飞机机轮径侧向压力自动检测系统毕业论文

飞机机轮径侧向压力自动检测系统飞机机轮径侧向压力自动检测系统摘要 随着航天事业的快速发展，为了提高飞机的运行稳定性和安全性，需要对各种飞机机轮进行静态力学性能测试。以验证机轮在最大静载荷和最大限制载荷下的承受能力。目前国内现有的两台径侧向机轮试验台都研制于二十世纪七十年代，绝大部分的仪器仪表都是模拟的，不方便控制和观测，且载荷试验都必须手动完成，已经不能够满足当前对飞机机轮进行的静态力学载荷性能试验的要求了。因此研制一台高性能的全数字化的径侧向机轮试验台，并采用先进的控制算法具有十分重大的意义。该试验装置由液压系统、电气控制两部分组成，本文的任务是完成试验台电气控制部分的研制与调试。本文就该试验台的电气控制部分的系统设计、硬件选型、硬件电路实现、软件设计做出了详细介绍。最后进行了系统的实验室调试，将系统不断完善、本文的重点是介绍系统的硬件设计和软件设计，对系统的软件、硬件做了详细的阐述。在实际应用中，系统的可靠性和稳定性得到了很好的验证，采用PID控制算法通过现场调试取得了较好的控制效果。 关键词 机轮径侧向，工控机，可编程逻辑控制器，组态软件，PID控制49ABSTRACT With the development of the space technique, we need to test a variety of airplane tyres for static mechanics performance for enhancing the stability and security of the airplane.While desining the new airplane tyre ,the test of the sid direction of the foot-path must be carried out in order to prove the adaptability of the airplane tyre under the greatest quiet load and the greatest restriction load. Since the two century china in the 1970s ,most of the apparatus are analog apparatus,which are made the control and observing testing inconvenient. Thus developed a high-performance combined radial and side load test machine has great significance. The observing and controlling platform is composed by the hydraulic pressure system and electrical air.The task of this text is to finish studying and debugging the part of laboratory bench. This test presents the systematic design, selcecting hardware type,realizing hardware circuit and designing software of electric control systems in details.Finally carriy on the systematic laboratory and systematic debugging on the spot. The focal point of the text is the design of the systematic hardware and software. The article addresses the systems software and hardware in details. In the practical test, systems reliability and stability has been proved .Control algorithms based on PID control through the debugging pressure control achieved good results.KEYWORDS the aircraft wheels radial and lateral direction, industrial controlling computer, the programmed logic controller, configuration software，PID control目录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.2.1国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 主要研究的问题及论文结构概述31.4 论文章节安排4第二章 系统总体设计52.1 系统原理和结构说明52.2 系统控制要求62.3 径侧向自动化台的总体设计方案72.4 径侧向自动化试验装置控制系统硬件设计112.4.1 试验台本体和液压系统设计112.4.2 控制系统硬件选型132.5 软件总体方案设计15第三章 径侧向试验台计算机控制系统硬件设计203.1 电机控制主电路203.2 I/O模块设计213.3 比例溢流阀设计223.4 保护电路与电磁兼容性233.4.1 保护电路设计233.4.2 电磁兼容性24第四章 系统软件设计254.1 上位机软件设计254.1.1 组态软件设计254.1.2 上位机软件各功能模块设计274.2 下位机PLC控制程序294.2.1 PLC输入输出地址分配294.2.2 液压系统径侧向动作控制程序314.2.3 误差处理及软件滤波334.2.4 PID控制程序374.3 工控机与PLC的通讯软件设计39第五章 现场调试425.1 调试内容与步骤425.2 调试结果43第六章 结束语46致谢48参考文献49飞机机轮径-侧向自动化试验装置 第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景随着祖国航空航天事业的迅猛发展，各种航天工具的开发和改进，商用和军用飞机轮胎的性能要求各不相同。为了保证飞机飞行安全，对各种飞机机轮的性能测试是十分必要的。再设计新型航空机轮时，为了验证机轮的静态力学性能测试需要对机轮进行径侧向联合载荷测试，传统的模拟测量方式，不便于控制和观察，因此需要研发一套高性能的全数字化的径侧向自动化实验装置。这里研制的机轮径自动化实验台要求设计为能实现手动和全自动控制，能实现实验过程的全自动化。该实验台采用工业控制计算机的应用和嵌入式控制系统控制技术，属于全数字化自动测控台1；能实现实验过程的全自动化，减轻了操作人员复杂的操作，减少了在人为操作控制因素下对测试精度的影响；加载曲线的实时显示和打印，实现了系统的实时监控，使实验过程更加安全可靠。1.2 国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外轮胎制造业起步较早，各种轮胎试验机的研发也得到了飞速发展，对航空机轮的的研发随着航空技术的不断提升也在不断提升公司所自有的机轮力学性能测试试验台。随着控制技术的飞速发展，试验台的各性能指标也得到了很大的提高。各轮胎大公司为了提高自身的市场竞争力，对轮胎试验机的研发也日益投入大量的研究费用。从机械试验机到模拟系统到自动控制系统的轮胎试验机，不断提高自动化测试水平，而且测试性能及各方面指标都有极大提高。近年来，国际上不断涌现许多新型的高性能、多功能的轮胎试验机。1999年，德国Beissbarth公司开发了一种称作MTT2100微型轮胎试验机的新型轮胎试验装置，该试验机通过软件对所得信息进行对比和解释，以图像显示结果，可以在线分析轮胎性能2。2001年，世界的轮胎制造商荷兰VMI公司展示了其新开发的通用轮胎试验机，该仪器可用于乘用车胎和载重车胎，可进行负荷变形试验、脱圈试验、压穿试验和接地印痕试验四种轮胎性能测试。附加测试包括胎面接地面比例、负荷下胎面花纹动态性能测试等。集4种测试于一机，可大大节省接地面积和投资3。2003年2月，日本普利斯通公司在东京的技术中心安装了一台世界上最大的汽车轮胎试验机MTS模拟路面动态系统，该试验机在速度、垂直输入、侧向力和扭矩等方面的测试指标均胜过其他汽车轮胎试验机，并可评价轮胎在拐弯、刹车时的特性以及高速和大负载下的加速度4。2006年日本神户钢制所开发了新型的轮胎均匀性试验机，可以精确地测试最高速度达200kph时轮胎的失衡力5。近两年来，在世界轮胎公司75强中，“米其林”、“普利司通”、“固特异”占有相当大的市场，且负责各航空公司航空机轮的生产和检测，其轮胎试验机的自动化水平和测试性能指标都处于世界领先地位。 1.2.2 国内研究现状我国轮胎业的发展起步比较晚，虽然生产厂家已发展到了400多家，轮胎生产量已排名世界第一位，但因我国轮胎的总体档次比较低，路况比较差，因此，对于轮胎的发展没有起到促进作用，因此很多轮胎厂家的生产技术还停留在六七十年代的水平。与各工业发达国家相比,我国在航空机轮的试验和检验方面基本上是空白,差距很大。七十年代后期，国内某航空公司从英国邓禄普公司引进了一套航空机轮试验设备，总投资500万英镑，是我国当时唯一一台通过国际认证，中国民航总局批准的航空试验设备，每年承接大量的机轮试验和检验任务。近几年，随着航空技术的发展和我国高速路的发展，促进了我国轮胎业的发展，目前已有几个厂家引进了国外的先进设备，且相应的各类型轮胎试验机也相继面向市场，但普遍存在测试性能不高，自动化水平落后的现象。各研发单位生产的轮胎试验机也大都面向汽车轮胎测试的方向，对航空机轮的各性能测试主要依靠国外进口设备，严重影响了国内对航空机轮的研发进度和生产制造水平。近年来，我国在轮胎试验机的设计和研究方面也有了一定的进展，出现了多家自行研制和开发轮胎试验机的单位和企业，开发出多种类型的轮胎试验机。如2000年广州市橡胶工业制品研究所研制的双二位轮胎耐久高速试验机，2001年天津赛象科技股份有限公司研制的轮胎高速/耐久试验机，2005年国家轮胎质检中心及广东汕头橡塑机械所联合研制的轮胎强度脱圈静负荷试验机等。2001年国家标准管理委员会发表了轮胎动平衡试验的相关标准6。2003年台湾华中橡胶测试公司自研发了轮胎综合试验机，测试功能包括轮胎破坏能试验、胎唇抗脱座试验、纵向刚性系数试验、横向刚性系数试验、印痕试验、与胎面接地压力分布分析等，现已开发了第三代产品。2004年北京航空制造工程研究所自主开发了全自动充气式轮胎动平衡试验机，并采用了西门子Simatic WinAC、数据库等先进技术。2007年山东玲珑橡胶有限公司自主研发了UP-2092型轮胎综合试验机，可以测试轮胎的纵向、横向、扭转、斜角和包覆刚性、压穿强度、脱圈阻力和踏面印痕等,通过采用轮胎综合试验机进行刚性和踏面印痕试验,可以定量分析轮胎的操控性能和舒适性能,减少轮胎室外性能试验次数和改进轮胎使用性能7。如今国内以引进技术等形式建立了大型轮胎试验场，可对各种不同类型的轮胎从性能方面进行综合测试，现国内技术比较领先的是天津久荣公司所建立的综合试验场，可完成包括强度测试、耐久测试等16项不同性能方面的测试8，同时也承担了制定国家轮胎测试标准的任务。同时，国内电液控制技术方面9也已经开始由模拟仪表向数字化发展，液压技术同电子技术、控制技术的结合日益紧密，从而使电液元件和系统的性能有了质的飞跃，加强了市场竞争力，为液压工业的发展开辟了广阔的天地。相应地，这也给产品的开发和使用带来了新的挑战。现代控制理论在电液控制系统方便也得到了较好的应用。电液控制系统属于本质非线性和不确定性系统，如电液伺服阀的压力流量特性、液压动力机构(如非对称缸)的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性；而不确定性因素则包括外来干扰力、温度变化、油源压力和流量脉动等。为了提高电液控制系统的精确性和适用性，几十年来，随着现代控制理论的不断发展，报道电液控制系统采用现代控制理论的文献层出不穷，而且均取得了良好的效果。轮胎试验机液压伺服控制系统是轮胎试验机的关键部分。目前大多使用模拟控制，即由运算放大器和功率电子元件为主组成控制放大电路。由于模拟器件的分散性和组成电路的特点，其控制功能简单，难以适应各种需要场合，并且存在明显的温度漂移和零点漂移。参数设定需用电位器调节，且调节结果不易被复制或记录。出厂时设定好的参数一旦改变就不易恢复。此外，电位器的频繁调节对电位器产生磨损，出现故障非专业人员难以排查。计算机控制系统则可避免上述弊端，参数设定可通过PC或总线完成，避免了活动元器件的机械磨损。所有调节不仅能自动记录或打印出来，还可以实现密码保护，防止他人擅自修改造成故障。也可应用于多点多通道协调加载系统中，通过人机对话方式完成系统设置和测试工作。同模拟控制器相比，它集成系统控制功能于一体，使得阀控系统具有更高的经济性、可靠性和灵活性和使用维护的方便性，使得它具有较广阔的应用前景。1.3 主要研究的问题及论文结构概述该测试台的电气控制部分的任务是：1.控制液压系统按照动作程序动作2.实验过程中完成数据记录、图形曲线显示打印3.系统监控4.能手动控制主要研究的问题有：1.如何实现液压系统动作的自动控制2.如何使手动控制更加方便3.如何用控制理论知识实现液压系统载荷输出的自动控制4.如何实现数据记录5.如何实时监控系统状态1.4 论文章节安排本论文的设计就是就以上提出的任务问题进行系统的论述，论文章节的具体安排如下：第1章 是绪论部分。主要是介绍试验台的研究背景、国内外研究现状以及研究内容。第2章 是飞机机轮径-侧向自动化试验装置的系统结构和工作原理，确定了系统总体的控制方案，并进行硬件系统的选型。第3章 是飞机机轮径-侧向自动化试验装置的硬件电路设计，介绍了硬件电路如何实现手动控制和自动控制，介绍了PLC的输入输出模块电路，同时在考虑基于提高系统安全性、可靠性的方面完成了硬件系统的电磁性兼容性的设计。第4章 是软件系统的设计，根据要求，设计了监控系统，使监控系统完成数据记录、监控功能。并介绍了人机界面的各模块功能。阐述了典型的PLC程序设计过程。第五章是是现场调试，介绍了实验室进行现场系统调试时的，不断完善系统设计，提高系统性能。飞机机轮径-侧向压力自动检测系统 第二章 系统总体设计第二章 系统总体设计本章主要说明飞机机轮径-侧向压力自动检测系统的原理结构，控制要求和技术要求，系统方案的选择和论证。2.1 系统原理和结构说明飞机机轮径侧向自动化实验装置的原理是10：将轮胎安装在夹具上并且固定，在轮胎的径向（垂直方向）和侧向（水平方向）两个方向分别施加一定的载荷并保持一定时间，观察飞机轮胎轮轴和轮缘的变形量（即位移量），通过所得的实验数据，用于分析机轮的径侧向静态力学性能，并根据这些实验数据进行评估和改进机轮的径侧向静态力学性能。径向载荷：飞机处于静止状态，轴承主要承受静止载荷。飞机重力产生的停机载荷通过轴承的滚棒传递给轮毂；在地面滑行时，主要也承受垂直径向载荷，由于地面的不绝对平整，飞机的上下震动的幅度将使垂直径向载荷大于飞机的重力。 侧向载荷：如果飞机带侧滑接地(如侧风较大的时候)，机轮将受到侧向载荷。另外，飞机地面转弯过程中方向舵与副翼配合不好等产生的侧滑。实验原理如图2.1所示：1-径向油泵；2-径向电机；3-侧向油泵；4-侧向电机；5-径向比例溢流阀；6-侧向比例溢流阀；7-径向油缸；8-叉子；9-被测轮；10-工作台；11-侧向油缸；图2-1 径侧向自动化试验台结构图整个试验台液压传动系统由径向、侧向两个系统构成。径(侧)向工作台置于滚轴上，摩擦力忽略不计，径(侧)向电机启动后带动径(侧)向油泵工作，其油缸的伸缩由换向阀控制。加压指令下达后，由计算机控制系统把施加在被测轮上的载荷值按标度转化后分别送给径(侧)向比例溢流阀，从而控制比例溢流阀的开度，同时比例溢流阀的开度还能控制径侧向加压机构伸出与回程的速率。反馈压力值通过压力传感器反馈给计算机控制系统，从而计算实时控制的误差，并显示在计算机控制系统监控画面上11，同时也显示在与其连接的各压力显示仪表上。根据压力反馈值与压力设定值的大小实时控制比例溢 流阀的开度大小。同时试验台还需完成不同型号机轮的破坏性试验，根据不同型号机轮所对应标准的极限破坏条件，试验台在加压控制上通过对径向单独的加载，实际所加载压力必须超过极限破坏试验的设定值，同时为了保护机轮不因过大的超调而超过一定的余量使机轮损坏，比例溢流阀根据控制指令立即释放压力，径向电机带动加压机构迅速回程，以结束破坏性试验。同时在试验结果中给出末段最大加载压力值，以判断破坏性的成功与否。 位移测量在加压过程中每级加压保持的时候把数据传给上位机12，试验结束时给出整体十段的轮缘的变形量，位移传感器负责位移量的测量，并在上位机中对采集的数据进行处理后得出最 终的结果。根据试验台原理和系统要求，可将测试台分为两个大部分：1.液压系统部分为实验提供测试所需的径向、侧向载荷。2.电气控制部分控制该液压系统的按照动作程序动作；根据控制要求控制液压系统载荷输出大小。2.2 系统控制要求 由于不同于普通轮胎的静态力学性能压力测试，其压力试验台的控制要求也比一般压力试验台有更严格控制要求及更复杂的控制过程，其具体表现在如下几个方面：1.径侧向加压限值分别为1000kN、500kN，每级按设定值10增量施加；2.满足径、侧两个方向分时加载，每级加载时间为10秒，且增加一级需停5秒（可任意调节）以便测量轮胎变形程度；3.加压试验分段加负荷，计算机控制系统监控画面中显示加载过程，并根据加压情况给出报警和预报信息；4.自动连续加载完成后，实现自动卸载功能，同时给出整体加压曲线，给出试验结果；加载给定曲线如图2-2所示：P/T径向压力侧向压力40径向回程30K：可调斜率20侧向回程等待时间5s1010s2030406050510152535457065555st/s0图2-2 航空机轮径侧向载荷给定曲线图5.实时显示压力曲线和相关的位移数据，试验过程数据全部存储，用于生成试验报表和报警记录；6.破坏性试验最终完成阶段，判断加压过程值是否超出破坏性试验设定值，如不满足达到设定值，则试验判断为失败；7.联合加载试验过程，按侧向每级加载满足时间落后于径向5秒开始，最终试验完成阶段，径侧向同时回程；2.3 径侧向自动化台的总体设计方案工业控制系统是以计算机为核心来控制生产过程的自动控制系统。当今的工业控制系统按照使用设备的不同可以分为以下几大类。1.单片机控制系统这种控制系统广泛应用于单件机构的控制中，如家用电器、电机伺服、变频调速等机电产品中，在工业控制领域一般适用于小规模的工业控制系统，或者担当大系统中的一个子系统。2.工业控制机IPC(Industrial Personal Computer，以下简称工控机)PC总线工业控制机主要用于工业过程测量、控制和数据采集等工作。与通用的计算机相比主要有以下特点有:1) 兼容性好、升级容易；2) 性能价格比高；3) 丰富的软件支持；4) 通信功能强；5) 可靠性高，具有空气过滤系统、冷却系统、减震装置、防电磁干扰和抑制电涌装置，使工控机的可靠性比一般计算机的可靠性提高34倍。目前使用较多的有研华(ADVANTECH)、康泰克(CONTEC)、康拓等公司的产品。3.分布式控制系统分布式控制系统(Distributed Control System，简称DCS)又称集散系统，在国内又称之为集散控制系统。DCS是随着计算机的出现及其在工业生产过程控制中的应用和发展而形成的，集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术(4C)于一体的计算机控制系统13。DCS的主要特点可以归结为:分散控制，集中管理。一般情况下，一个DCS中只需配备一台工程师站，而现场I/O控制站和操作员站的数量则需要根据实际要求配置。所有站点通过系统网络互相连接并互相交换信息，协调各方面的工作，共同完成DCS的整体功能。DCS通过分散系统来分散系统的危险。这样保证了当某一台设备或某一部分出现故障时不会导致整个系统瘫痪。当今流行的DCS国外的有Honeywell公司的TDC300、横河公司的CENTUM，国内的有电子部六所的HS20OO系统。4.可编程逻辑控制器控制系统PLC是20世纪60年代末在继电器控制系统的基础上开发出来的。经过十几年的发展，PLC己不仅能实现继电器控制所具有的逻辑判断、计时、计数等顺序控制，同时还具有了执行算术运算，对模拟量进行控制等功能14。而且PLC很好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。与一般的计算机有许多优点，其主要表现在:1) 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是PLC的最突出特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万小时。PLC专为在工作环境比较恶劣的条件下应用而设计，PLC采取了一系列措施，在硬件设计方面，首先选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固、简化安装，使它易于抗振动冲击，对印刷电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构以及工艺上采取一些独特的方式。例如在输入输出(I/O)接口电路都采用光电隔离，做到电浮空，既方便接地，又提高了抗干扰性能;各输入端均采用R-C滤波器，对于一些高速输入端则采用数字滤波，其滤波时间常数可由指令设定；各模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰；采用优良的开关电源。所有这些使得PLC能置于有很强的电噪声与电磁干扰、机械振动和湿度很大的地方。2) 编程简单易学，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言以及其他高级语言，要求使用者具有一定水平的计算机软件和软件知识。而PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。大多数PLC使用梯形图LAD、连续功能图CFS和语句表。尽管现代PLC也用高级语言编制复杂的程序，但梯形图仍被广泛地使用。3) 接线简单、易于安装在电信号匹配的情况下，PLC接线只需要将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接；将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接，接线简单、工作量少。4）可连接为网络控制系统PLC可连接为功能很强的网络系统，通过网络级连可以将不同类型的可编程控制器与计算机组成一个控制范围很大的局部网络。根据工程实际和客户要求，试验台控制系统必须满足如下要求。1) 高可靠性、抗干扰能力强这是一个基本的，也是最重要的要求之一。设计后的控制系统要求在十年之内没有大的故障。同时由于该系统中有两台同步电动机在启动和运行过程中很容易对控制信号产生电磁干扰，所以控制系统要具有很强的抗干扰能力。2) 响应速度快，数据处理、存储能力强由于整个试验必须实时地传送压力反馈值的大小，所以要求系统有很快的响应速度；并且在试验中要将所有传感器的数据采集下来，在试验结束后再将数据保存到硬盘上，所以要求系统的处理器和存储器的数据处理、存储能力强。3) 性价比高下面对各系统的优缺点进行分析，并根据项目的实际要求选出最适合该项目的系统。单片机系统一般应用于小型工业控制系统。它的优点是价格低，但开发周期长，尤其是它的可靠性得不到到保证。所以不适合本项目。工业控制机IPC配以PC总线的I/0板卡组成的控制系统，其优点是价格较低，系统软硬件资源丰富，开发周期短；但是经实践证明，IPC工业控制机长期运行的可靠性难以得到保证，几年之后，IPC的故障率比较高。IPC作上位管理机是可以的，但在工作环境恶劣、可靠性要求高的场合，IPC达不到要求。所以，本项目没有选择这种控制系统。DCS和PLC系统在可靠性、抗干扰性、响应速度，数据处理、存储能力等方面各有千秋，均能满足本项目的要求。但DCS和PLC在通信网络上的组网不同，导致二者的价格有较高差异。DCS网络具有优良的通信子网，但是为了取得网络级的高可靠性，DCS系统普遍对通信网络采用了1:1冗余措施，这包括通信信道、通信接口的1:1冗余，还包括当通信系统发生故障时，对故障检测及自动切换到备用子网的装置。诸如此类，导致尽管DCS系统性能优良，但价格也非常昂贵，性能价格比并不高。PLC网络则不同，一般在网络级它不搞1:1网络冗余，仅在关键部位选用冗余结构的PLC。这样一种处理方案，在价格上将大大低于DCS系统。同时PLC在网络上的简化处理并没使其可靠性低于DCS。由于PLC将三电(逻辑控制系统的电气控制装置、过程控制系统的电动单元组合仪表、运动控制系统的电气传动控制装置)集于一体，所以其本身有很强的自治性，它对PLC网络的通信速度要求比较低。需要通过网络交换的数据量相对比较少，这使得PLC网络变得比较简单。而DCS系统在网络一级实现三电一体化，它对网络通信速度的要求比较高，需要通过网络交换的数据量比较大，这使得DCS系统的通信网络比较复杂。简单网络的可靠性总归比复杂网络的可靠性容易保证。更何况PLC本身具有良好的自治性，在关键场合又选用PLC冗余结构，这样即使PLC网络发生故障，仍可维持系统运行。所以，PLC在可靠性等方面可以和DCS媲美，但在性价比上要优于DCS。综合以上的分析，最终选择了PLC和工业控制计算机相结合的控制系统方案。 对于径侧向机轮试验台控制系统的设计采用计算机控制技术。计算机控制系统具备以下优点1516: 1.是全数字控制系统，硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。 2.其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且易于更改。 3.数字控制系统的运算速度快，可靠性高，可以提高控制性能。 4.计算机控制系统具有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。径侧向机轮试验台计算机系统的原理框图如图2-3所示： 图2-3 径侧向自动化试验装置控制系统原理框图在径侧向机轮试验台计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，因此需要A/D转换器和D/A转换器。从本质上看，径侧向机轮试验台计算机控制系统的主要工作原理分为以下三个步骤口 1.实时数据采集:对来自传感器和放大器的轮胎压力瞬时值进行检测和输入，并实时显示。 2.实时控制决策:对采集到的轮胎压力和位移量进行分析和处理，并按给定的控制程序决定需要采取的控制行为。 3、实时控制输出:根据上位机发出的控制命令，适时地对液压系统发出控制信号控制试验的进程。径侧向机轮试验台计算机控制系统的硬件实现框图如2-4所示。 用户 量测信号限位报警系统启停 数字量模块 模拟量模块PLC 打印机HMI工控机开关控制阀门开度位移数据油缸压力载荷压力 图2-4径侧向自动化试验装置硬件实现框图2.4 径侧向自动化试验装置控制系统硬件设计2.4.1 试验台本体和液压系统设计径侧向机轮试验台控制系统的硬件分成三个部分，第一个部分是实验台本体，是试验台控制系统的执行机构，其中包括了工作平台、底座，支柱、叉子、主油缸、侧向油缸等。 第二个部分是液压系统。这个系统为径侧向机轮试验台提供载荷压力。这个系统由油泵、送油阀、载荷保持器、四通阀、可控单向阀，液控比例阀等组成.送油阀本身不只是节流阀，而且有溢流阀、安全阀、减压阀的功能.从而保证系统的安全，压力的可调.载荷保持器的作用是在较长时间内保持压力的稳定，以保证电测工作的顺利进行。液压比例阀是用于试验过程中控制载荷的稳定及按比例加载。本试验台液压系统按手动和自动控制两种操作方式来设计的，故在管路中增加了一些旁路。液压系统结构如图2-5所示。1-液体液温计；2-不锈钢油箱；3-电接点温度计；4-液位控制器；5-空气滤清器；6-电动机（5.5KW）；7-定级变量油泵；8-压力过滤器；09-回油过滤器；10-比例溢流阀；11-电子放大器（最大功率50W，输入信号0-10V）；12-常闭二通电磁阀；13-液压接头；14-微型软管；15-耐震压力表；16-电磁换向阀（1DT、2DT、3DT、4DT）；17- 单向节流阀；18-压力传感器（输出信号0-10V）；19-行程开关；20-侧载油缸；21-载荷保持器；22-球阀；23-橡胶接头；24-冷却器（7DT）；图2-5 液压系统原理图其工作原理是：1.侧载油缸伸出，4DT得电，侧载油缸伸出直至被接触被测件，压力升至比例溢流阀调定压力;2.交叉加载:根据工况要求编制的程序控制，实现径载油缸和侧载油缸多级( 10t/5t,20t/10t,30t/5t,50t/25t,100t/50t)压力反馈信号，自动响应，改变溢流阀调定压力，满足工况要求;3.径载油缸、侧载油缸回程:ZDT、3DT分别得电，可使径、侧载油缸快速回程，回程速度可调;4.径侧载油缸回程到位，两个行程开关分别发出信号，控制各自系统电磁换向阀失电或者停泵，系统处于起始状况;5.压力传感器可检测径、侧载油缸无杆腔的准确油缸压力。2.4.2 控制系统硬件选型系统设计可分为为五大部分：1.上位监控系统：实现系统数据存储、画面监控、参数输入、系统协调。2.下位控制系统： 实现液压系统动作程序的控制，载荷给定的控制。3.通讯系统： 上位机与下位机的数据交换。4.数据采集系统： 用传感器采集系统，通过放大器放大并且A/D转换为数字信号，提供给计算机系统。5.载荷给定及放大电路： 该部分为计算机控制载荷值输出，通过放大电路放大驱动电磁溢流阀控制液压系统压力；手动控制的实现，在系统中手动控制实质为载荷的手动调节，即用电位器实现载荷的控制，在手动控制中系统为开环控制。 工业控制计算机全称工业个人计算机(Industrial Personal Computer，以下简称工控机)，简称工控机，是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。由于工业现场环境的需要，自从美国AD 公司推出首款IPCMAC-150工控机以来。工业个人计算机就以其性能可靠、软件丰富、价格低廉而广受欢迎而且得到了很大的发展。研华公司从事工业电脑制作有20年之久，在工业机制作和售后服务方面积累了丰富的经验，所以在本次径侧向机轮试验台控制中选用台湾研华公司生产的AWS-8248VTP-T型工控机，该工控机具有以下特点:1.AWS-8248VTP-T具有电阻式触摸屏TFTLCD,分辨率1024*768观大方，方便操作;2.AWS-8248VTP-T型工控机采用符合“ELA准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力，铝质面板符合NEMA4/IP65标准;3.采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力;4.机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘;5.配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护;6.电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入;7.具有自诊断功能。根据需要留有1/0模板的接口;8.设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位;9.可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行;10.可采用无源母板(底板)，方便系统升级。AWS-8248VTP-T是一款14槽，TFTLCD的工作站，是研华原有主打产品AWS一8248的升级。相比而言，AWS-8248VTP-T具有更强的扩展性能，更大的LCD，及更具有竞争力的价格。除此之外，其三个模块化的抽屉式设计使S-8248VTP-T较以前机型具有更好的可维护性，开放性好，兼容性好。对于下位机的选择，主要是选择可编程逻辑控制器及其配套设备的选型。目前三家著名的PLC厂家SIEMENS、GE和OMRON公司的产品现在在国内的应用得比较多，遍及国民经济的各个行业。按照本项目的要求对各厂家的PLC的相关性能进行了考核：1.PLC支持高级语言编程；由于PLC 本身的内置的控制算法只有PLC模块，控制时只能调用其内部的算法，而我们在控制时会涉及到一些复杂算法，如本文设计的模糊自适应控制等，所以需要PLC支持高级语言编程，如C语言。2.模拟量模块的刷新速度在4ms之内；3.PLC支持实时总线，总线的速度和实时性高。基于以上分析，选择西门子公司的 PLC S7-300产品1718。其中包括：电源模块、CPU模块、CPU后备电池、模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO、网络连接器、PC适配器和编程电缆等。特点如下：1) 循环周期短，处理速度高；2) 指令集功能强大，可用于复杂功能；3) 设计紧凑，可用于空间有限的场合；4) 模块化结构，适合密集安装；5) 不同档次的 CPU 和各种各样的功能模块和I/O模块可供选择。根据系统实际需要，本文对主要部件做了以下选择。其中电源模块选取的是PS307，输出电流 5A。电压 24VDC，可以直接驱动继电器，可用作负载电源，具有防短路和开路保护，可连接单相交流系统 (输入电压120/230 VAC，50/60 Hz)，具有可靠的隔离特性，符合 EN 60 950。选择 5A 的电源是因为该电源除了向 PLC 的 CPU 模块供电以外，还要为外部的 10 个用于开关控制的继电器供电。 CPU 模块选择的是 CPU314，因为 CPU314 比 CPU312具有更快的操作速度，CPU314 的位操作速度是 100ns，这比CPU312 的速度要快一倍，这对于本试验台的压力实时控制是十分有利的。同时 CPU314的主存储器是64K字节，配上合适的 MMC后就能够满足试验台的编程要求。在满足试验台控制要求的条件下，选择比较经济的 CPU，所以没有选择 CPU315 及其以上的 CPU 型号。接下来是接口模块的选择。首先是数字量模块，数字量输入的控制点数为26个，数字量输入模块选择了有32个输入点的SM321。这样既满足了当前控制的要求，又为以后系统扩展留下了充足的空间。数字量输出7个点，其中液压系统5个，油泵电机的控制2个。因此数字量输出模块我们选取了有16个数字量输出端口的SM322模块.模拟量输入6个点，模拟量输出2个点。模拟量输入选择的是SM331模块，模拟量输出选择的是SM332模块。根据上下位机的特点（上位机是工业计算机，可以方便扩展通讯卡；下位机为PLC，其CPU为CPU314，自带MPI通讯口），选用MPI通讯方式19。MPI通讯可以利用上位机的普通COM端口通讯，起通讯速率为19200bps，远大于系统所需的通讯量600ps，但是为了增强通讯的安全性，采用西门子专用的通讯卡CP5611进行通讯。信息采集部分采用传感器和配套使用的应变放大器，配置如表2-1所示： 表2-1 信息采集部分硬件选型载荷传感器 BHR-4100t，50t，30t，20t4上海华东电子仪表厂载荷传感器配套放大器 GF-32上海华东电子仪表厂载荷数字显示器GGD38型2上海华东电子仪表厂位移传感器FTA10（0.3）2阜新电测技术研究所位移数字显示器FT54712阜新电测技术研究所2.5 软件总体方案设计 软件设计中，试验台实现手动加压和自动加压，如果是手动加压模式下，从加压开始就由操作者控制，由设计中的电位调节器来整定输入压力的大小及位移的大小，反馈值都是由数显仪表来体现实时的压力和位置值，然后人工控制加压过程直到加压结束回程，回程到位后停止，则整个手动试验完成。在自动加压程序的情形下，径侧向自动加压分成两种加压方式，一种是径向独立加压，另一种是径侧向联合加压。独立加压只能加径向压力，因为轮胎不可能在没有承受径向压力的时候就承受了侧向压力，所以在程序中不允许有侧向独立加压的情况。联合加压也必须先加径向，径向先加5S后再加侧向，以保证轮胎承受一定的径向压力后才开始承受侧向压力，避免了轮胎单独承受侧向压力或侧向压力大于径向压力的情况。在联合加压的过程中，径载试验完成了后会一直保持最终压力，直到侧载试验也完成，这时径侧向油缸同时回程，联合加载试验结束，程序回到主程序中，等到回程到位后停止，整个试验过程结束。联合加载程序框图如2-6所示。图2-6联合加压程序框图径向加压子程序框图如图2-7所示，侧向加压子程序与径向加压子程序基本原理一致。在每小段加压结束时调入位移测量子程序，以读取机轮试验过程的变形和位移情况，作为位移测试的数据。位移测试子程序如图2-8所示。系统中被控量是径侧向的载荷，试验中的载荷通过载荷传感器、PID控制器以及模拟量输出模块构成一个闭环控制系统。试验开始时系统可以自动运动接触到被测机轮，然后将设定的目标径侧压力分10级逐级加压，显然，在径侧向联合加压时为了保证侧向加压时不打滑，必须先加径向压力，然后再加侧向压力。另外，由于径侧向联合加压会相互影响 ，径侧向压力值不是一次加压就可完成，所以每次加压都必须分别监测径侧向压力值，只有径侧向压力都满足本级压力目标时本级加压才算完成。为了达到这个目标，使用径侧向循环加压的办法，本级加压完成后，开始读取轮毂变形位移值，显示并记录。然后再进入下一级压力施加循环，当10级压力都完成后，系统自动减压，加压机构自动完成回程，完成试验。图2-7 径向加压子程序框图同时初始加载中，为防止加压失效和加压突然过大，在判断机轮是否接触到试验台面方面，设定了一常数值和一保护值。压力开始加载时，只有初始压力超过设定的常数值，试验才回继续下一步骤，否则停留30秒后发出警报。如果压力值突然加载过快，超过设定的保护值，则系统会自动停止加载过程，径侧向同时回程，并向操作员发出警报。图2-8位移测量子程序框图对于每小段的加压值，采取系统采样时间为基准，每段的上升时间除以基准时间得到每小部分设定加压值的增量，从而保证与采样时间同步，能更好的满足实时性要求。在完成每级压力加压后，判断是否完成了10级的加 n压任务作为回程标准，并径向完成后停留15S等待侧向加压完成，然后同时回程，以保证试验的成功和安全性。径侧向加压子程序分别对应各自的模块，只是在调用时引用，这也方面实现单独加压时只需单独读取径向加压子程序。设计中分别建立径向与侧向程序模块和位移测量程序模块，共同受主程序模块调动，各中间数据由主程序模块负责和子模块之间传送，中间结果也由主程序模块集中向上位机传送，以实现在线的监控。飞机机轮径-侧向自动化试验 第三章 径侧向试验台计算机控制系统硬件设计第三章 径侧向试验台计算机控制系统硬件设计本章主要介绍径侧向联合加压试验台电气部分的硬件电路，包括主电路，PLC接线电路和各种保护电路等3.1 电机控制主电路电机控制主电路主要负责对径(侧)电机的启停状态的控制及电机故障的实时报警功能，这些主要由PLC的数字模块的开d关量来完成。电机控制主电路原理图如图3-1所示：在此电路中，QF3是总电源开关，只有总电源开关闭合了，才能对电机进行控制。QF1和QF2为自动空气开关，分别控制着径向电机和侧向电机与电源的连接。交流接触器KM1，KM2线圈通电后，其常开触点闭合，径向电机和侧向电机分别运行。KH1，KH2为热继电器，热继电器通过利用电流的热效应而动作，用来保护电动机的过载。在三相电动机运行中，由于三相电源的熔断器一相熔断，或者接触器触点烧损，或安装维护等原因造成一相断线等原因，易造成三相电动机缺相运行。若发现不及时，时间稍长便会烧毁电机，造成设备损坏，为了保护电机在电机控制主电路中加入了缺相保护电路。1KA，2KA，5KA为可编程输出继电器，受PLC输出模块的控制。KA为故障报警灯，当电机控制出现故障时在上位机监控画面显示。KA图3-1 电机控制主电路原理图3.2 I/O模块设计I/O模块是所有指令下达、状态反馈、数据采集等重要信息的设计部分，通过对各数字量和模拟量的统计，最终数字量输入模块采用的是SM321，具有32个数字量输入接口。数字量输出模块采用SM322。模拟量输入输出模块分别选取是SM331，6 路输入和SM332。其数字量及模拟量模块的电气图分别如图3-2和3-3所示。图3-2 数字量模块电气图图3-3 模拟量模块电气图系统的开关量输入如下：油泵电机M1、M2的启动、停止开关；油泵电机M1、M2热继电器保护开关量；油泵电机M1、M2缺相保护开关量信号；油位高低开关量信号；油温高低开关量信号；径载油缸压下限位；径载油缸回程限位；侧载油缸压下限位；侧载油缸回程限位；径载油缸压下开关；径载油缸回程开关；径载油缸停止开关；侧载油缸伸出开关；侧载油缸回程开关；侧载油缸停止开关；滤阻信号（3个）；系统紧急停车和故障复位开关。系统的开关量输出如下： 液压系统的驱动是通过各种电磁阀和继电器驱动，两油泵电机由1KA，2KA控制；3KA，4KA控制电磁溢流阀通道的开通与闭合；5KA为故障保护与报警控制；1HL-15HL为系统状态指示灯。系统的模拟量输入如下：径向载荷值；侧向载荷值；轮轴位移值；轮缘位移值；径向油缸压力值；侧向油缸压力值。系统的模拟量输出两路信号：径向载荷输出；侧向载荷输出。3.3 比例溢流阀设计在这部分的电气设计中，以多路转换开关的设计完成压力试验台控制系统对手自动载荷加压切换的要求。其电气图如图3-4所示。图3-4 比例溢流阀电气图49121416136811101315257如图3-4所示，电源VC1为给定电压源，其电压精度要求高且要稳定，其电压输出为10V。由于电磁溢流阀必须是电流输入，所以还必须将电压信号转换成可以驱动电磁溢流阀的标准电流。其中E-RI-TE为驱动放大器，它将0-10V的电压信号转换为0-800mA的标准直流电流信号，驱动电磁溢流阀5DT、6DT。其中VC2是稳压电源，输出电压24V，但它不是控制信号，而是作为两个放大器E-RI-TE的工作电源。QC1是转换开关，切换手动控制与自动控制模式。在手动控制时采用电位器模拟给定，RP1、RP2是两个模拟给定电位器，位于控制台上，可以由操作员手工控制。在自动控制时采用PLC的模拟量输出信号给定。3KA、4KA为通道开关，为保证径侧向电机空载启动，所以只有在电机启动5s后这两个开关才闭合，从而确保系统的安全。FU是熔断器，作为电路短路保护。QC1是一旋转开关，当其旋到左侧时5和6，7和8，13和14，15和16连接，试验台处于手动控制模式下。当QC1旋转至右侧时1和2，3和4，1和10，11和12连接其他触点断开，试验台处于自动控制模式下。当QC1旋转在中间时，试验台无法控制载荷压下。3.4 保护电路与电磁兼容性3.4.1 保护电路设计本文设计中主要做了如下电路保护设计： 1.短路电流和欠压保护在图3-4电机控制主电路图中，开关QF1，QF2，QF3，QF4是自动空气开关，空气开关本身具备了短路电流跳闸和欠压跳闸21功能，可以实现短路电流和欠压保护。其中QF4是单相自动空气开关，用于控制电路的短路保护，其余为三相自动空气开关，用于主电路保护。还有在其他的电源进线中设置了熔断器FU，进一步加强了系统的安全性。2.油泵电机缺相保护对于电机还设计了缺相保护，其作用是当三相交流电动机缺相运行时，或者三相电源严重不对称时，发出动作信号，通过数据采集卡跳闸，切断电源，以保护电机。A、B、C为三相电源，N为零线。该电路根据三相交流电不平衡负载时22中心点偏移，从而产生一个偏移电压，该偏移电压通过桥式二极管整流电路将该不平衡电压信号转换为直流信号。再通过电阻分压、电容滤波、稳压二极管稳压，在电路中得到一个较稳定的直流电压信号。再通过光电隔离器将该信号输入到数据采集卡的开关量输入中。COM端口为公共端，Input端口接数据采集卡的输入口。电路如图3-5所示。图3-5 电机缺相保护电路图3.数字量输出模块保护数字量输出模块是直接驱动24V的直流继电器。继电器线圈是电感性负载，在关断过程中会产生很高的di/dt，即产生瞬时高压，容易将PLC数字量输出口击穿而损坏，为此在继电器旁路上并联一个续流二极管，构成关断电流回路，保护SM322的输出口。续流二极管选择IN4007。KA是直流继电器，HL是指示灯。其电路原理图如图3-