基于LabWindows／CVI的舵机负载模拟系统设计

地面半物理仿真试验是飞机设计与研制过程中不可或缺的一个环节，用于在地面环境对飞机的工作状态进行模拟，以验证飞机的各项性能是否满足设计需要，该环节对保障飞机的安全性与可靠性具有重要意义。

舵机是飞机自动驾驶仪或飞机增稳系统中的执行机构，属于飞机的关键部件。在飞机地面半物理仿真试验中，需要在地面环境中模拟舵机在全飞行剖面中所受到的气动载荷，进而为整机提供与实际飞行相近似的工作状态，以检验舵机及其他部、组件的性能，并为全机研制、改进与改型提供重要参考依据。

因此，舵机负载模拟是地面半实物仿真试验中不可缺少的重要技术环节。在试验过程中，舵机负载模拟系统需要对负载模拟器进行控制，根据给定的载荷谱为舵机施加相应的载荷。由于在飞机飞行过程中，各个环境参数不断变化，所以舵机负载模拟系统具有载荷类型复杂且变化快等特点，控制难度较大。文中采用上、下位机的分布式结构方案，基于LabWindow/CVI开发环境设计了负载模拟系统控制软件，对多个通道的舵机载荷进行实时模拟，保证了地面模拟试验的真实性与准确性。

1系统硬件设计

1.1系统结构原理

负载模拟系统由加载作动筒、电液伺服阀、控制器与传感器等组成。其中伺服阀与加载作动筒为舵机作动器施加额定负载；拉压力传感器为负载模拟系统提供反馈信号，完成闭环控制；位移传感器用于超差检测和故障判断并为系统提供补偿。单通道负载模拟系统结构如图1所示。

图1 单通道负载模拟系统结构图

整个试验平台中共有5个舵机，所以系统共需要五个负载模拟通道。为了达到最佳控制效果，系统采用上、下位机的分布式控制系统结构。其中上位机用于完成人机接口和协调管理等功能。由于系统中有四个负载模拟通道间存在一定耦合，故采用1#下位机对这四个通道进行协调控制；另一个负载模拟通道的负载频率较高，为保证控制精度，采用2#下位机单独进行控制。整个舵机负载模拟系统的硬件系统结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

1.2系统电气连接

系统电气部分的前向通道负责将现场的信号实时采集处理并传回工控机。每个通道包含一个拉压力传感器和一个位移传感器，全部四个通道共计8路反馈信号。反馈信号在现场端通过幅值放大与零位调整后由电缆传输至电气柜的信号调理板，经阻抗隔离和滤波后输入到相应下位机的A/D转换卡，并在工控机中完成相应的数据运算与处理。

系统电气部分的后向通道负责将工控机的控制信号传送至现场的执行机构。每个通道包含一个舵机指令信号、一个加载伺服阀指令信号和一个用于对系统进行保护的开关信号，全部四个通道共计12路控制信号。控制信号从工控机的D/A转换卡或DO接口卡输出，通过功率放大后输送至现场的执行机构处，完成现场机构的控制。

由于系统采用上、下位机分布式结构，为了实现上、下位机之间的通讯，采用了基于RS-485通讯方式的异步并行通讯卡。该通讯卡基于ISA总线，以两块为一组，配合完成通讯。同组的两块板卡使用CBL-M25M9x2数据通讯线进行连接。

2系统软件设计

控制软件系统采用NI公司的专业开发平台LabWindows/CVI进行开发。该平台是工业控制、测试元件开发的专业平台，具有界面简洁、友好，能较好地模拟工业控制仪器与环境等突出特点，其强大的图形用户界面交互编辑功能与丰富的函数库及网络通信模块使其特别适合工业控制系统软件的开发。

控制软件系统分为两大部分：上位机监控及人机对话软件和下位机数据采集与控制软件。为了提高软件的可靠性、保证软件功能的灵活性并满足软件系统的易用性、可扩展性等要求，系统软件采用模块化设计，通过不同的模块来完成软件系统的各个功能。

上位机软件不负责负载模拟过程中载荷的控制，而只承担监测、协调与管理下位机的作用。上位机软件系统包括监控模块、系统设置模块、通讯模块和数据处理模块等组成部分。其主要的功能包括：

1）GUI界面的人机对话接口；

2）试验进程的监测与报警处理；

3）对下位机状态的控制与管理；

4）控制参数的设置；

5）载荷谱、运动谱的设置；

6）系统输入输出通道的标定与自检；

7）试验数据的保存处理与报表输出。

下位机负责试验中对舵机以及负载模拟系统的控制。下位机软件主要包括初始化模块、试验控制模块、通讯模块和状态监测模块等组成部分。其具体功能包括：

1）现场信号的数据采集；

2）控制决策与运算；

3）输出控制；

4）载荷数据的上传。

上、下位机软件之间的数据通信通过高速数据通讯卡完成。数据通讯卡采用全双工模式，通讯内容包括：上位机下传至下位机的启动、停止、自检等指令以及控制参数、载荷谱和运动谱参数等信息；下位机上传至上位机的用于实时显示和保存的现场数据等信息。所用的通讯过程均按照约定的通讯协议完成。

当软件程序开始运行时，系统会首先对各个系统参数以及板卡端口进行初始化。工作人员可以通过上位机软件程序提供的人机交互界面进行传感器标定、控制参数设定、试验任务选择等操作。当开始试验后，上位机会通过通讯模块将控制参数与指令下传给上位机，并同时建立数据显示线程与数据保存线程，将下位机上传的实时数据以动态曲线的形式显示在终端显示器并保存于存储介质中，以方便工作人员实时监测或日后调用。舵机负载模拟系统的整个闭环控制均在相应下位机中完成，其过程包括接收上位机控制参数及指令，对现场数据进行实时采集并做超差检验，完成控制器计算及输出和向上位机上传实时数据等步骤。软件系统工作流程图如图3所示。