FL-51风洞飞行器地面效应试验控制系统设计

多 勐

（中国航空工业空气动力研究院，黑龙江 哈尔滨 150001）

风洞地面效应试验是飞机研制中必须进行的试验项目之一，在风洞中用地板模拟地面，并通过调节地板与模型间的距离来模拟飞机近地面不同高度时地面对飞机气动特性的影响。风洞地面效应试验是国内外进行地效研究和测量的主要手段，目前风洞地面效应试验主要有固定地板模拟试验、固定地板吸除边界层模拟试验和移动地板模拟试验。FL-51风洞地面效应试验主要以固定地板模拟试验为主，系统控制的难点主要是地板升降时多轴同步的控制以及地板与模型之间的随动控制，保证地板不出现扭别和碰撞模型的安全事故。

整个系统采用以CAN总线为基础的分布式伺服控制方式，该控制系统成功地应用于地面效应试验中，试验结果表明该系统控制精度高、运行稳定、扩展性强，能够满足设计指标。

1 系统组成及原理

FL-51风洞飞行器地面效应控制系统各子系统既可以独立运行，又可以通过网络相互联系协调工作，这样可以将故障的影响降到最小，系统安全可靠，操作灵活，维修方便，也易于系统扩展和更新，地面效应控制系统结构图如图1所示。

图1 控制系统结构图

根据风洞地面效应试验的实际需求，整个控制系统分为尾撑控制和升降地板控制2个部分。各子系统管理计算机通过以太网分别与主控机进行数据和指令的交换，这种方式有利于保证整个系统设计的独立性、扩展性和可维护性，提高实验效率。

2 控制系统设计

2.1 CAN总线设计

FL-51风洞地面效应实验中主要需要控制2个子系统，各控制子系统分布在试验区域的不同地点，有些设备为经常需要更换的移动部件。同时，系统的设计还需考虑今后多个子系统能够扩展和兼容的问题。基于以上需求，CAN总线分布式管理的控制思想是解决风洞现场问题的最佳选择。CAN总线是多主方式的串行总线，报文自动过滤重发，具有极低的误码率和高通信速率等特性，在各种低成本、高抗干扰的多机远程控制中得到广泛应用，所以在中大型风洞建设中有其突出的优势[2]。

现场总线系统接线十分简单，可采用CAN总线通信专用电缆进行现场各设备的级联，目前可驱动节点数量为110个，大大减少了现场布线的工作量[3]。FL-51风洞在未来规划中还将拥有多套设备，由于CAN是标准化总线技术，新设备可在原有的电缆基础上继续连接。不需要重新设计，可以大大减少安装的工作量。通过以上比较不难看出，基于CAN总线的控制方式非常适合FL-51风洞。对于风洞试验来说，CAN总线能够协调各子系统并行工作，考虑其与整个风洞测控系统的兼容性，在伺服控制上位机端，我们选用的是NI公司生产的具有高性价比的智能CANopen（一种架构在控制局域网路上的高层通信协定）总线通信适配卡，它具备完善的CAN总线驱动函数，使软、硬件之间通信更方便。

2.2 伺服控制系统设计

2.2.1 伺服控制系统硬件设计

FL-51风洞地面效应试验的特点是控制地板升降的4组电缸需同步升降运行，要求在伺服驱动系统的选型上以小型化、高能效、远程控制和同步功能为主，同时在系统功能上要满足高动态响应、高精度、开放式设计的要求，结合升降地板系统和尾撑系统的力矩载荷匹配合适的伺服驱动器。伦茨9400系列伺服驱动器是智能型控制器，适用于集中或分布式控制，可以实现地板的同步及尾撑机构角度控制。系统由滤波电源模块、9400HighLine驱动器、POWERLINK通信模块、安全模块、存储模块MM330及制动电阻组成。升降地板和尾撑机构伺服系统现场安装如图2和图3所示。

图2 升降地板伺服控制器现场安装图

图3 尾撑机构伺服控制器现场安装图

2.2.2 伺服控制器功能模块与基于CAN总线的数据通道

9400系列伺服驱动器具有丰富的内部功能模块库，如常见的布尔逻辑功能模块、通信接口模块、速度跟随模块、信号类型转换模块、斜坡发生器模块以及位置功能模块等。用户利用这些功能可以任意配置控制系统所需要的参数。

为了实现基于CAN总线的应用，9400系列伺服驱动器的Engineer软件提供了专门的CAN总线功能模块组CAN-IN与CAN-OUT，作为过程数据通道进行数据的传输。

CAN总线是面向消息的总线系统，每一个消息都有明确标识符，使用CANopen面向每一个控制器的节点传输数据是通过每个消息帧都只有一个发送者的对应方式来实现的[4]。标识符由基础标识符和控制器节点地址构成，伦茨伺服控制器节点之间是通过CAN总线报文进行数据通信，CAN总线的数据报文范围包括过程数据和参数数据。

过程数据的特点是数据通过过程通道进行传输，上位机可以直接访问过程数据。例如，在PLC中数据是直接分配到I/O区域，数据必须在主机和控制器之间尽可能快地交换才能到达直接分配的目的。少量的数据可以循环传输，而过程数据不保存在控制器中，过程数据在主机和控制器之间传输，以确保当前输入和输出数据的连续交换。

伦茨的参数数据就是所谓的代码参数的设置。例如，在调试初期系统的初始设置时，参数数据通过参数数据通道进行传输，发送方需得到关于传输成功与否的确认。参数通道允许访问所有伦茨代码和CANopen函数，参数的更改会自动存在控制器中，一般来说，参数传递时间不是最为关键的步骤，不需要实时传递。

2.2.3 POWERLINK总线同步设置

在升降地板四轴同步控制中需要在POWERLINK同步功能模块中进行设置。POWERLINK是支持标准以太网的实时协议，该协议确保能以可配置的响应时间在很短的周期内传输时间关键型数据。POWERLINK支持1588分布式时钟协议，每个循环周期的开始，主站都会广播一个包含网络时间信息的SOC数据帧到网络上，而SOC帧另外具备两种功能，时钟同步功能和动作动能。利用网络时间来同步网络中所有设备的分布式时钟，让网络上所有的设备有一个共同的基准，POWERLINK主站MN在每一个循环周期内将soC数据帧广播到网络上，网络上所有节点可以将这个时间作为统一的网络时间。设置好IP地址和通信端口等参数后，在POWERLINK模块上将DIP开关地址拨动到与Engineer软件中设定值一致。设定第一轴控制器为主轴控制器，安装POWERLINK MN型总线模块，其IP地址为240。其他2轴、3轴、4轴为随动从轴，安装POWERLINKCN型总线模块，IP地址分别为1、2、3。用RJ45型网线将模块上的网口级联上，当各轴模块通信正常上模块上BS指示灯为常绿状态，各轴同步状态调整完成。

3 试验技术研究

在正式做地面效应型号试验之前，首先要进行带地板的标模试验。通过对实验数据的分析来验证地面效应系统各项设计是否达到指标。将模型用腹撑机构安装在试验段内，如图4所示。在恒定的动压下改变模型的迎角α或侧滑角β，用天平测量作用于模型上的气动力及力矩。

该次地效试验测试所用的标模为常规布局的飞机模型，即由机身、机翼、平尾和垂尾组成，这种常规布局的飞机在起飞与着陆过程中做近地面飞行时，绕机翼与绕水平尾翼的流动因受地面存在的影响而改变了流动状态，使下洗流减小，有效迎角增大，结果使机翼与水平尾翼的升力增大，试验状态为不带地板与带地板比较试验。

图4 带地板模型安装图

图5 风速70 m时标模纵向试验升力曲线图

3.1 角度范围

迎角α（-6°～20°），侧滑角β（-16°～16°）。

3.2 地板高度

距模型水线：H=881 mm，H=300 mm。

3.3 支撑方式

腹撑单支杆支撑。

3.4 风速

V=70 m/s。

地效标模的纵向试验共包括3种状态：无地板状态、地板距模型水线881 mm及地板距模型水线300 mm，试验结果表明随着地板距模型水线高度的减小，模型零迎角升力系数增大，升力线斜率增大，如图5所示，诱导阻力减小，纵向静安定度增大。试验数据符合地效对飞机的影响规律。

4 结语

该项目对地面效应试验的控制系统进行了测试，之后又通过标模试验验证了系统的有效性。从项目测试结果来看，地面效应试验控制系统的设计指标均达到要求。系统控制精度高、运行稳定、扩展性强，POWERLINK以太网总线的多轴同步控制功能处于国内领先水平。