基于LABVIEW和STEP7的典型惯性模拟负载控制系统的设计和实现

刘朝勇

(中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210)

基于LABVIEW和STEP7的典型惯性模拟负载控制系统的设计和实现

刘朝勇

(中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210)

基于LABVIEW和STEP7软件，设计并实现了用于模拟飞机典型惯性模拟负载控制系统。该统具有优异的电功率输出和调节能力，良好的人机交互功能和保护功能，能较好的满足民用飞机电气系统的试验需求。基于LABVIEW和STEP7的直流调速系统的成功实现，不仅保障了民用飞机电气系统设计验证工作，而且还积累了民用飞机电气系统试验配套设施研制经验，对民用飞机电气系统试验具有重要的指导意义。

典型惯性负载；负载调节；控制系统；LABVIEW；STEP7

0 引 言

为节省经费、缩短研制周期和试验安全[3]等角度出发，依据电气特性等效原则对这些典型的惯性负载进行模拟等效是试验室行之有效的重要方法。

本文基于LABVIEW和STEP7软件针对典型惯性模拟负载建构了安全可靠，快速响应、高调节精度并具有保护功能的控制系统。该控制系统的成功实现，为民用飞机电气系统设计验证提供了有力保障。

1 硬件组成

按试验需求，搭建的惯性负载自动系统主要操控计算机、西门子S7-400型可编程控制器(PLC)和惯性模拟负载等硬件组成[4]，如图1所示。

图1 惯性负载自动控制系统框图

其中S7-400型 PLC采用模块化无风扇设计，适用于可靠性要求极高的大型复杂控制系统。该控制系统按模块化结构配置所需模块，便于实现远距离对多个用户进行控制[5]。

本文采用LABVIEW和STEP7软件对3个功能相似、结构相似的惯性模拟负载(分别模拟1台燃油超控泵和2台燃油增压泵)的控制系统进行设计和实现。

2 设计分析

基于LABVIEW和STEP7的典型惯性负载自动控制系统核心功能为保证3套惯性模拟负载能够稳定的按试验要求安全的输出电功率。为保证输出功率的稳定性和可靠性，该控制系统还应具有良好的人机交互功能和必要的保护功能。

2.1 功率调节设计

按电路理论基础[6]可知，电压和电流的相位差也叫功率因数角(阻抗角)，用φ表示，即:

“三天后，胡人走了，藏匿的人纷纷走出来。就在他们以为逃过一劫的时候，打了败仗的宁军，和一些难民，竟结成一伙，所过之处，劫掠一空，遇到反抗的，就杀，看见有姿色的妇人，就抢，老百姓手里仅剩的一块布、半斗米，也被搜走了。胡人刚走，强盗又来，真是前梳后篦，惨绝人寰。”

u(t)=Ucos(ωt+φu)

(1)

i(t)=Icos(ωt+φi)

(2)

φ=(ωt+φu)-(ωt+φi)=φu-φi

(3)

通常将电压和电流有效值的乘积定义为视在功率，用S表示，即:

S=UI

(4)

将电压和电流的阻抗角的正弦值与视在功率的乘积定义为无功功率，用Q表示，即:

Q=UIsinφ

(5)

将电压与电流的阻抗角的余弦值与视在功率的乘积定义为有功功率，用P表示，即:

P=UIcosφ

(6)

将电压与电流的阻抗角的余弦值定义为功率因数，用λ表示，即:

λ=cosφ

(7)

当φ>0，对应的负载称为感性负载(功率因数滞后)，当φ=0，对应的负载称为阻性负载，当φ<0，对应的负载称为容性负载(功率因数超前)。

工程上，泵类负载一般都是感性负载。依据上式(3)～(7)可知，通过调节负载中的阻性负载和感性负载的比例，可以达到改变输出功率因数的效果。

本文中，惯性模拟负载的功率因数范围为0.2(滞后)～1.0，用于模拟燃油超控泵的功率范围为3 kVA～35 kVA，用于模拟燃油增压泵的模拟负载功率范围为4 kVA～40 kVA。这两类模拟负载都可以模拟燃油超控泵和增压泵起动冲击特性(起动瞬间冲击电流不超过额定电流的5倍)。

为了保证输出电功率的稳定性，该系统对负载调节采用了开环调节和闭环跟随调节的方式对输出电功率进行校正。

2.2 操作界面设计

根据使用要求，操作者需要在操作界面中对需要模拟的设备进行分类操作，主要操作包括设定功率输出条件(输出功率类型、功率因数、功率大小)、负载风机开关、加载调节方式、卸载等操作。其中，功率输出条件操作采用输入框和复选框方式实现，其他功能均采用按钮方式实现。

3 软件实现

本文的惯性模拟负载控制软件主要由操作界面和负载调节功能组成。操作界面由LABVIEW实现，惯性模拟负载调节功能则采用西门子的STEP7软件完成。

3.1 操作界面

根据试验需求，本文采用LABVIEW软件编制了惯性模拟负载控制系统操作界面，如图2所示。选中的按钮功能以亮色按钮进行指示(未选择的以暗色指示)。

图2 惯性模拟负载控制系统

3.2 负载调节功能实现

以模拟增压泵模拟调节为例，增压泵模拟总功率输出控制通过图3所示的5个程序段实现：

(1)增压泵模拟电阻风机控制：用于控制电阻负载的冷却风机；

(2)增压泵模拟电感风机控制：用于控制电感负载的冷却风机；

(3)增压泵模拟总功率输出控制：用于总负载的功率输出；

(4)增压泵模拟电阻负载控制：用于根据设定的功率输出要求调节电阻负载；

(5)增压泵模拟电感负载控制：用于根据设定的功率输出要求调节电感负载。

4 运行实例

为满足试验需求，在地面电源供电[7]条件下对惯性模拟负载的自动控制系统进行了考核运行(以功率因数为0.30(滞后)～0.75(滞后)、额定电功率为1.0 kVA～7.0 kVA(最大冲击功率可达35 kVA)的调节目标，功率因数调节精度为±0.03，功率调节精度为±0.1 kVA)，考核结果如表1所示。

表1 测试记录

从表1可以看出，功率因数的最大输出误差为0.02，功率输出的最大误差为-0.07 kVA，均能较好的满足要求。

运行中，为验证该控制系统的保护功能，通过断开风机(点击图2的停止风机按钮)来设置负载输出故障时，该系统立刻采取了卸载(终止输出)的方式进行保护。

5 结束语

上述的运行验证表明，本文实现的典型惯性模拟负载控制系统不仅能满足功率输出稳定输出的要求，而且还具有可靠的状态监控显示功能、保护功能以及良好的人机界面功能。

基于LABVIEW和STEP7的典型惯性模拟负载控制系统的成功实现，不仅有力的保障了民用飞机电气系统试验室试验的模拟功率输出，而且积累了民用飞机电气系统试验设备研制的宝贵经验，提升了国内民用飞机电气系统的试验能力。

[1] 秦海鸿,严仰光.多电飞机的电气系统 [M].北京:北京航空航天大学出版社,2016.

[2] DEPARTMENT OF DEFENSE,USA.MIL-STD-704F,AIRCRAFT ELECTRIC POWER CHARACTERISTICS [S].New Jersey: Naval Air Systems Command,2004.

[3] Society of AutomotiveEngineers (SAE) Aerospace.4754A,(R) Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S].Pennsylvania:SAE,2010:12.

[4] 刘朝勇.基于WINCC6.0和STEP7的直流调速系统的设计和实现[J].电气自动化,2012,34(4):39.

[5] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6] 潘双来，刑丽东，龚余才.电路理论基础[M].2版.北京:清华大学出版社,2007.

[7] 满毅,王宏霞,孙良，等.HB 8432-2014 民用飞机地面电源供电特性要求[S].北京:中华人民共和国工业和信息化部,2014.

Design and Realization of a Control System for the Typical Inertia Simulation Load Based on LABVIEW and STEP 7

Liu Chaoyong

(Shanghai Aircraft Design & Research Institute, COMAC, Shanghai 201210, China)

A control system for typical aircraft inertia simulation load is designed and implemented on the basis of Labview and Step 7. This control system with its excellent electrical power output and regulation as well as good human-computer interaction and protection, can meet the demand on the test of electrical systems in civil aircraft. Successful implementation of the DC speed regulation system based on Labview and Step 7 does not only guarantee design verification of electrical power systems of civil aircraft, but also help accumulate experiences in the R & D of supporting facilities for the test of electrical systems in civil aircraft, thus having important guiding significance for such tests.

typical inertia load； load regulation； control system； Labview；Step 7

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.029

TP276

A

1000-3886(2017)04-0098-03

定稿日期: 2017-03-07

刘朝勇(1977-)，男，湖北武穴人，高级工程师；专业：民用飞机电气系统试验研究。