【正文】 著祖國航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，各種航天工具的開發(fā)和改進(jìn)，商用和軍用飛機(jī)輪胎的性能要求各不相同。該試驗(yàn)裝置由液壓系統(tǒng)、電氣控制兩部分組成，本文的任務(wù)是完成試驗(yàn)臺(tái)電氣控制部分的研制與調(diào)試。飛機(jī)機(jī)輪徑側(cè)向壓力自動(dòng)檢測系統(tǒng)分析作者：日期：摘要 隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，為了提高飛機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)各種飛機(jī)機(jī)輪進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能測試。因此研制一臺(tái)高性能的全數(shù)字化的徑側(cè)向機(jī)輪試驗(yàn)臺(tái)，并采用先進(jìn)的控制算法具有十分重大的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到了很好的驗(yàn)證，采用PID控制算法通過現(xiàn)場調(diào)試取得了較好的控制效果。這里研制的機(jī)輪徑自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)要求設(shè)計(jì)為能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和全自動(dòng)控制，能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的全自動(dòng)化。各輪胎大公司為了提高自身的市場競爭力，對(duì)輪胎試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)也日益投入大量的研究費(fèi)用。2001年，世界的輪胎制造商荷蘭VMI公司展示了其新開發(fā)的通用輪胎試驗(yàn)機(jī)，該儀器可用于乘用車胎和載重車胎，可進(jìn)行負(fù)荷變形試驗(yàn)、脫圈試驗(yàn)、壓穿試驗(yàn)和接地印痕試驗(yàn)四種輪胎性能測試。2006年日本神戶鋼制所開發(fā)了新型的輪胎均勻性試驗(yàn)機(jī)，可以精確地測試最高速度達(dá)200kph時(shí)輪胎的失衡力[5]。七十年代后期，國內(nèi)某航空公司從英國鄧祿普公司引進(jìn)了一套航空機(jī)輪試驗(yàn)設(shè)備，總投資500萬英鎊，是我國當(dāng)時(shí)唯一一臺(tái)通過國際認(rèn)證，中國民航總局批準(zhǔn)的航空試驗(yàn)設(shè)備，每年承接大量的機(jī)輪試驗(yàn)和檢驗(yàn)任務(wù)。如2000年廣州市橡膠工業(yè)制品研究所研制的雙二位輪胎耐久高速試驗(yàn)機(jī)，2001年天津賽象科技股份有限公司研制的輪胎高速/耐久試驗(yàn)機(jī)，2005年國家輪胎質(zhì)檢中心及廣東汕頭橡塑機(jī)械所聯(lián)合研制的輪胎強(qiáng)度脫圈靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)等。2007年山東玲瓏橡膠有限公司自主研發(fā)了UP2092型輪胎綜合試驗(yàn)機(jī)，可以測試輪胎的縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)、斜角和包覆剛性、壓穿強(qiáng)度、脫圈阻力和踏面印痕等,通過采用輪胎綜合試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剛性和踏面印痕試驗(yàn),可以定量分析輪胎的操控性能和舒適性能,減少輪胎室外性能試驗(yàn)次數(shù)和改進(jìn)輪胎使用性能[7]。現(xiàn)代控制理論在電液控制系統(tǒng)方便也得到了較好的應(yīng)用。目前大多使用模擬控制，即由運(yùn)算放大器和功率電子元件為主組成控制放大電路。此外，電位器的頻繁調(diào)節(jié)對(duì)電位器產(chǎn)生磨損，出現(xiàn)故障非專業(yè)人員難以排查。同模擬控制器相比，它集成系統(tǒng)控制功能于一體，使得閥控系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性和使用維護(hù)的方便性，使得它具有較廣闊的應(yīng)用前景。第3章 是飛機(jī)機(jī)輪徑側(cè)向自動(dòng)化試驗(yàn)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)，介紹了硬件電路如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，介紹了PLC的輸入輸出模塊電路，同時(shí)在考慮基于提高系統(tǒng)安全性、可靠性的方面完成了硬件系統(tǒng)的電磁性兼容性的設(shè)計(jì)。第五章是是現(xiàn)場調(diào)試，介紹了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的，不斷完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)性能。飛機(jī)重力產(chǎn)生的停機(jī)載荷通過軸承的滾棒傳遞給輪轂；在地面滑行時(shí)，主要也承受垂直徑向載荷，由于地面的不絕對(duì)平整，飛機(jī)的上下震動(dòng)的幅度將使垂直徑向載荷大于飛機(jī)的重力。徑(側(cè))向工作臺(tái)置于滾軸上，摩擦力忽略不計(jì)，徑(側(cè))向電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)徑(側(cè))向油泵工作，其油缸的伸縮由換向閥控制。同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)還需完成不同型號(hào)機(jī)輪的破壞性試驗(yàn)，根據(jù)不同型號(hào)機(jī)輪所對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的極限破壞條件，試驗(yàn)臺(tái)在加壓控制上通過對(duì)徑向單獨(dú)的加載，實(shí)際所加載壓力必須超過極限破壞試驗(yàn)的設(shè)定值，同時(shí)為了保護(hù)機(jī)輪不因過大的超調(diào)而超過一定的余量使機(jī)輪損壞，比例溢流閥根據(jù)控制指令立即釋放壓力，徑向電機(jī)帶動(dòng)加壓機(jī)構(gòu)迅速回程，以結(jié)束破壞性試驗(yàn)?？刂圃撘簤合到y(tǒng)的按照動(dòng)作程序動(dòng)作；根據(jù)控制要求控制液壓系統(tǒng)載荷輸出大小。(Industrial Personal Computer，以下簡稱工控機(jī))PC總線工業(yè)控制機(jī)主要用于工業(yè)過程測量、控制和數(shù)據(jù)采集等工作。DCS是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用和發(fā)展而形成的，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和圖形顯示技術(shù)(4C)于一體的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[13]。DCS通過分散系統(tǒng)來分散系統(tǒng)的危險(xiǎn)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，PLC己不僅能實(shí)現(xiàn)繼電器控制所具有的邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制，同時(shí)還具有了執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，對(duì)模擬量進(jìn)行控制等功能[14]。PLC專為在工作環(huán)境比較惡劣的條件下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，PLC采取了一系列措施，在硬件設(shè)計(jì)方面，首先選用優(yōu)質(zhì)器件，再就是采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固、簡化安裝，使它易于抗振動(dòng)沖擊，對(duì)印刷電路板的設(shè)計(jì)、加工及焊接都采取了極為嚴(yán)格的工藝措施，而且在電路、結(jié)構(gòu)以及工藝上采取一些獨(dú)特的方式。2) 編程簡單易學(xué)，使用方便用微機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，常使用匯編語言以及其他高級(jí)語言，要求使用者具有一定水平的計(jì)算機(jī)軟件和軟件知識(shí)。3) 接線簡單、易于安裝在電信號(hào)匹配的情況下，PLC接線只需要將輸入信號(hào)的設(shè)備(按鈕、開關(guān)等)與PLC輸入端子連接；將接受輸出信號(hào)執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件(接觸器、電磁閥等)與PLC輸出端子連接，接線簡單、工作量少。設(shè)計(jì)后的控制系統(tǒng)要求在十年之內(nèi)沒有大的故障。單片機(jī)系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型工業(yè)控制系統(tǒng)。IPC作上位管理機(jī)是可以的，但在工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高的場合，IPC達(dá)不到要求。DCS網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)良的通信子網(wǎng)，但是為了取得網(wǎng)絡(luò)級(jí)的高可靠性，DCS系統(tǒng)普遍對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)采用了1:1冗余措施，這包括通信信道、通信接口的1:1冗余，還包括當(dāng)通信系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障檢測及自動(dòng)切換到備用子網(wǎng)的裝置。同時(shí)PLC在網(wǎng)絡(luò)上的簡化處理并沒使其可靠性低于DCS。簡單網(wǎng)絡(luò)的可靠性總歸比復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可靠性容易保證。 對(duì)于徑側(cè)向機(jī)輪試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。 、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。 實(shí)時(shí)控制輸出:根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的控制命令，適時(shí)地對(duì)液壓系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)控制試驗(yàn)的進(jìn)程。這個(gè)系統(tǒng)為徑側(cè)向機(jī)輪試驗(yàn)臺(tái)提供載荷壓力。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖25所示。，兩個(gè)行程開關(guān)分別發(fā)出信號(hào)，控制各自系統(tǒng)電磁換向閥失電或者停泵，系統(tǒng)處于起始狀況。： 上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需要，自從美國AD 公司推出首款I(lǐng)PCMAC150工控機(jī)以來。，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入。，便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行。除此之外，其三個(gè)模塊化的抽屜式設(shè)計(jì)使S8248VTPT較以前機(jī)型具有更好的可維護(hù)性，開放性好，兼容性好。；，總線的速度和實(shí)時(shí)性高。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，本文對(duì)主要部件做了以下選擇。 CPU 模塊選擇的是 CPU314，因?yàn)?CPU314 比 CPU312具有更快的操作速度，CPU314 的位操作速度是 100ns，這比CPU312 的速度要快一倍，這對(duì)于本試驗(yàn)臺(tái)的壓力實(shí)時(shí)控制是十分有利的。首先是數(shù)字量模塊，數(shù)字量輸入的控制點(diǎn)數(shù)為26個(gè)，數(shù)字量輸入模塊選擇了有32個(gè)輸入點(diǎn)的SM321。模擬量輸入選擇的是SM331模塊，模擬量輸出選擇的是SM332模塊。在自動(dòng)加壓程序的情形下，徑側(cè)向自動(dòng)加壓分成兩種加壓方式，一種是徑向獨(dú)立加壓，另一種是徑側(cè)向聯(lián)合加壓。聯(lián)合加載程序框圖如26所示。系統(tǒng)中被控量是徑側(cè)向的載荷，試驗(yàn)中的載荷通過載荷傳感器、PID控制器以及模擬量輸出模塊構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。然后再進(jìn)入下一級(jí)壓力施加循環(huán)，當(dāng)10級(jí)壓力都完成后，系統(tǒng)自動(dòng)減壓，加壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成回程，完成試驗(yàn)。圖28位移測量子程序框圖對(duì)于每小段的加壓值，采取系統(tǒng)采樣時(shí)間為基準(zhǔn)，每段的上升時(shí)間除以基準(zhǔn)時(shí)間得到每小部分設(shè)定加壓值的增量，從而保證與采樣時(shí)間同步，能更好的滿足實(shí)時(shí)性要求。第三章 徑側(cè)向試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹徑側(cè)向聯(lián)合加壓試驗(yàn)臺(tái)電氣部分的硬件電路，包括主電路，PLC接線電路和各種保護(hù)電路等 電機(jī)控制主電路電機(jī)控制主電路主要負(fù)責(zé)對(duì)徑(側(cè))電機(jī)的啟停狀態(tài)的控制及電機(jī)故障的實(shí)時(shí)報(bào)警功能，這些主要由PLC的數(shù)字模塊的開d關(guān)量來完成。KH1，KH2為熱繼電器，熱繼電器通過利用電流的熱效應(yīng)而動(dòng)作，用來保護(hù)電動(dòng)機(jī)的過載。KA為故障報(bào)警燈，當(dāng)電機(jī)控制出現(xiàn)故障時(shí)在上位機(jī)監(jiān)控畫面顯示。其數(shù)字量及模擬量模塊的電氣圖分別如圖32和33所示。系統(tǒng)的模擬量輸出兩路信號(hào)：徑向載荷輸出；側(cè)向載荷輸出。由于電磁溢流閥必須是電流輸入，所以還必須將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)電磁溢流閥的標(biāo)準(zhǔn)電流。QC1是轉(zhuǎn)換開關(guān)，切換手動(dòng)控制與自動(dòng)控制模式。FU是熔斷器，作為電路短路保護(hù)。 保護(hù)電路與電磁兼容性 保護(hù)電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)中主要做了如下電路保護(hù)設(shè)計(jì)： 在圖34電機(jī)控制主電路圖中，開關(guān)QF1，QF2，QF3，QF4是自動(dòng)空氣開關(guān)，空氣開關(guān)本身具備了短路電流跳閘和欠壓跳閘[21]功能，可以實(shí)現(xiàn)短路電流和欠壓保護(hù)。A、B、C為三相電源，N為零線。COM端口為公共端，Input端口接數(shù)據(jù)采集卡的輸入口。續(xù)流二極管選擇IN4007。因此，EMC 包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指系統(tǒng)對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。通過以上設(shè)計(jì)措施，有效地減少了電磁對(duì)系統(tǒng)的干擾，經(jīng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行表明，電磁兼容性設(shè)計(jì)已把電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響控制在了有效范圍。Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個(gè)具有動(dòng)畫效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程。降低設(shè)計(jì)成本的同時(shí)，提高了執(zhí)行的可靠性和靈活性，所提供的功能均滿足本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。重要的是ControX2000還提供了基于Pascal的腳本函數(shù)。同時(shí)開物2000系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)通過多種硬件連接方式還可以與包括標(biāo)準(zhǔn)串口(用于提供RS232或RS485/422 連接方式的硬件設(shè)備)、調(diào)制解調(diào)器Modem、以太網(wǎng)口（用于提供TCP/IP通訊方式的硬件設(shè)備）在內(nèi)的多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口的通信。當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí)，根據(jù)各點(diǎn)信息判斷故障來源，并通過界面報(bào)警提醒現(xiàn)場操縱者排除故障；，存入數(shù)據(jù)庫，形成實(shí)時(shí)報(bào)警事件顯示和歷史報(bào)警事件顯示。另對(duì)PLC程序參數(shù)設(shè)定值也有此模塊來完成，包括下位機(jī)運(yùn)行初始值的設(shè)定、加載停留時(shí)間設(shè)定、回程保持時(shí)間、過壓保護(hù)設(shè)定值、加壓啟動(dòng)判斷值等。數(shù)據(jù)處理模塊利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算主要性能指標(biāo)，試驗(yàn)成敗結(jié)果和一些數(shù)據(jù)結(jié)果處理值用于報(bào)表生成模塊之用。報(bào)表模塊提供自動(dòng)生成本次試驗(yàn)結(jié)果報(bào)表，同時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)也可以按報(bào)表模式生成，并詳細(xì)記錄每次試驗(yàn)的名稱，試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)人員等等，同時(shí)記錄著所查詢的當(dāng)次載荷試驗(yàn)的壓力曲線圖。打印模塊可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和曲線圖型打印以及各種事件和報(bào)警記錄的實(shí)時(shí)打印。 下位機(jī)PLC控制程序 西門子S7300系列PLC的程序采用模塊結(jié)構(gòu)。表4－1 模塊比較塊功能的簡要描述還可參考組織塊（OB）OB決定用戶程序的機(jī)構(gòu)組織塊和程序結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能能塊（SFB）系統(tǒng)功能（FB）SFB和SFC集成在S7 CPU中可以讓你訪問一些重要的系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能塊（SFB）和系統(tǒng)功能（SFC）功能塊(FB)FB是自帶有“存儲(chǔ)區(qū)域”的塊功能塊（FB）功能（FC）FC中包含經(jīng)常使用的功能的例行程序功能（FC）背景數(shù)據(jù)塊（背景DB）當(dāng)一個(gè)FB/SFB被調(diào)用時(shí)，背景DB與該塊相關(guān)聯(lián)，它們?cè)诜g過程中自動(dòng)完成背景數(shù)據(jù)塊（背景DB）數(shù)據(jù)塊（DB）DB是用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，除了指定給一個(gè)功能塊的數(shù)據(jù)，還可以定義可以被任何塊使用的共享數(shù)據(jù)塊共享數(shù)據(jù)塊（DB） PLC輸入輸出地址分配 PLC系統(tǒng)輸入輸出地址分配如表4－2所示。程序中定義了輸入變量、輸出變量、中間變量[23]。1＃電機(jī)控制程序：自動(dòng)手動(dòng)切換程序：徑載油缸壓下控制程序：系統(tǒng)故障保護(hù)程序： 誤差處理及軟件濾波數(shù)據(jù)采集是通過傳感器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（微弱信號(hào)），再通過放大器將信號(hào)放大，PLC的模擬量輸入模塊將放大器信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換采集。這里采用中位置濾波和平均值濾波相結(jié)合，組成復(fù)合濾波器。中位值濾波程序?qū)崿F(xiàn)如下：平均值濾波原理：算術(shù)平均值濾波法是要按輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi（i=1N）尋找這樣一個(gè)y，使y與各采樣值之間偏差的平方和最小，使 公式（）由一元函數(shù)求極限原理可得 公式（） 這時(shí)。控制器設(shè)計(jì)為PID控制器。給定通過上位機(jī)設(shè)定。在這個(gè)程序中設(shè)置了以下參數(shù)P_SEL（比例作用開關(guān)），I_SEL（積分作用開關(guān)），D_SEL（微分作用開關(guān)），CYCLE（循環(huán)時(shí)間），SP_INT（設(shè)定值），PV_PER，GAIN（增益），TI（積分時(shí)間），TD（微分時(shí)間），DEADB_W（死區(qū)）。在工控機(jī)上安裝CP5611卡的驅(qū)動(dòng)程序，并設(shè)置如下：將驅(qū)動(dòng)程序CP5611(Plugamp。在標(biāo)簽中定義了I/0標(biāo)簽，用于和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。標(biāo)簽地址中省略ID時(shí)，開物2000系統(tǒng)默認(rèn)為是所連接的最小模塊地址?？梢允鞘M(jìn)制或者八進(jìn)制或者十六進(jìn)制表示形式，位數(shù)不限。，標(biāo)簽將不被承認(rèn)，讀不上數(shù)據(jù)。模擬量標(biāo)簽在系統(tǒng)中設(shè)置的刷新周期為500ms，均為只讀。第五章 現(xiàn)場調(diào)試在試驗(yàn)中完成了徑側(cè)向機(jī)輪試驗(yàn)臺(tái)的硬件和軟件設(shè)計(jì)以及仿真后，便來到了現(xiàn)場，進(jìn)行了通電測試。4. 測試上位機(jī)的自動(dòng)載荷給定程序是否正確，并修改錯(cuò)誤。若通訊不正確，檢查通訊電纜是否接正確、通訊電纜是否正確:8. 手動(dòng)控制狀態(tài)調(diào)試:1)通訊測試正確后，將監(jiān)控系統(tǒng)中“控制方式”按鈕置于“手動(dòng)加壓”，加載模式選擇“聯(lián)合加壓氣2)點(diǎn)擊“Ml啟動(dòng)”按鈕，觀察M322模塊的相應(yīng)輸出口指示燈是否亮。亮則監(jiān)控系統(tǒng)和PLC程序正確。5)點(diǎn)擊“徑載停止”，觀察相應(yīng)輸出口指示