2m×2m超声速风洞CTS测控系统研制

李 平, 黄叙辉, 周 润, 张征宇, 高荣钊

(中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000)

2m×2m超声速风洞CTS测控系统研制

李 平*, 黄叙辉, 周 润, 张征宇, 高荣钊

(中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000)

为满足2m量级超声速风洞外挂物捕获轨迹试验的需要,研制了2m×2m超声速风洞CTS试验装置，开发了相应的信号测量与运动控制系统。为确保CTS速度闭环控制试验方式的实现，选择了具有集中控制的多层分布式结构,以满足该试验方式对测控系统的实时数据处理及信息交互能力的较高要求。系统由信号测量与轨迹运动方程求解子系统、六自由度装置运动控制子系统和安全监控子系统等构成。采用NI公司的图形化编程语言LabVIEW开发了监控管理软件、数据采集和轨迹生成软件、安全监控软件。采用力士乐公司的IndraWorks完成了运动控制执行软件的开发。子系统间分别运用了TCP/IP、PSP、Profibus DP等通讯协议实现信息交互。解决了系统抗冲击及速度控制等关键技术难题。研制完成后采用T3-40激光跟踪仪对六自由度装置的静态精度进行了测量，其中线位移X、Y、Z的定位精度达到0.021、0.046和0.094mm，角位移α、β、γ的定位精度达到0.05°、0.047°和0.022°，定位精度全部优于设计指标(±0.1mm、±0.1mm、±0.1mm、0.05°、0.05°和0.05°)。地面调试和风洞试验验证表明：CTS测控系统运行稳定，操作方便，维护简便，试验结果合理、可靠。

超声速；风洞；测控系统；六自由度机构；速度控制

0 引 言

捕获轨迹(Captive Trajectory Simulation，简称CTS)试验是在风洞中应用的一种特种试验技术，用来模拟外挂物从载机分离后的运动轨迹，为评估外挂物的安全特性提供依据[1]。

发达国家开展捕获轨迹试验研究较早(20世纪50年代)[2]，技术比较成熟。中国空气动力研究与发展中心于1988年在1.2m跨超声速风洞中建立了第一代外挂物捕获轨迹试验(CTS)系统，并在2005年成功研制了第二代CTS试验系统，同年研制完成了2.4m跨声速风洞CTS试验系统。

2m×2m超声速风洞(以下简称为2m超)是中国空气动力研究与发展中心(China Aerodynamics Research and Development Center，CARDC)于2010年底建成的一座下吹、引射式暂冲型超声速增压风洞，具有试验尺度大、流场指标优良和数据精准度高等特点，是我国先进战斗机、战略战术武器等型号研制的最佳地面模拟试验平台。为使其具备CTS试验能力，研制了2m超风洞CTS系统，该系统于2012年研制完成并投入使用。

1 系统任务及主要性能指标

CTS试验是通过CTS测控系统、六自由度装置和风洞的协调工作来实现对外挂物投放轨迹的模拟测试。具体方法是：CTS测控系统根据实时测得外挂物的气动载荷，解运动方程，并控制六自由度装置(见图1)支撑的外挂物运动到解算的位置和姿态，循环往复。此方法简称为CTS位置控制方法。

图1 六自由度装置结构示意图

Fig.1 Structure schematic of the six degree-of-freedom device

2m超CTS测控系统的任务就是精确测量风洞中外挂物模型的气动载荷，求解运动方程，控制六自由度装置运动并监控设备运动状态。其中，信号测量的精准度要求0.03%，六自由度装置3个线位移的控制精准度要求为0.1mm，3个角位移的控制精准度要求为0.05°。

此外，该系统还要实现CTS的速度控制方法，即在CTS试验过程中通过持续的测量和解算，控制外挂物模型的运动速度和姿态等，完成对外挂物连续运动轨迹的测量。由于进行速度控制时外挂物模型持续运动不停顿，因此有运动轨迹点连贯且比较节能的优点，但同时对系统的实时性和同步性要求较高。

2 系统硬件结构与组成

2m超CTS测控系统的硬件部分采用了具有集中控制的多层分步式结构的框架设计，在设备的选购上尽可能使用成熟产品，以保证CTS测控系统的高性能、可扩展和易维护。系统总体构成如图2所示。根据CTS测控系统的任务及特点，将系统拆分为3个子系统：(1) 测量与运动方程求解系统；(2) 六自由度装置运动控制系统；(3) 安全监控系统。

图2 测控系统组成Fig.2 Constitution of the measurement and control system

2.1 测量与运动方程求解系统

测量与运动方程求解系统的功能包括精确测量安装于外挂物模型内部的天平传感器的信号、尾部的底压传感器信号及风洞的总、静压信号，计算气动系数并与输入的外挂物初始条件(如初始位置、角度和速度等)、飞行参数(如飞机的姿态角、飞行高度、速度以及外挂物的质量、惯性矩、阻尼导数、推力和弹射力等)一起，通过求解运动方程，获得外挂物在下一时刻的运动速度或位置。其中，外挂物运动方程组求解过程复杂、计算量大。

为此，系统选用了美国NI公司PXI RT(Real-time)嵌入式控制器作为硬件平台，配置了实时控制器、高速采集卡、总线通讯卡和信号调理器等硬件设备。其中，前置信号调理器位于六自由度装置内靠近天平的位置，用于增强天平信号的抗干扰能力。

2.2 六自由度装置运动控制系统

六自由度装置运动控制系统的功能是准确控制六自由度装置按照位置或速度进行运动。根据载荷及使用维护要求，驱动形式为伺服电机驱动。

为此，选用了德国力士乐公司的基于Sercos III总线的运动控制系统，主要由多轴运动控制器、6台伺服电机(其中滚转自由度由中空力矩电机控制)及相应的驱动器组成。同时，受六自由度装置的结构形式限制，无法安装外置编码器，故在每台伺服电机内配置了绝对编码器。

2.3 安全监控系统

因外挂物的运动轨迹在试验前是不可知的，加之外挂物的天平和支杆较细，所以CTS试验存在着极大的不安全因素，如试验时外挂物模型与载机、风洞试验段壁板等可能发生碰撞，机构运动可能失控超过设定的极限位置等，如不采取措施可能损坏模型、天平和六自由度机构；此外，在超声速气流的冲击下，六自由度装置可能会产生振动，影响其正常运动及定位的精度。因此，安全监控系统的作用就是实时监控六自由度设备各个自由度的当前位置、振动情况，运动是否超限等，及时制动，保护设备安全。

为此，选用了NI公司的PAC系统作为独立的安全监控系统，该子系统由一套CompactRIO(cRIO)系统设备组成，其中机箱型号为NI-9116，嵌入式控制器为NI cRIO-9024，32路数字量输入采集卡为NI-9426，32路数字量输出卡为NI-9477，4路振动信号输入采集卡为NI-9234，4路模拟量输入采集卡为NI-9222。

六自由度机构运动极限限位信号、紧急停止信号、碰撞信号、设备上电状态和故障信息等由NI-9426输入，机构振动信号由NI-9234输入，外挂物模型与母机位移及Z轴平衡气缸压力等信号由NI-9222输入，联络信号、报警信号、驱动器通断电信号等由NI-9477输出。

上位机将编制好的安全监控程序部署到嵌入式实时控制器cRIO-9024中运行，确保程序运行的可靠性和确定性。另外，通过RIO(可重复配置)I/O技术将处理器、FPGA和定制化的I/O结合在一起，实现了系统对外部I/O信号的实时响应，通过这些技术实现对六自由度装置运动过程中碰撞信号、振动信号、伺服驱动控制系统工作状态(包括上电、使能等)、限位信号，外挂物模型初始定位时与载机的位移量，紧急停止信号和平衡气缸压力信号等的快速检测及响应，达到保护设备的目的。

3 系统软件设计及实现

CTS测控系统的软件共分为4部分，分别是：运行在监控管理计算机上的监控管理软件；运行在嵌入式实时控制器上的数据采集和轨迹生成软件；运行在多轴运动控制器上的运动控制执行软件；运行在PAC系统上的安全监控软件。各部分的功能和系统间的通信方式如图3所示。其中，监控管理软件、数据采集和轨迹生成软件、安全监控软件在Windows环境下采用NI公司的图形化编程语言LabVIEW开发，运动控制执行软件在Windows环境下使用力士乐公司IndraWorks进行开发。下面就软件开发过程中的关键技术进行介绍。

图3 软件总体结构Fig.3 Overall structure of software

3.1 系统实时性

为了确保整个测控系统的实时性，在嵌入式控制器中配置了RTOS(Real Time Operation System)实时操作系统、在嵌入式控制器和多轴运动控制器间配置了专门的高速通信的Profibus DP数字通讯总线。其中RTOS实时操作系统提供了高效的实时任务调度、中断管理、系统资源和任务间的通讯等功能，实现了速度控制过程中任务间时序关系、运动时间的精确控制；Profibus DP总线的双向数据通讯中，IndraWorks多轴运动控制器和NI嵌入式控制器之间的数据刷新周期达到2ms。

3.2α自由度的运动控制

在2m超CTS结构设计中，α、β2自由度采用了十字球铰和推拉式的并联结构，通过直线推杆的线位移来产生角度运动，但当β角运动以后，会引起α角的变化。图4给出了不同β角下，α角与直线推杆位移的对应关系，可知β角变动后，同一推杆位移对应着不同的α角。为此，通过采用电子凸轮及虚拟主轴技术，实现了α、β解耦后的同步协调运动。

3.3 CTS试验速度控制方法的实现

鉴于速度控制方法在节省能耗、提高试验效率方面的效果极其明显，但是由于外挂物模型的运动速度不能在试验前确定，导致工程上比较成熟的控制策略难以直接运用到CTS系统中，为此，采用基于时空变换的双闭环速度控制策略，如图5所示，成功实现了CTS试验的速度控制方法。外环建立轨迹精度误差模型，实现求解运动方程时间步长的自适应，并根据CTS系统的运动能力和动态响应特性，通过时空变换动态产生最优的速度变换尺度；内环由多轴运动控制器、驱动器、电机和编码器组成，精确控制六自由度装置的运动速度。

图4 β角对α角的影响Fig.4 Influence of β angle on α angle

图5 双闭环速度控制策略Fig.5 Strategy of double closed-loop velocity control

4 调试结果

4.1 静态调试

在CTS测控系统完成安全连锁、紧急停车和驱动参数优化等调试工作后，使用美国API公司生产的T3-40激光跟踪仪对6自由度装置的静态精度进行了测量，测量结果如表 1所示，可以看出6自由度装置的静态定位精度全部优于设计指标。

表1 六自由度装置静态定位精度Table 1 Accuracy of the six degree-of-freedom device

4.2 自由流调试试验

为了检验CTS测量与6自由度运动控制系统的协调性和可靠性，开展了自由流试验，即外挂物模型在没有母机干扰的自由流场中的测力试验，并将试验结果与该外挂物在1.2m风洞得到的相同试验条件下的试验结果进行比较，对比曲线如图6所示。可以看出，该外挂物的法向力系数、俯仰力矩系数重复性非常好，且与1.2m风洞的试验结果规律一致，吻合较好。说明CTS测量系统与六自由度运动控制系统的协调性、可靠性和稳定性满足试验要求。

图6 自由流试验结果Fig.6 Free flow test results

4.3 轨迹调试试验

为了检验运动方程求解算法和双闭环速度控制方法的正确性，分别使用位置控制方法和速度控制方法进行CTS试验，并与该外挂物在1.2m风洞采用位置控制方法获得的相同马赫数下的轨迹数据进行比较，结果如图7所示。可以看出，所得轨迹变化规律一致、量值接近，仅滚转角γ存在一定差异，这主要是由于该外挂物的滚转力矩Mx测值太小、天平的Mx量程较大以及导弹转动惯量较小等综合因素所致；2m超CTS系统采用位置控制方式或速度控制方式所获得分离轨迹同期重复性精度较高。另外，从CTS系统运行时间以及风洞吹风时间来看，速度控制方式比位置控制方式所用时间更短，更节能。并且从所获得分离轨迹数据来看，速度控制方式所获得的轨迹数据信息量更大，轨迹计算积分误差相对减小，分离轨迹预测更加合理准确。这也说明本文研制的CTS测控系统为速度控制方法提供了性能优异的硬件构架，保证了系统的实时性和协调性。

图7 轨迹试验结果Fig.7 Captive trajectory simulation test results

5 结 论

地面调试和风洞调试试验结果表明，2m×2m超声速风洞CTS测控系统性能稳定可靠，达到了预期研制目标，主要结论如下：

(1) 采用基于实时操作系统的嵌入式控制器和基于SercosIII总线的多轴运动控制器，保证了整个测控系统的高效实时、稳定可靠；为实现CTS试验速度控制方法提供了性能优异的硬件构架；

(2) 配置的2级前置信号调理器增强了天平信号的抗干扰能力，提高了信噪比；

(3) 独立的安全监控系统和完备的安全监控策略确保了试验设备的运行安全；

(4) 由于采用集中控制的多层分步式结构设计，且设备的选购上尽可能使用成熟产品，使该系统具有任务均衡、可靠性高、运行稳定、易维护等优点，是一种具有推广价值的CTS测控系统方案。

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(编辑：杨 娟)

Development of measurement and control system for CTS in 2m×2m supersonic wind tunnel

Li Ping*, Huang Xuhui, Zhou Run, Zhang Zhengyu, Gao Rongzhao

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In order to meet the requirement of Captive Trajectory Simulation tests in 2m-scale supersonic wind tunnel, the CTS facility and the corresponding measurement and control system are developed in the 2m×2m supersonic wind tunnel. In order to realize the closed-loop velocity control mode, a multi-layer distributed structure with a centralized control test technique is selected for the construction of the measurement and control system which must meet the high demands of real-time processing and information interaction tasks. The system consists of three subsystems, namely, the signal measurement and motion equation solver subsystem, the 6-DOF motion control subsystem , and the safety supervising subsystem. The softwares of monitoring and management, data acquisition and trajectory generation, and security monitoring are developed by LabVIEW. The motion control execution software is developed by IndraWorks. The information interaction among subsystems is implemented through TCP/IP, PSP and Profibus DP. The key technical problems such as shock resistance and velocity control are solved. Static accuracy of the 6-DOF rig is measured by T3-40 laser tracker which shows that the positioning accuracy of linear displacementX,YandZachieves 0.021mm, 0.046mm and 0.094mm respectively，the positioning accuracy of angular displacementα,βandγachieves 0.05°,0.047° and 0.022°, respectively. The accuracy is better than that of design index(±0.1mm,±0.1mm,±0.1mm,0.05°,0.05°,0.05°).The debugging and wind tunnel tests show that the system is stable, reliable, and easy to use and maintain; the test results are reasonable, and the data obtained are reliable.

supersonic wind tunnel;measurement and control system;6-DOF rig;velocity control

1672-9897(2015)04-0095-06

10.11729/syltlx20140082

2014-07-18;

2015-04-28

LiP,HuangXH,ZhouR,etal.DevelopmentofmeasurementandcontrolsystemforCTSin2m×2msupersonicwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 95-100. 李 平, 黄叙辉, 周 润, 等. 2m×2m超声速风洞CTS测控系统研制. 实验流体力学, 2015, 29(4): 95-100.

V211.7

A

李 平(1968-)，男，四川眉山人，高级工程师。研究方向：风洞测量、控制及数据处理研究。通信地址：四川省绵阳市中国空气动力研究与发展中心(621000)。E-mail：LP_YL@163.com

*通信作者 E-mail: LP_YL@163.com