈沖輸入計數/定時板,板上提供2MHz的時鐘源,由可編程的高速計數器/定時器芯片82C54提供三路計數/定時通道。該接口板為控制系統提供一系列精確定時基準,可以順序控制、分時檢測控制等,同時還提供了一路計數中斷控制。
2.2.4 壓力-電壓轉換器
在本系統中,壓力環為主控制回路,壓力傳感器是壓力環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換精度和響應時間,又要兼顧量程。本系統選用三組壓阻型高壓固態壓力傳感器,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指標如下：
????·量程： 0～4MPa??????? 非線性： ±0.04% FS
????·遲滯： ±0.04% FS???? 重復性： 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
系統要求信號放大器具有頻響寬、噪聲小、反應速度快等特點,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計,每路一個模塊,固定放大倍數為100倍。一個接口板最多可插16塊放大器模塊。接口板提供標準的I/O接口,編碼可以任意組合,與A/D板聯結非常方便。
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,造成控制系統誤動作,在信號放大器前端設計了一個低通濾波器,頻點分別設計為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理及設備情況,現場工作環境非常嚴劣,高頻強電場、磁場及中頻干擾嚴重,如不采取抗干擾措施,將無法得到所需要的控制精度。本系統采用軟、硬件相結合的抗干擾措施抑制干擾信號的影響[1]。在現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干擾。信號放大器為全浮空工作方式,現場信號與采集系統不共地,既防止了現場可能出現的高電壓通過信號傳輸線進入采集系統,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,數字地與模擬地通過光隔分開,盡可能地避免數字系統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,保證控制系統穩定可靠。
3 控制系統設計上的幾個問題
由于本系統應用場合的特殊性,在設計時需對控制壓力點的選取、壓力環控制的切入和退出時間點的確定、模型送進異常情況的排除等問題給以解決。
3.1 控制算法及其設計
PID控制是目前過程控制中應用最廣泛的一種控制方法[2]。本系統根據壓力參數變化規律以及電弧加熱器的運行機理,采用如下所述的復合式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,隨著模型燒蝕的進行,噴管出口喉道發生變化,使氣流混合室壓力產生變化量ΔP。這時系統輸出一個增量信號,通過調整模型位置,使氣流混合室壓力穩定在控制壓力點上。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、微分時間常數;KP、KI、KD分別為比例、積分、微分系數;Pr為壓力設定值。
在控制系統中,控制精度與控制過程的平穩是一對矛盾。控制精度要求太高,將有可能產生控制動作過于頻繁,甚至可能引起系統振蕩。為此,人為地設置了一個不靈敏區,采用帶死區的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的常數。
因為壓力變化是由于試驗模型燒蝕等原因產生,正常變化過程比較緩慢,加之控制系統滯后,有可能會產生嚴重的積分飽和現象,造成很大的超調和長時間的振蕩。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
對控制系統的切入與退出時間一定要明確,并且系統反應必須精確,否則將造成模型送進機構誤動作。本系統采用互感器和分流器分別監視電弧加熱器主回路的電壓和電流,并以此作為控制系統的觸發信號。在電弧加熱器開車啟動時,控制系統被觸發。此時壓力控制環并不立即切入,而是不斷地采集氣流混合室的壓力變化,當壓力上升到工作壓力點時,壓力控制環才切入。同樣,在電弧加熱器停車或異常情況造成試驗中斷時,立即觸發控制系統切斷控制回路,并控制伺服閥動作,使試驗模型停送或后退,避免試驗模型因試驗壓力突然下降而前沖,造成試驗段噴管出口堵塞。
3.3 異常情況的處理
3.3.1 試驗模型過沖問題
在試驗模型送進過程中,有可能造成控制系統誤動作,使試驗模型送進過沖,出現重大事故。為此在油缸前端加裝一個溢流閥,限定油壓,一旦油壓超過預定值立即動作泄壓,同時給出信號,系統立即強制伺服閥換向,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磁場干擾伺服閥工作。在軟件上,根據模型燒蝕量計算出最大送進補償量,并限制單步送進的最大步長。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,確保數據采集的準確性。
3.3.2? 控制系統振蕩問題
本系統采用壓力平衡法控制模型的送進。但如果控制精度要求太高,將有可能出現試驗模型頻繁調整前后位移,嚴重時,將使控制系統振蕩,進入控制死區。因此,一方面應根據實際情況確定壓力控制精度,定義合理的PID控制算法的死區域;另一方面,一旦系統出現振蕩,通過系統控制軟件可以實時調整控制死區域大小,達到消除振蕩的目的。
4 試驗結果與分析
本系統已投入運行一年多了,承擔了多項航天型號的試驗任務。試驗表明,控制系統工作一切正常,達到設計要求。實際使用時,不僅對模型在燒蝕過程中因外型燒蝕變化導致的試驗參數變化進行了實時補償,而且對其它因素的影響,如電弧加熱器電源參數波動、氣源壓力波動等,也能起到穩定和補償作用。
圖2為承擔某項航天型號模型試驗的模型送進補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,整個送進過程非常平穩,在試驗狀態建立初期,混合室壓力沖得比較高,控制系統強制模型后退;隨著模型燒蝕進程,模型逐漸往前送進,保持混合室壓力在控制范圍內。壓力控制非常穩定,模型送進過程也未出現振蕩,控制精度滿足了試驗要求。
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參考文獻
1 鐘穗生,劉旭光.實驗數據的計算機處理.北京:海洋出版社,1996
2 王新賢,蔣富瑞.實用計算機控制技術手冊.山東:山東科學技術出版社,1994