1、飞机机轮径侧向压力自动检测系统 I 飞机机轮径侧向压力自动检测系统 摘要 随着航天事业的快速发展，为了提高飞机的运行稳定性和安全性，需要对各种飞机机轮进行静态力学性能测试。以验证机轮在最大静载荷和最大限制载荷下的承受能力。目前国内现有的两台径侧向机轮试验台都研制于二十世纪七十年代，绝大部分的仪器仪表都是模拟的，不方便控制和观测，且载荷试验都必须手动完成，已经不能够满足当前对飞机机轮进行的静态力学载荷性能试验的要求了。因此研制一台高性能的全数字化的径侧向机轮试验台，并采用先进的控制算法具有十分重大的意义。 该试验装置由液压系统、电气控制 两部分组成，本文的任务是完成试验台电气控制部分的研制与调试
2、。 本文就该试验台的电气控制部分的系统设计、硬件选型、硬件电路实现、软件设计做出了详细介绍。 最后进行了系统的实验室调试，将系统不断完善、 本文的重点是介绍系统的硬件设计和软件设计，对系统的软件、硬件做了详细的 阐述 。 在实际应用中， 系统的可靠性和稳定性得到了很好的验证，采用 PID控制算法通过现场调试取得了较好的控制效果。 关键词 机轮径侧向，工控机， 可编程逻辑控制器 ， 组态软件， PID 控制II ABSTRACT With the development of the space technique, we need to test a variety of airplane t
3、yres for static mechanics performance for enhancing the stability and security of the airplane.While desining the new airplane tyre ,the test of the sid direction of the foot-path must be carried out in order to prove the adaptability of the airplane tyre under the greatest quiet load and the greate
4、st restriction load. Since the two century china in the 1970s ,most of the apparatus are analog apparatus,which are made the control and observing testing inconvenient. Thus developed a high-performance combined radial and side load test machine has great significance. The observing and controlling
5、platform is composed by the hydraulic pressure system and electrical air.The task of this text is to finish studying and debugging the part of laboratory bench. This test presents the systematic design, selcecting hardware type,realizing hardware circuit and designing software of electric control sy
6、stems in details.Finally carriy on the systematic laboratory and systematic debugging on the spot. The focal point of the text is the design of the systematic hardware and software. The article addresses the systems software and hardware in details. In the practical test, systems reliability and sta
7、bility has been proved .Control algorithms based on PID control through the debugging pressure control achieved good results. KEYWORDS the aircraft wheels radial and lateral direction, industrial controlling computer, the programmed logic controller, configuration software， PID controlI 目录 第一章 绪论 .
8、1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 . 1 1.2.2 国内研究现状 . 2 1.3 主要研究的问题及论文结构概述 . 4 1.4 论文章节安排 . 4 第二章 系统总体设计 . 6 2.1 系统原理和结构说明 . 6 2.2 系统控制要求 . 7 2.3 径侧向自动化台的总体设计方案 . 9 2.4 径侧向自动化试验装置控制系统硬件设计 . 13 2.4.1 试验台本体和液压系统设计 . 13 2.4.2 控制系统硬件选型 . 15 2.5 软件总体方案设计 . 18 第三章 径侧向试验台计算机控制系统硬件设计 . 24 3.1 电机控制主
9、电路 . 24 3.2 I/O 模块设计 . 25 3.3 比例溢流阀设计 . 26 3.4 保护电路与电磁兼容性 . 27 3.4.1 保护电路设计 . 27 3.4.2 电磁兼容性 . 28 第四章 系统软件设计 . 30 4.1 上位机软件设计 . 30 4.1.1 组态软件设计 . 30 4.1.2 上位机软件各功能模块设计 . 32 4.2 下位机 PLC 控制程序 . 35 4.2.1 PLC 输入输出地址分配 . 35 4.2.2 液压系统径侧向动作控制程序 . 37 4.2.3 误差处理及软件滤波 . 40 4.2.4 PID 控制程序 . 44 4.3 工控机与 PLC 的通
10、讯软件设计 . 46 II 第五章 现场调试 . 50 5.1 调试内容与步骤 . 50 5.2 调试结果 . 51 第六章 结束语 . 54 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 57 飞机机轮径 -侧向自 动化试验装置 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 随着祖国航空航天事业的迅猛发展，各种航天工具的开发和改进，商用和军用飞机轮胎的性能要求各不相同。为了保证飞机飞行安全，对各种飞机机轮的性能测试是十分必要的。再设计新型航空机轮时，为了验证机轮的静态力学性能测试需要对机轮进行径 侧向联合载荷测试，传统的模拟测量方式，不便于控制和观察，因此需要研发一套高性能的全数字化的径
11、 侧向自动化实验装置。 这里研制的机轮径自动化实验台要求设计为能实现手动和全自动控制，能 实现实验过程的全自动化。该实验台采用 工业控制计算机的应用和嵌入式控制系统控制技术，属于全数字化自动测控台 1；能实现实验过程的全自动化，减轻了操作人员复杂的操作，减少了在人为操作控制因素下对测试精度的影响；加载曲线的实时显示和打印，实现了系统的实时监控，使实验过程更加安全可靠。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外轮胎制造业起步较早，各种轮胎试验机的研发也得到了飞速发展，对航空机轮的的研发随着航空技术的不断提升也在不断提升公司所自有的机轮力学性能测试试验台。随着控制技术的飞速发展，试验
12、台的 各性能指标也得到了很大的提高。各轮胎大公司为了提高自身的市场竞争力，对轮胎试验机的研发也日益投入大量的研究费用。从机械试验机到模拟系统到自动控制系统的轮胎试验机，不断提高自动化测试水平，而且测试性能及各方面指标都有极大提高。近年来，国际上不断涌现许多新型的高性能、多功能的轮胎试验机。 1999 年，德国 Beissbarth 公司开发了一种称作 MTT2100 微型轮胎试验机的新型轮胎试验装置，该试验机通过软件对所得信息进行对比和解释，以图像显示结果，飞机机轮径 -侧向自 动化试验装置 第一章 绪论 2 可以在线分析轮胎性能 2。 2001 年， 世界的轮胎制造商荷兰 VMI 公司展示了
13、其新开发的通用轮胎试验机，该仪器可用于乘用车胎和载重车胎，可进行负荷变形试验、脱圈试验、压穿试验和接地印痕试验四种轮胎性能测试。附加测试包括胎面接地面比例、负荷下胎面花纹动态性能测试等。集 4 种测试于一机，可大大节省接地面积和投资 3。 2003 年 2 月，日本普利斯通公司在东京的技术中心安装了一台世界上最大的汽车轮胎试验机 MTS 模拟路面动态系统，该试验机在速度、垂直输入、侧向力和扭矩等方面的测试指标均胜过其他汽车轮胎试验机，并可评价轮胎在拐弯、刹车时的特性以及高速和大负载下的加速度 4。 2006 年日本神户钢制所开发了新型的轮胎均匀性试验机，可以精确地测试最高速度 达 200kph
14、 时轮胎的失衡力 5。 近两年来，在世界轮胎公司 75 强中， “ 米其林 ” 、 “ 普利司通 ” 、 “ 固特异 ” 占有相当大的市场，且负责各航空公司航空机轮的生产和检测，其轮胎试验机的自动化水平和测试性能指标都处于世界领先地位。 1.2.2 国内研究现状 我国轮胎业的发展起步比较晚，虽然生产厂家已发展到了 400 多家，轮胎生产量已排名世界第一位，但因我国 轮胎 的总体档次比较低，路况比较差，因此，对于轮胎的发展没有起到促进作用，因此很多轮胎厂家的 生产技术还停留在六七十年代的水平。与各工业发达国家相比 ,我国在航空机轮的试验和检验方面基本上是空白 ,差距很大。七十年代后期，国内某航空
15、公司从英国邓禄普公司引进了一套航空机轮试验设备，总投资 500 万英镑，是我国 当时 唯一一台通过国际认证，中国民航总局批准的航空试验设备，每年承接大量的机轮试验和检验任务。近几年，随着航空技术的发展和我国高速路的发展，促进了我国轮胎业的发展，目前已有几个厂家引进了国外的先进设备，且相应的各类型轮胎试验机也相继面向市场，但普遍存在测试性能不高，自动化水平落后的现象。各研发单位生产的轮 胎试验机也大都面向汽车轮胎测试的方向，对航空机轮的各性能测试主要依靠国外进口设备，严重影响了国内对航空机轮的研发进度和生产制造水平。 近年来，我国在轮胎试验机的设计和研究方面也有了一定的进展，出现了多家自行研制和
16、开发轮胎试验机的单位和企业，开发出多种类型的轮胎试验机。 飞机机轮径 -侧向自 动化试验装置 第一章 绪论 3 如 2000 年广州市橡胶工业制品研究所研制的双二位轮胎耐久高速试验机， 2001年天津赛象科技股份有限公司研制的轮胎高速 /耐久试验机， 2005 年国家轮胎质检中心及广东汕头橡塑机械所联合研制的轮胎强度脱圈静负荷试验机等。 2001 年国家标准管理委员 会发表了轮胎动平衡试验的相关标准 6。 2003 年台湾华中橡胶测试公司自研发了轮胎综合试验机，测试功能包括轮胎破坏能试验、胎唇抗脱座试验、纵向刚性系数试验、横向刚性系数试验、印痕试验、与胎面接地压力分布分析等，现已开发了第三代产
17、品。 2004 年北京航空制造工程研究所自主开发了全自动充气式轮胎动平衡试验机，并采用了西门子 Simatic WinAC、数据库等先进技术。 2007 年山东玲珑橡胶有限公司自主研发了 UP-2092 型轮胎综合试验机，可以测试轮胎的纵向、横向、扭转、斜角和包覆刚性 、 压穿强度 、 脱圈阻力和踏 面印痕等 ,通过采用轮胎综合试验机进行刚性和踏面印痕试验 ,可以定量分析轮胎的操控性能和舒适性 能 ,减少轮胎室外性能试验次数和改进轮胎使用性能 7。 如今国内以引进技术等形式建立了大型轮胎试验场，可对各种不同类型的轮胎从性能方面进行综合测试，现国内技术比较领先的是天津久荣公司所建立的综合试验场，
18、可完成包括强度测试、耐久测试等 16 项不同性能方面的测试 8，同时也承担了制定国家轮胎测试标准的任务。 同时，国内电液控制技术方面 9也已经开始由模拟仪表向数字化发展，液压技术同电子技术、控制技术的结合日益紧密，从而使 电液元件和系统的性能有了质的飞跃，加强了市场竞争力，为液压工业的发展开辟了广阔的天地。相应地，这也给产品的开发和使用带来了新的挑战。 现代控制理论在电液控制系统方便也得到了较好的应用。电液控制系统属于本质非线性和不确定性系统，如电液伺服阀的压力 流量特性、液压动力机构 (如非对称缸 )的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性；而不确定性因素则包括外来干扰力、温度变化、油源压
19、力和流量脉动等。为了提高电液控制系统的精确性和适用性，几十年来，随着现代控制理论的不断发展，报道电液控制系统采用现代控制理论的文献层出不穷 ，而且均取得了良好的效果。 轮胎试验机液压伺服控制系统是轮胎试验机的关键部分。目前大多使用模拟控制，即由运算放大器和功率电子元件为主组成控制放大电路。由于模拟器件的分散性和组成电路的特点，其控制功能简单，难以适应各种需要场合，并且存在明显的飞机机轮径 -侧向自 动化试验装置 第一章 绪论 4 温度漂移和零点漂移。参数设定需用电位器调节，且调节结果不易被复制或记录。出厂时设定好的参数一旦改变就不易恢复。此外，电位器的频繁调节对电位器产生磨损，出现故障非专业人
20、员难以排查。计算机控制系统则可避免上述弊端，参数设定可通过 PC或总线完成，避免了活动元器件的机械磨损。所有 调节不仅能自动记录或打印出来，还可以实现密码保护，防止他人擅自修改造成故障。也可应用于多点多通道协调加载系统中，通过人机对话方式完成系统设置和测试工作。同模拟控制器相比，它集成系统控制功能于一体，使得阀控系统具有更高的经济性、可靠性和灵活性和使用维护的方便性，使得它具有较广阔的应用前景。 1.3 主要研究的问题及论文结构概述 该测试台的电气控制部分的任务是： 1.控制液压系统按照动作程序动作 2.实验过程中完成数据记录、图形曲线显示打印 3.系统监控 4.能手动控制 主要研究的问题有：
21、 1.如何实现液压系统 动作的自动控制 2.如何使 手动控制更加方便 3.如何用控制理论知识实现液压系统载荷输出的自动控制 4.如何实现数据记录 5.如何实时监控系统状态 1.4 论文章节安排 本论文的设计就是就以上提出的任务问题进行系统的论述，论文章节的具体安排如下： 第一章 是绪论部分。主要是介绍试验台的研究背景、国内外研究现状以及研究内容 。 第二章 是 飞机机轮径 -侧向自动化试验装置 的系统结构和工作原理 ， 确定了系统 总体 的控制方案 ，并进行 硬件系统的选型。 飞机机轮径 -侧向自 动化试验装置 第一章 绪论 5 第三章 是 飞机机轮径 -侧向自动化试验装置 的 硬件电路设计，
22、 介绍了硬件电路如何实现手动控制和自动控制， 介 绍了 PLC 的输入输出模块电路 ，同时在考虑基于提高系统安全性、可靠性 的方面 完成了硬件系统的电磁性 兼容性的 设计。 第四章 是软件系统的设计，根据要求，设计了监控系统，使监控系统完成数据记录、监控功能。 并介绍了人机界面的各模块功能。阐述了典型的 PLC 程序设计过程。 第五章是 是现场调试，介绍了实验室进行现场系统调试时的，不断完善系统设计，提高系统性能。 飞机机轮径 -侧向压力自动检测系统 第二章 系统总体设计 6 第二章 系统总体设计 本章主要 说明 飞机机轮径 -侧向压力自动检测系统 的原理结构，控制要求 和 技术要求，系统方案
23、的选择和论证。 2.1 系统原理和结构说明 飞机机轮径侧向自动化 实验装置的原理是 10：将轮胎安装在夹具上幵且固定，在轮胎的径向（垂直方向）和侧向（水平方向）两个方向分别施加一定的载荷幵保持一定时间，观察飞机轮胎轮轴和轮缘的变形量（即位移量），通过所得的实验数据，用于分析机轮的径侧向静态力学性能，幵根据这些实验数据迚行评估和改迚机轮的径侧向静态力学性能。 径向载荷：飞机处于静止状态，轴承主要承受静止载荷。飞机重力产生的停机载荷通过轴承的滚棒传递给轮毂；在地面滑行时，主要也承受垂直径向载荷，由于地面的不绝对平整，飞机的上下震动的幅度将使垂直径向载荷大于飞机的重力。 侧向载荷：如果飞机带侧滑接地 (如侧风较大的时候 )，机轮将受到侧向载荷。另外，飞机地面转弯过程中方向舵与副翼配合不好等产生的侧滑。 实验原理如图 2.1 所示： 1-径向油泵； 2-径向电机； 3-侧向油泵； 4-侧向电机； 5-径向比例溢流阀； 6-侧向比例溢流阀； 7-径向油缸； 8-叉子； 9-被测轮； 10-工作台； 11-侧向油缸；
