分级控制充压控制器研制及其应用

吝继锋，张革命，刘卓桢

(中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳实验室，陕西 西安 710065)

1 引 言

气密强度试验是飞机结构强度试验中的关键试验之一，也是其中风险最大的试验。根据《军用飞机结构强度规范》和《商用飞机结构强度规范》，对飞机进气道、座椅、油箱、机身有充气加压考核的要求。为了保证气密强度试验的安全和加载精度，需要合理地选择充压控制器、充气管路、传感器、精密压力表等设备，并设置合理的控制参数。

典型的气密强度试验系统组成如图1所示。充压控制器是其中的执行机构，其性能直接影响试验的加载效果。现有的充压控制器充气阀和放气阀都是固定不变的，控制原理简单直接，不能根据试验件体积的变化而变化，对个别体积较大或者较小的试验件加载误差较大，给气密强度试验带来很大的风险。本文通过对充压控制器的工作过程进行仿真分析，提出了一种充压控制器分级控制方法，并研制了分级控制充压控制器，在试验中取得了良好的应用效果。

图1 气密强度试验系统组成

2 充压过程仿真分析

通过对充压过程进行计算分析，充放气时气体平均自由程的值远远小于任何充放气阀的阀孔直径，所以充压控制器工作时的气体流动状态是黏滞流[3]。在黏滞流状态下，气密舱充气时，气体流经小孔的流量由式(1)计算[1]。

(1)

式中，A为充气孔截面积[m2]；P1为气源压强[Pa]；P2为气密舱内压强[Pa]；r为绝热指数；R为气体常数，8.3143[J/K·mol]；M为气体摩尔质量[kg/mol]；T为气体温度[K]。

通过数学推导，充压时间为：

(2)

放气时间为：

(3)

式中，P3为气密舱末状态，P0为大气压强。

通过式(2)、式(3)在MATLAB的求解分析，发现载荷谱设置时间一定时，对充压控制器的充放气阀截面积的实时调整是提升系统性能最有效、最直接的手段。

3 现有充压控制器不足分析

现有充压控制器的控制原理框图见图2。采用德国进口电、气泊膜比例阀和角座开关阀作为压力控制元件。泊膜比例阀和角座开关阀配合动作来控制试验件内部的压力，泊膜比例阀用于控制对压力的加载，常开式角座开关阀用于控制对压力的卸载，通过设计的专用控制电路对其间的动作进行协调，实现对压力伺服比例控制。

图2 现有充压控制器原理框图

技术原理如下：控制电路对试验远程控制系统输出的±50mA信号进行处理，转换成2路电压信号。其中，0～50mA控制信号对应转换为0～10V电压信号，驱动到泊膜比例阀，阀的开度随着电压信号的变化而变化，实现压力加载功能；0～-50mA对应转换的0～10V电压信号，用于控制电磁开关阀，以实现排气卸压功能。

通过组成和原理可以看出，现有充压控制器的组成相对固定，且控制方式为比较线性的电流电压直接转换，造成在应对不同的试验件时，加载性能差别较大。通过以往的试验和测试发现，对于体积较大的试验件，充气阀只有一个比例阀，充气过程中容易造成欠载踏步；对于体积较小的试验件，放气阀为开关阀，在调整过程中容易出现放气过量，系统很难保持在稳定状态。以上不足，严重影响了试验的加载精度和加载速度。

4 分级控制充压控制器研制

通过对现有充压控制器不足的分析，为其改进提供了可靠的依据。考虑到对不同体积试验件的适应及性价比等因素，充放气装置设计及配置为：充气装置采用一个50型比例阀和两个80型开关阀，比例阀根据阀驱动电流大小比例打开，开关阀根据实际情况通过调节门槛电压分级打开和关闭；放气装置采用一个25型比例阀和一个100型开关阀，比例阀用于充压过程中过载的放气，开关阀用于放气卸载过程。如需加大放气量，可单独设置一个外置放气阀。分级充压控制器原理框图如图3所示。

图3 分级充压控制器原理框图

4.1 系统控制架构设计

系统采用两级计算机控制，上层为MTS或者MOOG控制系统以及一个人机界面组成的上位机，下层为PLC控制器；用STEP7软件平台实现PLC控制程序的编程，用WinCC组态软件平台实现人机界面HMI控制程序的编程。图4为系统控制架构框图。

图4 系统控制架构框图

4.2 系统控制电路设计

如图5所示，对上位机控制信号经PLC进行计算处理后输出，控制各比例阀和开关阀执行充放气动作。同时，为了实现单通道控制多台控制器进行加载，PLC可将模拟信号转换为数字信号，再经过信号运算放大后转换为模拟信号输入到另一台充压控制器，作为其阀驱动输入信号。

图5 系统电路原理图

4.3 PLC控制器软件设计

系统软件设计主要包括PLC控制器程序设计和HMI实时监控程序设计。采用STEP7软件对系统硬件进行组态，在STEP7软件平台创建并配置好CPU模块、电源模块、通信模块、AI/AO模块、DI/DO模块。使用梯形图(LAD)编写采样滤波、输入/输出信号线性转换、逻辑控制等子程序。HMI实时监控程序采用WinCC组态软件编程，同时编制实时监控界面，对充压过程中阀驱动信号进行模拟动态显示，实时趋势曲线显示以及数据存储。

4.3.1 PLC控制器程序设计

该PLC控制器程序包括主程序和子程序，主程序逻辑流程框图见图6。子程序主要由采样滤波子程序、功能模块算法子程序组成，并将控制人物模块化，在主程序对其进行调用。其中，采样滤波子程序将采集的阀驱动模拟量进行数字滤波处理，消除现场干扰信号对模拟量信号的影响。该子程序采用平均值滤波方式，每秒采样7次，减去最大值和最小值再除以5求平均，得出滤波结果。逻辑控制子程序主要是把阀驱动模拟信号转换成数字量来控制两个开关阀的开关，并设置其开启门槛电压。图7为采样滤波子程序的逻辑流程框图，图8为充气过程功能控制算法子程序的逻辑流程框图。

图6 PLC控制主程序逻辑流程框图

4.3.2 PLC控制器监控程序设计

该程序在组态软件WinCC软件平台上进行开发，用组态软件编制的监控程序主要包括工艺流程图、实时监控界面、参数范围设定界面。其中，实时监控界面中包括阀驱动信号的过程曲线图。图9为HMI实时监控程序逻辑流程框图，图10为HMI的参数设定界面。

5 实施效果

分级控制充压控制器研制完成后，连接MTS控制系统进行了调试，其各项性能指标均满足设计要求。在某后机身疲劳试验的应用过程中，整个充压加载过程平稳，加载跟随性较好，加载精度优于1%，加载速度和加载精度较原有充压控制器均有了明显提高， 能够满足充压试验的加载要求， 保证了试验的安全优质完成，减少了试验工作量和试验时间，降低了试验成本。

图7 采样滤波子程序逻辑流程框图

图8 充气过程功能控制算法子程序的逻辑流程框图

图9 HMI实时监控程序逻辑流程框图

图10 参数设置界面

6 结 论

通过对现有充压控制器进行技术改进，研制了一种分级控制充压控制器，保证了试验的顺利进行，取得了良好的应用效果，保证了充压加载的精度，提高了充压试验控制水平，可在后续试验中进一步推广应用。