上海交通大学硕士学位论文
摘要
ARJ21 飞机反推力伺服加载系统的研究 摘 要
反推力装置是提升飞机性能的重要系统。在其地面试验中，需要开 发一加载系统模拟其打开和收回过程所受空气载荷，从而检测其操纵系 统、液压系统的技术性能指标，为反推力作动系统及全机液压系统的适 航符合性提供试验依据。 本文针对反推力液压伺服加载系统进行了研究，并在此基础上开发 了反推力装置的加载系统。主要的研究工作如下： 针对反推力装置的实际结构制定了基本的加载方案，并对加载方案 进行了分析；根据反推力液压缸的三维位置坐标进行机械接 算，按 照计算结果设计了加载台架；根据气动载荷的加载特点和系统的信号传 递关系，完成了液压伺服系统和电气系统的集成。 其控制系统采用上位机与下位机结合的形式，由控制器编程实现液 压伺服系统的 PID 控制，并通过 OPC（过程控制对象链接及嵌入）与上 位机建立数据传输。 基于 LabVIEW 设计了集成系统的软件， 实现了对各 监测传感器的实时数据采集，编写了与下位机和飞机液压试验综合测控 系统的通信程序，实现了加载系统的远程控制。 利用该加载系统完成了多次反推力装置的功能试验及故障试验。试 验结果证明该加载系统对反推力装置能够进行稳定、精确的加载。 关键词：反推力装置，伺服加载系统，LabVIEW，数据采集，OPC
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ABSTRACT
RESEARCH ON SERVO LOADING SYSTEM FOR THRUST REVERSER OF ARJ21
ABSTRACT
Thrust reverser is an important system to improve the performance of airplanes. In the ground tests of ARJ21, servo loading system is needed to simulate the air load during deployment and to test the functional standards of its control and the hydraulic system, so as to show that the thrust reverser system and the whole hydraulic system are suitable for flight. In this thesis, servo loading system for thrust reverser is researched and is developed based on the research. The main contents are summarized as follows: A basic plan is made considering the structure of thrust reverser, and the security and load distribution is analyzed. Mechanic structure of the loading system is designed based on the mechanical interface calculation. Hydraulic system is developed after the feature of the air load is studied. Signal transfer relationship is analyzed and electric connection system is developed. The control system combines an industry PC as host computer and a servo controller as slave computer. The controller is programmed to fulfill PID control of the hydraulic loading system, and lots of experiments are done to optimize control parameters. The controller attains data transfer with host computer through OPC(OLE for Process Control). Software system of the host computer is developed based on LabVIEW. Data acquisition is processed and network connection with slave computer and integrate test and
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ABSTRACT
control system of jet hydraulic tests is built so remote control is achieved. Function experiments and error experiments for thrust reverser are processed many times with the loading system. The experimental data show that the loading system can apply the load for the thrust reverser stably and accurately.
Key words ： Thrust reverser, servo loading system, LabVIEW, data acquisition, OPC
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上海交通大学 学位论文原创性
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学位论文作者签名：张砚芳 日期：2008 年 3 月 3 日
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学位论文作者签名：张砚芳
指导教师签名：朱向阳
日期：2008 年 3 月 3 日
日期：2008
年 3
月
3 日
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第一章
绪论
第一章 绪论
1.1 ARJ21 飞机反推力加载系统概述
1.1.1 ARJ21 飞机简介 新型涡扇支线飞机 ARJ21（Advanced Regional Jet，21 世纪新一 线飞机）是 中国首架拥有自主知识产权的涡扇支线飞机，适应以中国西部高温高原机场起降和 复杂航路越障为目标的营运要求。 ARJ21 支线飞机是一种九十座级、以涡扇发动机为动力，满座航程为二千海里 的中短程支线飞机。2003 年 12 月，该飞机分别在成都、沈阳、西安和上海四家飞机 主机厂同时开工进行零件制造。按照计划，ARJ21 飞机总装将于 2007 年 3 月开始， 在 2007 年底前完成总装并喷漆，预计 2008 年 3 月实现首飞。按照民机设计规范及 适航 条例要求，首飞前必须完成大量地面试验，验证飞机航电系统、液压系统 等的性能。其中反推力系统试验是飞机发动机液压系统验证的重要内容。 1.1.2 反推力装置 飞机速度的提高和机翼载荷增加将增大飞机起飞和着陆滑跑距离，缩短滑跑距 离的方法是使用专用的减速装置，增加阻力，使飞机速度更迅速的降下来。常用的 装置包括增升装置、机轮刹车、反推力装置、减速伞（阻力伞） 、减速板（阻力板） 以及地面减速装置等。其中，反推力应用得最为广泛。反推力是指飞机/发动机借助 一些方法或装置，通过改变喷气流方向，使作用在发动机上的力沿与 前进推力 相反的方向产生推力分量。 1-1是以叶栅式反推力装置为典型示例的涡扇发动机工 图 作原理示意图，当反推力打开时，向后的气流由于阻流门的作用通过导流叶栅向前 排出，达到减速目的。采用反推力装置可以将飞机着陆滑跑距离由 3000m 缩短到 450m 以内，并且反推力装置的减速效果不受天气和地面情况影响，不需要机场准备 专门设备，应急效果好，平稳可靠，被公认为高性能运输飞机必不可少的装置[1][2]。
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第一章
绪论
图 1-1 反推力装置工作原理 Fig. 1-1 Principle of thrust reverser
1.1.3 反推力加载系统 ARJ21 飞机中采用了反推力装置以提高飞机性能，这也是我国首次在自主研发 的飞机中采用反推力装置。但是，在飞行过程中反推力装置如果出现不能正常打开 或关闭等故障将会引起严重后果。因此，反推力装置以及和全机液压系统配合的可 靠性验证是非常重要的。而采用完全实物模拟试验代价大，获取的有用信息少，造 成资源的大量浪费，无论从经济性还是安全性来说都不可行，所以试飞前要进行多 次地面模拟试验，以检验其性能，为反推力作动系统及全机液压系统的适航符合性 提供试验依据。 反推力装置必须在模拟气动载荷下完成测试试验，因此需要飞机反推力加载系 统，模拟反推力装置在展开和收起过程中受到的空气压力载荷，从而检测其操纵系 统、液压系统的技术性能指标，将全实物试验转化为实验室条件下的预测性研究以 达到缩短研制周期、节约研究经费、提高可靠性和成功率的目的。 加载系统需要通过闭环控制，反馈给系统实际的载荷和位移，使加载液压缸的 压力跟随特定的载荷/位移曲线，属于伺服加载系统。接下来一节将介绍伺服加载系 统的概念、分类，以及研究现状。
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第一章
绪论
1.2 伺服加载系统
1.2.1 伺服加载系统简介 伺服加载系统在工程领域通常也被称为负载模拟器，将经典的自破坏性全实物 实验转化为实验室条件下的预测性研究，具有良好的可控性、无破坏性、全天候以 及操作简单方便的优点，从而可以达到缩短研制周期，节约研制经费，提高可靠性 和成功率的目的[3]。它是目前最为常见的一种地面动态飞行仿真设备，在国防、航空 航天领域及其他方面的科学研究和工业生产中有着广泛的应用。早期对飞行器性能 的测试往往需要多次进行具有自破坏性的全实物现场实验，研制费用高昂，而且由 于现场数量和质量的限制，难以得到准 完整的试验数据及规律，延长了研制周 期。负载模拟器可以在实验室条件下合理地模拟飞行器在运行过程中所受真实载荷 的加载试验装置，是地面半实物仿真试验不可缺少的主要设备之一。 伺服加载系统属于力/力矩伺服控制系统，主要由伺服控制器、加载执行机构(如 液压缸、液压马达、加载电机等)以及检测元件等组成，其核心为伺服控制器，加载 执行机构决定了输出量的类型。伺服加载系统一般为双输入、单输出系统，即输入 信号为标准参考输入和扰动输入，输出信号为加载执行机构的输出力或输出力矩。 把误差信号(即输入信号与反馈信号之差)加到控制器上，以减小系统的误差，使系统 的输出量趋于所希望的值[4]。图 1-2所示为液压伺服加载系统的结构。
液压能源 输入元件 伺服控制器 转换放大装置 测量元件 液压作动元件 承载对象
图 1-2 液压伺服加载系统结构 Fig. 1-2 Architecture of hydraulic servo loading system
伺服加载系统的控制方法在不断发展。 经典控制理论在 50 年代就已经成熟， PID 控制现在仍大量应用在液压伺服加载控制中。在经典控制基础上发展了最优控制论， 通过对系统数学模型求 到参数的最优化。之后兴起的自适应控制部分 了非 线性和时变问题，近年来自动控制理论又有了新的发展，形成了智能控制理论。智 能控制是人工智能和控制理论的交叉，最大优点之一是避免了寻找对象的数学模型。
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智能控制的一个重要分支是 控制[6]。 1.2.2 伺服加载系统的分类 伺服加载系统按照其分类标准的不同，一般有两种分类方法： (l)按照承载对象运动与否，伺服加载系统通常分为两种类型，一类是对静止物 体的结构、材料进行静、动强度试验的加载系统，它以承载对象在作用过程中始终 保持静止状态为前提，可称为静止加载或主动加载。如机械式负载模拟器就属于这 种类型，它一般利用质量块或惯性盘模拟惯性负载，使用弹簧、弹性钢板或加载杆 件模拟弹性负载，通过反作用力获得加载力或力矩。由于承载对象静止不动，加载 器采用主动加载方式，故这类系统不存在多余力或力矩的问题，并且结构比较简单， 可靠性高，校 易实现；但这类负载模拟器体积大，使用起来不灵活，改变参数 困难，不能实现任意力矩函数的加载。另一类是对有主动运动的承载对象进行加载， 如舵机、起落架系统等的加载，可称为运动加载或被动加载，这类系统由于承载对 象运动参量的干扰，使系统结构复杂，分析和设计都比较困难。这两类加载系统的 实质区别是受载体是否存在独立于加载系统的自主运动[5]。 (2)按照加载执行机构的不同，伺服加载系统又可分为液压伺服加载系统、气动 伺服加载系统和电动伺服加载系统等。这三种加载系统各有其优缺点，其中液压和 气动加载系统具有如下的特点:输出力矩较大，但机械结构、工艺操作复杂，需要一 套油泵、泵站和相应的油路支持，容易漏气漏油，对气体或油液中的污染物比较敏 感。而电动加载系统的特点是：响应快、机械结构、工艺流程相对简单，重量体积 小，易于控制器通讯，精度和可靠性高，但它的输出力矩较小，频宽较低、功率密 度较小。根据上述优缺点可知，在要求输出力或力矩较大且有油源、气站等条件支 持的情况下多使用电液和气动伺服加载系统，而在要求输出力矩较小且加载精度要 求较高时使用电动加载。电液伺服加载系统综合了电器和液压方面的特长，具有控 制精度高，响应速度快，输出功率大，信号处理灵活，易于实现各种参量的反馈等 优点，适用于质量大而要求响应速度快的场合。 反推力加载系统作用在主动运动的反推力装置上，是被动加载。飞机气动载荷 模拟具有关联性强、实时性要求高、以及加载力和加载力梯度大等特点，因此反推 力加载系统设计为电液伺服加载系统。
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绪论
1.2.3 电液伺服加载系统的研究现状 国内现在研究和生产的伺服加载系统主要是以液压马达或者作动筒为最终执行 机构的被动式力/力矩负载模拟器，主要由以下两方面原因造成：首先，加载对象通 常都是液压舵机、液压助力器、液压飞机起落架等，在过去只有液压系统才具备足 够的频宽和驱动能力，而且液压马达或作动筒的惯性小、结构紧凑，因此液压系统 可以满足负载模拟器的大功率、高精度、快速响应等一系列的高性能要求；其次基 于液压伺服技术的加载系统的基本理论已经比较完善，这就为液压伺服加载系统的 设计奠定了坚实的理论基础[5]。 电液伺服加载系统最广泛的应用是飞机性能试验中的载荷模拟。徐鹏国研制了 直升机浆叶助力器寿命试验台的液压伺服加载系统[12]。沈凤林研究了飞机液压起落 架电液伺服加载系统[13]。李凤娥研究了直升机旋翼加载系统[14]。李妍卉设计了某飞 机作动筒耐久循环试验电液伺服加载系统（图 1-3） ，系统以工控机为控制核心，实 现了载荷谱为力对位移的非线性函数的加载[10]。
图 1-3 作动筒加载系统原理图[10] Fig. 1-3 Principle of the loading system for actuating cylinder
王辉，闫祥安等人通过仿真和实验对比了飞机模拟器操纵负荷控制系统中，采 用电液伺服加载实现驾驶员操纵时的力感觉中常用的三种控制方法：位置闭环控制、 速度闭环控制、 力闭环控制， 发现力闭环控制效果最佳， 位置闭环控制有严重滞后[7]。 伺服加载系统中的多余力是影响加载系统性能的重要因素，许多研究都是针对 多余力的减小和克服。刘卓夫等人研究了减摇鳍加载系统中多余力的特点及对加载 系统控制性能的影响，将多余力作为系统外干扰设计了减摇鳍加载系统的动态矩阵 控制器， 得到了很好的结果[9]。 王新民等使用变结构控制器克服了飞机发动机操纵系 统点动加载系统运动中多余力的扰动和时变性因素影响，并证明了变结构控制可达 到较高精度[11]。
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电液伺服加载系统在军工、汽车、土木等行业也有很多应用。陈机林研究了模 拟火箭炮随动系统所受不平 矩的电液加载仿真台，使用模糊自适应 PID 控制算 法得到良好的控制效果[15]。汪首坤等在导弹舵机动态加载技术的研究中对比了直接 机械加载和电液伺服加载，结果证明电液伺服加载虽然结构复杂，但能够实现多种 加载规律，并采用基于小脑模型神经网络的复合控制方法抑制多余力[8]。 汽车行业方面，卢洪泉设计并研究了汽车转向助力模拟加载系统[16]，刘海泉等 开发了 PID 控制的汽车 EPS 电液伺服加载系统[17]。 刘延平等人设计了采油负载模拟系统，其以油田实测示功图信息为依据，通过 电液伺服控制技术使加载液压缸输出的拉力复现抽油机在抽油过程中的载荷谱，进 而可进行抽油机加载试验[18]。系统原理如图 1-4，位移传感器读入的位移量送至力 函数转换模块求得应加载力值，与力传感器的压力信号对比得到偏差信号，对此偏 差信号进行 PID 控制算法控制伺服阀。
图 1-4 电液伺服控制加载系统原理图[18] Fig. 1-4 Principle chart of a electro-hydraulic servo loading system
电液伺服控制加载系统也应用在土木工程结构试验中， 等使用 LabVIEW 控 制液压伺服加载系统，以实现对阻尼器的性能研究和测试[19]。黄春霞等为已有电液 伺服加载系统添加台面和支撑导向结构，建成了简易单向专用地震模拟振动台[20]。 综上所述，电液伺服加载系统在各个领域尤其是飞机载荷模拟中有着广泛多样 的应用，采用的控制方法也多种多样，使用最多的是基本的 PID 控制，PID 与自适
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绪论
应、模糊控制等其它控制方法结合可以达到很好的效果，并减小多余力的影响。
1.3 反推力加载系统要求
反推力台架及其加载系统应能模拟飞机反推力装置在正常起飞、终止起飞状态 的打开和收起，并对反推力装置实现气动载荷的模拟，载荷谱是载荷关于反推力装 置位移的函数。反推力装置有两套，位于飞机左右两侧镜像对称，因此加载系统由 左、右两套独立的反推力台架和加载系统组成，对应的两套系统也镜像对称。反推 力台架要实现的主要功能有：a）为反推力装置试验件提供真实的安装空间和运动支 撑点；b）为反推力加载系统提供安装空间和运动支撑点；c）保证反推力装置及其 加载系统运动协调性。反推力加载系统的主要功能是 a）模拟反推力装置在展开和收 起过程中所受气动载荷；b）可与液压试验综合测控系统交联，具有通讯功能、远程 控制。 反推力加载系统性能指标是： a) 系统额定工作压力：3000psi（20.68Mpa） b) 加载力范围：-3533lbf（拉力）～+7950lbf（压力） （－1600Kgf～3600Kgf） c) 系统动态精度： ≤15％,即在频率为 0.01～5Hz 范围内， 幅值误差 ≤±2% （Fs） 相位滞后≤3ｏ d) 加载力静态精度：≤5％（Fs） ，动态加载精度为：≤15％（Fs） e) 工作介质：15＃红油 f) 介质工作温度：0～80℃ 反推力加载系统加载力和力的梯度大，精度高，因此加载系统采用专用伺服控 制器控制、工业控制计算机作为监控机的分层控制结构；专用伺服控制器实现电液 伺服系统的实时控制；工业控制 机主要进行系统控制参数、输入信号的设定， 以及收集系统的主要控制参量并实时显示，以对整个系统进行实时监控；专用伺服 控制器与工业控制 机之间进行联网通信，工业控制计算机还可与液压试验综合 测控系统通信，实现远程控制。
1.4 内容和工作安排
本文针对反推力液压伺服加载系统进行了研究，并在此基础上开发了反推力装 置的加载系统。论文共分六章，各章内容如下：
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第一章
绪论
第一章介绍了反推力装置及其加载系统的功能和要求，介绍了伺服加载系统的 概念和分类，总结了电液伺服加载系统的研究现状，并简略分析了加载系统的方案。 第二章介绍了总体加载方案，针对加载系统和反推力装置的耦合方式制定了集 中加载方案，并对加载方案进行了分析。通过机械借口 设计了加载台架的基本 结构，并对台架各部分结构做了说明。台架提供给液压系统和反推力系统安装空间， 可以保证加载的顺利进行。 第三章介绍了液压控制系统的组成，分析了系统的信号传递关系和电气连接， 最后叙述了控制器与工控机网络通信的接 第四章首先介绍了虚拟仪器和图形编程语言 LabVIEW，基于 LabVIEW 编写了 上位机软件，实现了数据采集以及与控制器的通信，达到系统控制和监测的目的。 第五章说明了反推力加载试验的方法，并分析了试验结果。 第六章总结了反推力伺服加载系统的研发过程，并提出个人对系统改进的一些 看法。
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第二章
加载方案及台架设计
第二章 加载方案及台架设计
针对加载系统和反推力装置的耦合方式进行了集中加载设计，并对此方案进行 分析，研究其可行性及安全性能。反推力加载系统要尽可能再现反推力装置的真实 运行环境，因此反推力台架应提供给反推力装置真实的安装位置。根据反推力液压 缸的三维位置坐标进行机械接口 ，按照计算结果设计了加载系统台架。
2.1 反推力系统加载方案
反推力系统有两套，分别处于飞机两侧机翼后方，关于机体镜像对称。反推力 液压缸的方向基本水平略偏向上方和机身外侧， 其分布如图 2-1所示， 每侧有 4 个液 压作动器，上内、上外、下内、下外指相对飞机机体位置。国外的加载方式是对四 个作动器分别加载。但这种加载方式不易保证同步性，控制困难而且成本较高，因 此本加载系统采取集中加载方式，左、右反推力装置 4 个作动器可分别采用 1 个加 载作动器，加载时应保证反推力 4 个作动器受力平 加载力取 4 个作动器加载载 荷的叠加。
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第二章
加载方案及台架设计
下外
下内
上外
上内
耳片
图 2-1 反推力系统液压缸分布 Fig. 2-1 Actuators’ distribution of the thrust reverser system
使用集中加载 了同步问题，但需要考虑怎样保证四个载荷分量的平衡。反 推力作动器和加载作动器的耦合通过机械台架实现，台架需要保证集中加载的可靠 和安全。台架的设计目的就是要为反推力装置和加载系统提供安装空间和运动支撑 点：一方面尽可能还原真实的安装位置，使反推力系统运行环境符合真实情况；另 一方面要保证反推力装置和加载系统的运动协调性，使加载可以顺利进行，并减小 多余力。 考虑加载时可能造成伤害的因素，如初始行程差以及加载载荷分布的不均
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第二章
加载方案及台架设计
设计保证加载安全的保护和监测装置。目前已知的只有反推力液压缸万向节销孔及 耳片的坐标，以此为基础 台架各部分安装位置及尺寸，以保证提供给反推力系 统和加载系统真实安装空间和两者的运动协调性。接下来的章节将分别具体叙述保 护装置设计，加载各通道的载荷分析,机械接口 以及台架结构。
2.2 集中加载设计
飞机反推力系统的安全性是本课题中需要重点保障的，可能造成飞机反推力系 统的破坏的主要原因有两个，一是反推力系统四个输出点存在初始行程差，使得四 个作动器输出点在垂向不共面，如果连接不当可能造成加载过程中某一反推力作动 筒受力急剧增大，造成硬件破坏。二是在反推力系统工作过程中，如果四个通道的 运行存在不同步，也会使反推力作动筒和耦合支架中增加很大的内力，直接导致加 载作动筒的载荷（为四个通道载荷之和）向某一通道倾斜，导致该通道载荷急剧增 大，可能造成该通道硬件损坏。针对这两个原因，对机械结构进行了改进。 2.2.1 行程差补偿 由机械接 算可知，液压缸万向节中心与参考平面距离各不相同，而液压缸 输出耳片与万向节中心的距离基本是相同的，因此耳片也不在同一平行于参考面的 平面上。为此，采用图 2-2示机械接 接四个作动器输出点和耦合支架。图中四个 滑动导杆可以保证只有径向的加载载荷才能作用于反推力作动筒，其他方向的载荷 由导杆承受。滑动导杆在图中的 a，b，c 和 d 连接点和耦合支架进行刚性连接。在 固定刚性连接点前，滑动导杆的安装点可以延径向进行行程差补偿，使本不共面的 四个作动器输出点在耦合支架上形成共面，参见示意图 2-3。在加载过程中，耦合支 架一直保持垂直，当加载作动筒的载荷加至耦合支架时，能保证载荷延径向作用于 四个通道。
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第二章
加载方案及台架设计
反推力作动筒
滑动导杆
耦合支架 加载作动筒
b a d c
力传感器
固定于机架
图 2-2 加载系统的机械耦合连接形式 （实际中加载作动筒和反推力作动筒位于耦合支架同侧，为使图示简洁，分别画在两侧。 ） Fig. 2-2 Mechanical coupling of loading system and thrust reverser
径向存在行程差 图 2-3 径向补偿示意图 Fig. 2-3 Sketch map of radial compensation
径向行程差补偿后
2.2.2 通道载荷监测 为了增加系统的安全性，在反推力作动筒和滑动导杆间各增加一个力传感器。 其作用主要包括：1）监控各通道的最大载荷，如果载荷超过安全阀值，可以使系统 进行安全保护，停止加载；2）可以实时获得各通道的实际加载值，得到加载精度的 第一手数据。由于各通道的量程并不大，不会对系统成本有很大增加，但是却能大 大增加系统安全性和监测实时性。
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第二章
加载方案及台架设计
2.2.3 系统的通道载荷分析 在加载过程中，由于四个通道的实际载荷曲线并不是完全相同，而加载系统的 加载端只有一个，如何保证每个通道的加载精度也是该加载系统设计的一个难点。 由于四个通道的静态加载精度各为 5％（FS） ，普通的四通道耦合方式（如把加 载作动筒的加载力平均分布于四个通道） 将不能保证每个通道的加载精度满足 5％的 要求。针对图 2-2耦合设计分析如下： 如果四个通道的反推力作动筒作用力相同，加载系统载荷平衡方式如图 2-4（a） 所示。此时滑动导杆和导杆套筒之间没有相对作用力。由于液压作动筒通过液压油 的压力差来提供作用力，不同的作用力代表不同的通道刚度。如果通道的作用力相 同并且同步加载，图 2-4（b）所示的两个等效弹簧刚度一样，系统平 ，滑动导 杆和套筒之间没有作用力。 当通道的作用力不相同，或者反推力作动筒作用力加载不同步时，由于系统设 计保证耦合支架只能平动不能转动，滑动导杆和套筒之间将会产生相应的作用力， 以平衡不同通道作用力差引起的转矩，保证只有径向力作用在作动筒上，如图 2-5 所示。因此，耦合设计能够使各通道进行适应性加载（而非简单的平均加载） ，各通 道的载荷值取决于反推力系统的作用力，能够确保作用筒加载曲线在设计曲线的 5 ％范围内。当反推力系统加载严重不同步或加载故障引起卡住等情况时，某一通道 所受的载荷将显著增大，通道的力传感器会将这一信息反映到上位机，采取安全措 施。
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第二章
加载方案及台架设计
加载作动筒载荷
固定连接
耦合支架
反推力作动 筒作用力
（a）
滑动导杆
滑动导杆套筒
（b） 图 2-4 加载系统载荷平 及两维示意图 Fig. 2-4 3D and 2D sketch map for balanceable loads
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第二章
加载方案及台架设计
滑动导杆
滑动导杆套筒
图 2-5 通道作用力不相同情况下的载荷平 Fig. 2-5 Balancing of loads in channels under different forces
2.3 机械接口
反推力液压缸万向节通过销孔固定在台架上，耳片与加载系统相连。设计时已 知因素是反推力液压缸各部件安装位置在机体坐标系中的坐标， 机体坐标系 （O-XYZ 系）指原点 O 位于机体的质心，X 轴垂直于机体的纵平面指向右翼，Y 轴平行于机 体的纵轴指向机头方向，Z 轴根据右手定则 的坐标系。 2.3.1 万向节中心 首先通过坐标 确定万向节中心坐标，以此为基础进行以后的计算。反推力 系统和加载系统左右镜像对称，以下以计算右侧数据为例。右侧反推力液压缸部件 安装位置坐标见表 2-1。
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第二章
加载方案及台架设计
表 2-1 反推力液压缸安装位置坐标 液压缸 位置点 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 上内 万向节中心（销孔计算） 万向节上沿中心 万向节下沿中心 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 上外 万向节中心（销孔计算） 万向节上沿中心 万向节下沿中心 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 下外 万向节中心（销孔计算） 万向节上沿中心 万向节下沿中心 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 下内 万向节中心（销孔计算） 万向节上沿中心 万向节下沿中心 名称 耳 片 液压缸 上内 上外 下外 下内 X(mm) 846.249 1896.287 1966.538 773.995 873.595 835.016 854.3055 854.182 854.43 1936.233 1872.415 1904.324 1904.2 1904.448 1997.767 1951.383 1974.575 1974.451 1974.699 790.528 773.536 782.032 781.907 782.156 Y(mm) 4171.698 4190.001 4183.738 4162.95 三维坐标（mm） 3714.25 3709.549 3711.9 3719 3704.798 3729.244 3731.156 3730.2 3737.301 3723.099 3726.239 3721.634 3723.937 3731.038 3716.836 3701.089 3705.21 3703.15 3710.251 3696.048 Z(mm) 2997.012 2996.053 1756.16 1757.249 63.364 137.701 57.398 78.685 3059.567 2982.731 3021.149 3020.777 3021.521 2991.263 3049.037 3020.15 3019.778 3020.522 1816.456 1744.058 1780.257 1779.885 1780.629 1739.19 1823.502 1781.346 1780.974 1781.719 θ（与 x 轴正向夹角）
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第二章
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图 2-6 反推力液压缸安装位置 3D 视图 Fig. 2-6 3D view of the positions of thrust reverser’s hydraulic cylinders
据此作出万向节安装位置的三维简图（图 2-6） ，连起来的四边形端点是万向节 中心，中心交叉的线段较长的一段连接万向节上沿和下沿，较短的一段端点是万向 节两个销孔中心。大致可以看出反推力系统向外向上倾斜，反推力液压缸与 Y 轴夹 角很小，四个液压缸基本平行。 根据反推力系统的结构关系，万向节中心、万向节上沿中心和万向节下沿中心 应该共线，在三维图中，同时画出了由销孔计算得到的万向节中心和由上下沿坐标 得出的万向节中心， 可以看到它们基本是重合的。 具体数据 及对比见表 2-2。
表 2-2 万向节中心计算对比 液压缸 上内 上外 下外 下内 位置点 万向节中心（销孔计算） 万向节中心（上下沿计算） 万向节中心（销孔计算） 万向节中心（上下沿计算） 万向节中心（销孔计算） 万向节中心（上下沿计算） 万向节中心（销孔计算） 万向节中心（上下沿计算） 854.3055 854.306 1904.324 1904.324 1974.575 1974.575 782.032 782.0315 三维坐标（mm） 3711.9 3711.899 3730.2 3730.2 3723.937 3723.937 3703.15 3703.15 3021.149 3021.149 3020.15 3020.15 1780.257 1780.257 1781.346 1781.347
从上表可以看出，由销孔计算的万向节中心和由上下沿 的万向节中心位置 是吻合的。因此取实际中心位置为：
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液压缸 上内 上外 下外 下内 854.306 1904.324 1974.575 782.032
万向节中心三维坐标（mm） 3711.9 3730.2 3723.937 3703.15 3021.149 3020.15 1780.257 1781.346
2.3.2 液压缸方向计算 根据万向节中心坐标， 四个液压作动筒的万向节中心与液压缸输出耳片中 心的距离和方向。
液压缸 上内 上外 下外 下内 距离（mm） 460.5016 460.5021 460.5021 460.5011 0.0175 0.0175 0.0175 0.0175 方向向量 -0.9985 -0.9985 -0.9985 -0.9985 0.0524 0.0523 0.0523 0.0523
根据上下沿坐标进一步计算得到四个液压缸的方向向量：
液压缸 上内 上外 下外 下内 0.0174 0.0174 0.0174 0.0175 方向向量 -0.9985 -0.9985 -0.9985 -0.9985 0.0523 0.0523 0.0523 0.0524
从上表的数据可以看出，四个液压作动筒是平行的，其方向向量为[0.0174, -0.9985, 0.0523]，即按照铁鸟的方位，液压作动筒是向外向上略偏的。实际实验中将 调整这一微小角度使得液压作动筒和铁鸟平行，因此，对以上坐标进行投影计算。 2.3.3 坐标投影 以过上内液压缸万向节中心[854.306， 3711.9， 3021.149]， 法线为[0.0174, -0.9985, 0.0523]的平面作为参考平面，其余三中心点向该平面投影。 以 α 表示万向节中心坐标，n 表示法线，其余某中心点为 α’，设中心点在平面
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上投影为 x，可得
??( x ?? α )T n = 0 ; ?? ??x ??α ′ = k ?? n
其中 k 为标量，另 nTn=1，解得 x = α ′ + ((α ′ ?? α )T n) ?? n. 分别 其余三中心点坐标，求得投影后中心的坐标值以及中心到参考面的距 离如下表，可以看到下方万向节中心位置更偏向机尾方向。
液压缸 上内 上外 下外 下内 距离（mm） 0 -0.054 -57.425 -57.362 854.306 1904.323 1973.576 781.034 投影后三维坐标(mm) 3711.900 3730.254 3781.276 3760.426 3021.149 3020.147 1777.254 1778.346
同样坐标变换得销孔的投影坐标：
液压缸 上内 上外 下外 下内 位置点 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 万向节销孔中心 1 万向节销孔中心 2 投影后三维坐标（mm） 873.595 835.016 1936.232 1872.414 1996.768 1950.384 789.530 772.538 3714.252 3709.546 3729.299 3731.209 3783.580 3778.970 3758.364 3762.486 3059.567 2982.731 2991.260 3049.034 1813.453 1741.055 1736.190 1820.502
由销孔坐标和万向节上下沿坐标 可知销孔连线垂直于液压缸方向，平行于 参考面，所以销孔投影前后坐标只是在参考平面法向量方向上平移。根据变换后的 销孔坐标，可以确定万向节与机体坐标系 X 轴的夹角。
2.4 台架结构
2.4.1 整体结构 整体为地面固接安装台架。单体台架重量约为 2500kg。最终台架模型如图 2-7
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示，由滑板装配体、下方的底座以及安全保护和辅助结构组成。反推力台架三视图 如图 2-8所示。反推力台架分左、右两套。主体结构相似，反推力油缸安装位置呈镜 像对称关系。从设计模型来看，反推力台架的总体尺寸为，长 2095mm（包括反推力 系统） ，宽 1500mm，高 2130mm。
图 2-7 反推力台架模型 Fig. 2-7 Model of the mechanical structure
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图 2-8 反推力台架三视图 Fig. 2-8 3-view of the platform 2.4.2 滑板装配体
台架上部分为滑板装配体。该装配体包括反推力油缸、支撑架 A、滑板、支撑 架 B、加载油缸、力传感器、支撑轴等。 支撑架 A 的结构形式如图 2-9所示，其主体结构由型材焊接而成。支撑架 A 上 安装了反推力液压缸的万向节和加载系统液压缸。其上的万向环支撑座通过销孔定 位为反推力液压缸提供真实的安装位置，四个支撑座有不同的角度，销孔中心与支 撑架 A 的距离也不同，安装位置的坐标由机械接 算 。
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图 2-9 支撑架 A 结构 Fig. 2-9 structure of supporter A
滑板的结构形式如图 2-10所示。滑板是整个台架中的运动部分。它通过四根平 行的支撑轴安装在反推力台架上，并能保证自如地在支撑轴上滑动。作为加载系统 的耦合部件，滑板一端通过四个力传感器连接四个反推力油缸，同方向连接加载油 缸。
图 2-10 滑板结构（油缸去除） Fig. 2-10 Structure of sliding board
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支撑架 B 的结构形式如图 2-11所示，支撑供滑板运动的支撑轴。
图 2-11 支撑架 B 结构（中心连接部分去除） Fig. 2-11 Structure of supporter B
2.4.3 台架底座
台架下部分为台架底座，如图 2-12所示。其主要作用是为滑板装配体提供水平 安装面，并通过提高滑板装配体位置起到避让反推力系统油管的作用。另外，在台 架底座上安装油托盘，起到盛接泄漏的液压油的作用。
图 2-12 台架底座 Fig. 2-12 Base 2.4.4 辅助结构
除以上各部分，为了保证加载的安全和稳定，台架中还有一些辅助结构。 1）为了防止支撑轴长期支撑滑板而产生变形，进而影响到加载性能，在滑板下 部设计了两条直线导轨来支撑滑板的重量，如图 2-13所示。这样的设计使得支撑轴 仅起到滑板的导向以及平 载过程中反推力台架的内力的作用。
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第二章
加载方案及台架设计
图 2-13 直线导轨支撑结构 Fig. 2-13 Strait navigation supporting structure
2）在连接直线导轨和滑板时，以及连接台架底座和地面时，需要在垂向微调相 应连接点的高度，从而保障滑板的水平运动和台架底座的水平安放。因此，设计了 如图 2-14所示的调节装置。
图 2-14 调节装置 Fig. 2-14 Adjust part
3）为了增加反推力台架的安全性，在支撑轴上设计了滑板的机械限位装置，如 图 2-15所示。
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第二章
加载方案及台架设计
图 2-15 机械限位装置 Fig. 2-15 Mechanical position limitation
以上分别是台架各主要部分的结构，最终制作出的机械台架见图 2-16，液压系 统尚未安装。
图 2-16 机械台架 Fig. 2-16 Mechanical platform
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第二章
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2.5 本章小结
本章叙述了基于反推力液压缸安装位置坐标的机械接口 ，为保证加载精度 和系统安全进行了安全保护方面的设计，介绍了设 台架的基本结构，最后分析 了各通道受到的载荷。台架的建立为液压控制系统的合理安装提供了保证。
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第三章
液压控制系统
第三章 液压控制系统
控制系统硬件主要包括由电液伺服阀、加载伺服液压缸等液压元件和辅件组成 的液压控制系统，以及包括拉压力传感器、压力传感器、位移传感器和专用伺服控 制器等在内的传感、检测与控制系统。其中液压控制系统是反推力加载系统的作动 元件，负 施对反推力装置的加载；传感器是加载控制系统的信号输入端，将信 号传递给下位机控制器进行 PID 控制，或传至上位机进行对整个加载系统的状态监 控。整个系统的电气供应和信号调理通过电气连接系统实现，并通过急停按钮对系 统进行保护。接下来将分别叙述液压控制系统、电气连接系统的功能和结构，以及 控制器编程和控制器与上位机的网络连接。
3.1 液压控制系统
ARJ21 飞机液压系统地面模拟试验反推力加载系统共有 2 套， 套系统完全相同， 2 采用左、右镜像对称布置，共用一套油源，每套系统都采用了同样的电液伺服阀控 制相同的加载伺服液压缸，并可以在多通道控制器的控制下实现单通道加载和双通 道同步加载。
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第三章
液压控制系统
图 3-1 液压控制系统原理图 Fig. 3-1 Structure of the hydraulic control system
3.2 电气连接
系统构成及信号传递关系见图 3-2， 监测传感器安装在反推力作动筒与加载台架 连接处，力和位移传感器安装在加载系统与台架连接处。在伺服液压缸两腔分别安 装了压力传感器，便于现场查看液压缸压力，确定系统是否达到稳定状态。控制器 读入力与位移信号，经过控制算法处理输出电流信号给电液伺服阀，同时与上位机 交换数据。上位机读取监测传感器和液压缸的压力信号，对系统状态进行监测。
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第三章
液压控制系统
压力传感器 个） （2 左台架 电液伺服阀 加载伺服 液压缸 位移传感器 力传感器
中 央 控 制 计 算 机 器 制 控 服 伺 用 专
反推力液压缸 （4 个）
保护用力传感器 （4 个）
加载系统 液压油源
飞机液压 系统油源
反推力控制器
反推力液压缸 （4 个）
保护用力传感器 （4 个）
电液伺服阀
加载伺服 液压缸
位移传感器 力传感器 右台架
压力传感器 个） （2
图 3-2 系统结构及信号传递关系 Fig. 3-2 Architecture and signal transfer of the system
电源控制采用总控和现场电柜双刀并联方式，急停开关不影响电源的控制。具 体线路图见下图。SB1 为总控柜上的停止按钮，SB2 为现场电柜的停止按钮；SB3 为总控柜上的启动按钮，SB4 为现场电柜的启动按钮。KM0 为接触器。系统启动时 SB1、SB2 闭合，SB3、SB4、KM0 断开，系统处于停止状态；按下 SB1 或 SB2 线 圈通电，KM0 闭合，系统启动；再按 SB3 或 SB4，线圈断电，系统停止。
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液压控制系统
图 3-3 电源控制 Fig. 3-3 Electricity supply control
系统提供电源指示，上电后即显示系统停止状态，当按下 SB3 或 SB4 系统启动 按钮后，系统将提示系统电源启动。指示灯电路图如下：
图 3-4 电源提示 Fig. 3-4 Circuit of the electricity supply indicators
系统的急停按钮仅用于关闭球阀，不会影响系统电源的工作，便于系统工作时
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第三章
液压控制系统
急停状态下的系统分析和故障排除。 总控柜的急停按钮为 SB5， 电控柜的急停为 SB6， 此两按钮将停止两台架的伺服缸油源供应；左、右台架的急停按钮分别为 SB7，此 两按钮将分别停止各台架的伺服缸油源供应，方便分台架调试。电路图如下，KA9、 KA10 分别控制两台架上的两个球阀 24V 电源。
图 3-5 急停按钮电路 Fig. 3-5 Circuit of emergency stop
电控柜安装有四个作动器力传感器，当力传感器返回超过作动器最大承受力， 系统将切换为开环控制，启动急停程序，关闭台架球阀，并打开卸荷阀。作动器力 传感器供电如图。
图 3-6 监测传感器电源 Fig. 3-6 Electricity supply for sensors
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液压控制系统
3.3 控制器编程
3.3.1 信号连接及控制算法设计
ARJ21 飞机液压系统地面模拟试验反推力加载系统是在反推力液压缸打开的同 时，按照一定的规律给反推力台架加载的力控制系统。按照不同的工作状况，主要 分成 着陆加载，终止起飞加载以及返回加载三种。
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液压控制系统
(a) 着陆加载
(b) 终止起飞加载
(c) 收回加载
图 3-7 三种载荷曲线 Fig. 3-7 3 types of load curve
本系统采用了 MOOG 公司提供的 MSC3000 控制器来完成力控制以及相关信号
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液压控制系统
的读取。信号连接定义如下：
图 3-8 控制器信号连接 Fig 3-8 Signal connections of the controller
控制器读入位移和压力数值，输出伺服阀电流信号。控制软件基于 MOOG 公司 的轴控制软件 MACS 开发。MACS 具有多种编程方式，比如文本语言、梯形图，图 形语言。使用文本语言和图形语言结合的方式，采用模块化编程，因此程序具有二 次开发能力和较好的可维护性。编程实现了 PI 控制，从输入的位移信号查载荷谱得 到理论加载力，与输入力信号相比得到偏差，对此进行 PI 控制算法。积分的作用使 得系统加载曲线能够尽可能地跟随理论曲线，但也给系统初时点的控制带来了消极 的作用。为此，在适当减小积分的同时，实际控制中引入了前馈补偿控制。根据系 统的跟随曲线，不断地修正前馈增益，最后 了分段连续的前馈补偿控制方案。 由于加载的力大，为了保护系统特别在控制算法中加入了“刹车”模块。虽然牺牲 了系统最后段的曲线要求，但是很好地保护了系统，使得每次加载总能平稳地结束。 进行了多次调试试验，确定前馈函数及 PI 参数，以保证反推力不运动时压力稳 定，不会出现剧烈的抖动和震荡，并尽可能提高载荷曲线跟随精度。程序下载到控 制器，控制器上电时自动运行。默认系统加载方式为终止起飞加载，开环控制。
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位移、压力信号
PI 控制 前馈
+ +
伺服阀电流
图 3-9 伺服控制器程序结构 Fig. 3-9 Structure of controller program
MACS 提供了 CoDeSys OPC-Server 以便其他程序访问数据，对控制程序中的变 量或控制器端 行读写操作，通过这种方式，控制器和上位机之间建立了网络连 接。
3.3.2 OPC 简介
OPC（过程控制对象链接及嵌入，OLE for Process Control）是提供过程数据访 问的标准接口。OPC 基于 Microsoft 标准 COM/DCOM 运行，主要用于自动化过程控 制中控制器数据的读写。标准的 OPC 客户端（Client）是记录操作数据的程序，PLC 系统通常有支持的 OPC 服务器（Server） 。 OPC 服务器不是被动的子程序，而是可执行程序，当客户端和控制器间建立连 接时立即运行，将变量的数值或状态改变通知给客户端。 由于 DCOM 的特性，客户端可以访问安装在远程 机上的 OPC 服务器。通 过 OPC，可以数个客户端同时访问一个数据源。因为 COM 技术 OPC 具有的另一个 优点是编程语言独立性（C++，VB，Delphi，Java 等） 。然而 OPC 的运行会增加资 源消耗（内存和 CPU 时间） 。
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液压控制系统
图 3-10 CoDeSys OPC-Server2.0 结构 Fig. 3-10 Architecture of the CoDeSys OPC-Server2.0
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3.3.3 符号文件（symbol file）
控制器软件的工程文件被下载到控制器上时，可以在控制器上生成一个符号文 件（*.sym 或*.sdb）并放置在 Gateway 中。符号文件中包含所谓项目（items） ，一个 项目（数据对象）准 应控制程序中的一个变量。客户端通过项目访问控制器上 的变量。 运行时 OPC 服务器要求 Gateway 提供符号文件的内容，然后根据收到的信息生 成项目列表。并以设定的时间间隔从控制器更新项目列表和数据。相对直接访问控 制器，通过 OPC 对变量的读写需要更长的时间（最多约 1ms） 。 下表为程序中留给上位机操作的接口，其中 BOOL 量可以写入。
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表 3-1 与上位机接口变量
变量名 sw_norm_r sw_stop_r sw_back_r MAN_CLR SW_L1 SW_R1 real_disp_left real_force_left real_disp_right real_force_right
数据类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL Float Float Float Float 加载模式选择。
变量说明 三个变量依次为正常加载模式，终止反推模式，收回加载模式。 当一个变量为 TRUE， 其余为 FALSE 时， 此模式即当前加载模式； 有两个以上变量为 TRUE 时，默认加载模式为终止反推。 积分清零开关量。值为 TRUE 时积分量为 0。 左台架开闭环切换。值为 TRUE 时左台架闭环控制。 右台架开闭环切换。值为 TRUE 时右台架闭环控制。 左台架实际位移。 左台架实际加载力。 右台架实际位移。 右台架实际加载力。
3.4 本章小结
本文介绍了加载系统硬件，包括液压系统、电气连接的功能和结构。简单说明 了控制器进行的控制算法编程，叙述了控制器与上位机的通信接口，为上位机的数 据采集和程序控制软件设计做好了准备。
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第四章
加载系统软件设计
第四章 加载系统软件设计
反推力加载系统的软件应能提供易于操作的人机交互界面，可以设定系统参数， 选择加载模式，控制试验过程，并将试验状态直观的显示给操作者，结束后可保存 或查看试验结果。同时控制数据采集卡获取监控传感器数据，保护系统 运行， 出现异常时报警并采取保护措施。软件安装在上位机，与下位控制器和飞机液压系 统试验总控 机（以下简称总控 机）通过网络传递数据和控制指令，实现远 程控制和监控。 基于 Windows 2000 和 NI LabVIEW 8.2 环境开发了反推力加载系统上位机的主 控软件，经过测试和实际运行，证明软件设计是有效、可靠的。 本章将首先对软件编写使用的 LabVIEW 和虚拟仪器技术作简单的介绍， 之后叙 述软件系统总体结构，并详细描述主要功能实现方法。
4.1 虚拟仪器技术及 LabVIEW 简介
4.1.1 虚拟仪器概念
1986 年美国 NI（National Instrument）公司提出虚拟仪器的概念，此后，随着计 算 机 技 术 和 测 量 技 术 的 发 展 ， 虚 拟 仪 器 技 术 也 迅 速 发 展 。 虚 拟 仪 器 （ virtual instruments）是基于 机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个 重要方向，这种结合主要有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就 是所谓智能化的仪器。随着 机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪 器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装 入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器 主要是指这种方式。 虚拟仪器由计算机、软件，以及模块化硬件组成，以实现传统硬件仪器的功能。 它通过软件将计算机与硬件的资源有机结合在一起，同时发挥了计算机强大的计算 处理能力和硬件的测试能力。 与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：可对测试量进行复杂的处理和计算，
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第四章
加载系统软件设计
处理速度快；对测试结果的表达方式多样化，可以直接显示图像或显示数据；可以 方便的存储和交换测试数据；尽可能采用通用硬件，功能由软件定义实现，价格低， 技术更新快。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都 可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，充分体现了软件就是仪器的设 计思想。 软件是虚拟仪器的核心，目前基于虚拟仪器的图形化编程软件开发平台主要有 两个：美国惠普(HP)公司的 HPVEE 和 NI 公司的 LabVIEW。LabVIEW 推出的时间 较早，应用也相对广泛。随着 机网络的发展，虚拟仪器与 Internet 技术的结合为 虚拟仪器网络化、工业现场远程测控提供了更好的实现平台。
4.1.2 LabVIEW 软件简介
LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境 （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是 NI 推出的一种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台。 LabVIEW 不仅是功能完整的软件开发环境，也是一种功能强大的编程语言。 LabVIEW 编程环境中，采用基于流程图的图形化编程方式，通过数据线连接程序节 点进行编程，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。
4.1.2.1 LabVIEW 程序的组成
虚拟仪器是 LabVIEW 首先提出的创新概念，LabVIEW 编写的程序也都以.vi 为 后缀，就表示虚拟仪器。一个 VI 由前面板、程序框图和图标连接端口组成。 1) 前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，包括用于用户输入的 控制件（control）和用于结果输出的显示件（indicator） ，以及其他辅助图形， 可以完全模仿真实仪器的界面。 2) 程序框图提供 VI 的图形化源程序，控制前面板的输入输出，控制程序运行， 处理数据，实现仪器功能。将 VI 与标准仪器相比较，前面板相当于仪器操 作面板，程序框图相当于仪器的电路结构。 3) VI 具有层次化和结构化的特征。一个 VI 可以作为子程序，这里称为子 VI （subVI） ，被其他 VI 调用。图标作为子 VI 在程序框图中的标识，连接端口 定义了子 VI 的输入输出变量。 VI 相当于定义了输入输出端口的集成功能 子 模块。
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4.1.2.2 LabVIEW 的优势
LabVIEW 作为测试软件开发平台有如下特点和优点： 1) 直观的图形和模块化编程，使用了大量工业中常用的术语、图标和概念，具 有详细的帮助文 各种实例帮助学习编程，并可通过设置断点、逐步运行 等手段调试程序，对于已经熟悉测试系统的人员，上手快，效率高。 2) LabVIEW 是一个带有扩展功能库和子程序的通用程序设计系统，提供数百 种功能模块(子 VI，类似其它计算机语言的子程序或函数)包括算术运算、函 数运算、信号采集、信号输出、数据存取、信号分析处理、数据通信等数据 模块，涵盖了测试的各个环节，编程时可以直接调用，极短的时间内就可以 设计好一个高效而实用的测试软件， 再配以相应的硬件就可完成各种测试任 务。既节约了时间，又可提高测试的可控制性及测试速度。 3) LabVIEW 提供了数百种仪器的源码级驱动程序，包括 DAQ、GPIB、PXI、 VXI、RS232，根据需要还可以在 LabVIEW 中自行开发各种硬件驱动程序， 也可通过动态链接库(dll)利用其它语言开发驱动函数库，从而进一步扩展其 功能。随着 LabVIEW 的使用越来越广泛，不仅 NI 公司的仪器，许多非 NI 的硬件也提供了专门针对 LabVIEW 写的驱动和子 VI。 4) LabVIEW 具有强大的图形显示功能，在前面板上直接使用图表（Graph 或 Chart）就能方便的动态显示曲线。除模拟量之外，还可以显示数字量，三 维曲面和曲线等，提供了灵活多样的数据表达方法。 5) LabVIEW 继承并发展了结构化和模块化程序设计概念，使测试程序能够很 好地体现分层性、模块化，既可以把任意一个测试程序当作顶层程序，也可 将其当作其它测试程序的子程序， 这样用户就可以把一个复杂的应用任务分 一系列、多层次的子任务。通过为每个子任务设置不同的功能，并将这 些测试子程序进行适当的组合、修改、交叉的合并等，就可以在顶层最终建 成一个包括所有应用功能的测试系统。 6) LabVIEW 具有很强的开放性，是一个开放的开发环境，能和第三方软件轻 松连接。通过 LabVIEW 可以把现有的应用程序和 ActiveX、dll 等相连，调 用系统函数，可以和 MATLAB 混合编程，也可以在 LabVIEW 中创建能在 其它软件环境中调用的独立执行程序或动态链接库。 7) 多线程技术是高级程序设计的核心技术之一，也是提高应用程序效率和性能 的主要技术途径。LabVIEW 使用数据流模型，多任 概念变得非常直观。
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第四章
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LabVIEW 把线程完全抽象出来，编程者不需要对线程进行创建、撤销以及 同步等操作。LabVIEW 中数据以数据流的形式存在，若要静态保存数据， 只有将数据赋值给显示件或控件，或存储在 while 或 for 循环的移位寄存器 中。 8) LabVIEW 具有强大的网络功能，LabVIEW 支持常用的网络协议，如传输控 制 协 议 (TCP/IP) 、 用 户 数 据 报 协 议 (UDP) ， SMTP Email ， 并 有 独 特 的 DataSocket、共享变量（Shared Variable） 、共享前面板等网络传递数据的方 法。方便将系统引入网络，实现远程控制。
4.2 软件总体功能及构成
4.2.1 软件功能及设计思想
软件要实现的功能主要包括：a）试验过程控制，通过向下位机发出指令控制试 验开始或终止，选择加载模式；b）通过数据采集对系统进行监控，出现问题时停止 加载并发出警示；c）通过网络连接下位机和总控 机，收发数据和指令；d）实 时显示数据以反映试验进行状况，保存试验数据。以及传感器标定、建立载荷曲线 文件等辅助功能。 其中，试验过程控制是最重要的环节，通过与下位机网络通信实现，开始停止 试验以及试验设定都需要用户操作输入指令，因此与辅助功能一起在程序主模块中 实现。数据采集过程自始至终进行，设定好参数就不再需要用户干预，对于每次读 入的数据自动进行处理，发生异常时通知主程序即可；与总控 机的通信主要是 接收回复指令发送数据，不对试验过程产生影响；对界面的更新耗费时间，也不必 使用很高的频率，因此以上三部分独立进行。综上整个软件可分为四个相对独立的 模块：程序控制，数据采集，连接总控 机，更新界面显示。
4.2.2 前面板设计
根据软件系统需要用户给出的操作和用户希望或需要从虚拟前面板上看到的信 息设计了主程序的前面板，见图 4-1。
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菜单 标题 状态指示灯 左机架状态监视 右机架状态监视
图 4-1 主程序前面板 Fig.4-1 Front panel of the main program
程序的菜单主要用来打开辅助功能模块，使用菜单可以使前面板更简洁。菜单 项和 的功能包括：
参数标定（传感器标定） 状态参数（报警参数设定） 系统设置 网络参数（网络连接参数） 载荷曲线（新建载荷曲线或编辑已有载荷曲线） 力-位移曲线（查看两侧载荷曲线） 状态监测 监测传感器（查看每侧 4 个监测传感器数值曲线） 压力传感器（查看油缸前后压力传感器数值曲线） 读取（读取已保存的实验数据） 数据处理 保存（保存此次实验数据）
退出（退出加载系统软件）
状态指示灯包括网络状态指示灯，显示与下位机和液压试验综合测控系统的通 讯状态，灯亮表示连接已经建立； “运行”灯亮表示已经准备好进行加载，系统运行 异常或发生错误时“错误”指示灯亮。载荷曲线选择下拉菜单可以选择加载状态， 包括：正常加载，终止反推，返回加载三种。
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左右机架状态监视主要有左侧的实时图表，右侧的加载按钮和报警指示灯。实 时图表可以在三种视图间切换：力-位移曲线，监测传感器，压力传感器，通过菜单 中“状态监测”下的选项进行选择。力-位移曲线显示当前选择的加载曲线，加载中 和加载后也显示读取到的实时力-位移数据；监测传感器显示两侧监测拉压力传感器 的数值，当某压力超过范围，系统将报警；压力传感器指两侧油缸 A/B 腔的压力， 稳定后可进行反推力的打开或关闭。 由于伺服加载系统切换至闭环控制且稳定后 A/B 腔的压力通常稳定在某一数值，为了便于观测，在右侧增加了分别显示两侧 A/B 腔 压力的数值显示件。
图 4-2 状态监视 Fig. 4-2 State monitor
报警信号如图 4-2所标示，上方飞机图形是左/右机架总状态，平时为暗绿色， 载荷输出时为亮绿色，出错为亮红色。按下加载按钮选择是否对该侧进行加载。下 方是详细的各部分状态，系统出错时可以具体显示是哪一部分出现异常。 下图为系统控制按钮。 “启动”按钮可启动加载系统，切换为闭环控制； “停止” 按钮停止加载，切换至开环； “退出系统”功能同菜单中的“退出” ，退出加载系统 软件。 “急停”和“油路卸荷”功能如标签。
图 4-3 控制按钮 Fig. 4-3 Control button
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4.2.3 程序总体结构
为了更好的利用 LabVIEW 的优势，有效使用系统资源，四个模块间没有直接数 据交换，各自拥有独立的循环，LabVIEW 将周期性地在各循环间切换，相当于并行 运行。不强制设定程序运行顺序可以更有效的使用系统资源，发挥数据流编程的优 势。 软件总体结构见图 4-4， 箭头方向表示有数据传递的方向， 但不是直接数据连线， 而是通过间接的数据交换。
连接总控 机： 接收总控 机指令并作 应答，发送试验数据。
1
程序控制： 试验过程控制及参数设定； 传感器标定、数据文件保存及查 看、曲线文件管理等辅助功能。
2
更新界面显示： 以一定频率更新主界面的 图表和 LED 显示状态。 5 数据采集： 通过数据采集卡读取并处 理数字信号和模拟信号。
3
4
图 4-4 软件总体结构示意图 Fig.4-4 Sketch map of the software
不通过连线间接传递数据的方法有多种：1）局部变量，全局变量：每一次变量 的读操作都会给数据生成一个新的缓冲区，在使用大数组、字符串或复杂数据结构 时会对内存使用和执行速度带来很大影响；全局变量相当于只有前面板的子 VI，使 用它传递大数组时更消耗系统资源。2）属性节点：使用属性节点会引起线程间的交 换，从而降低效率。如果只是为了更新控件的值不要使用属性节点，但通过属性节 点可进行一些特殊的操作，如改变控件的数据范围、颜色等特性，并可在改变控件 值的同时生成“数值改变” （Value Change）事件，变量读写不能激发事件。使用局 部变量、全局变量和属性节点进行操作时，控件和显示件都是既可读又可写的。此 外还有通告、队列、自定义事件等，多用于构建特定的软件模型。局部变量使用方 便，速度快，因此程序中多采用局部变量在并行部分间传递数据。因为没有数据流
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限制，需注意对数据的读写顺序，以免出现错误。少量使用了属性节点，改变控件 的外观和性能。程序中各模块间传递的数据如下（按示意图中编号顺序） ：
表 4-1 模块间数据传递关系
1．“程序控制”向“连接总控 机” 2．“程序控制”向“更新界面显示” 3．“程序控制”向“数据采集” 4．“数据采集”向“程序控制” 5．“数据采集”向“更新界面显示”
“退出”指令(exit?) 实际加载曲线数据，“退出”指令(exit?) “退出”指令(exit?) “错误”指令(error) 传感器数据，系统状态数据
其中所谓“指令” ，使用类似文本语言中 flag 的 BOOL 显示件，括号里就是对应 显示件的名称，发出指令的一方根据当前状态改写显示件的值，收指令的一方读取 显示件的局部变量，避免对数据操作出现冲突。程序开始运行时，各个模块都开始 运行， 进入各自的循环。 “程序控制” 模块接到用户指令退出程序时， 结束自身循环， 循环结束后置 exit?值为 TRUE；接收“退出”指令的模块设定为 exit?为 TRUE 时退 出循环，这些模块都结束循环后再写 exit?变量为 FALSE，以免下 序运行时其他 模块不能 执行。 数据的传递与此类似， “程序控制”和“数据采集”模块将数据写入数组显示件， “更新界面显示”模块从数组的局部变量中读取数据。指令传递是标量，数据传递 虽然是数组，只在“更新界面显示”模块中使用局部变量，而这个模块的循环时间 间隔比其他模块长，200ms，且对时间没有严格要求，因此并不造成负担。用于传递 指令和数据的显示件在前面板都是隐藏的，系统不必在前面板更新这些显示件的状 态，更节省了系统消耗。 “更新界面显示”模块结构简单，不再详细叙述。接下来各节将详细说明其余 三个模块。
4.3 程序控制模块
4.3.1 模块功能及结构
程序控制是整个程序的主要部分，用来响应用户动作，实现程序各项功能。此 部分结构采用状态机模型（states machine） 。状态机模型的基本结构为 while 循环中
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放入 case 条件选择。Case 用作判断条件的状态变量就是当前状态的标识，经判断进 入不同状态，如图 4-5所示 case 的判断条件是定义为严格类型定义（Strict Typedef） 的 Enum，每项标签使用状态名，简单直观。状态机模型可以使程序按照指定的顺序 运行，有利于改善程序的可读性，使程序易于编写和维护。
图 4-5 LabVIEW 中提供的标准状态机模板 Fig. 4-5 Standard state machine template in LabVIEW
不同状态间数据传递使用 while 循环结构的移位寄存器（Shift Register） 。移位寄 存器可以将数据从一个循环周期传递到下一个周期，或者保存更多次循环，相当于 数据线直接连接，速度快而且稳定。使用移位寄存器需要注意的是循环开始前移位 寄存器的初始化，如果没有进行初始化，移位寄存器中保存最近一次运行时的数据。 本软件中存在的各状态及转换关系如图 4-6， 在各状态中执行相应的操作， 实现 软件功能。由图示可以看出程序控制模块主要包括初始化、退出、等待、加载四部 分。状态变量的传递也使用移位寄存器，默认进入等待状态。
初始化
准备加载 辅助功能 等待 结束加载 等待 加载 加载
退出
图 4-6 程序控制结构 Fig. 4-6 Structure of program control
初始化在程序开始运行时，设定程序某些默认状态，主要操作有：1）初始化曲
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线列表，将曲线列表初始化为“正常加载”“终止反推”“收回加载”三项，并使 、 、 当前值为“终止反推” ，与控制器默认值保持一致；1）初始化图表显示状态和载荷 曲线数据数组；2）初始化工作状态显示，显示区域可以在三种状态间切换，初始化 当前显示油缸压力传感器曲线；3）注册动态事件，等待和加载时都使用了事件响应 结构，为避免冲突，分别注册相应的动态事件。 退出操作恢复程序变量的默认值， “程序控制” 退出 模块循环， exit?为 TRUE。 置 程序运行过程中主要包括等待状态和加载。初始化结束后，进入等待状态，只 有在等待状态可以退出程序。按下开始按钮等待切换至加载，按下停止按钮加载切 换至等待。等待状态下主要实现参数设定、数据存储和读取等辅助功能；切换至加 载状态后，控制下位机开闭环切换，读取下位机采集的位移和压力数据。
4.3.2 等待
等待状态使用事件结构（event structure）响应事件响应用户进行的操作，进入 不同状态。事件结构可以提高程序的效率，只在事件发生时采取操作。但事件响应 冲突时会导致程序瘫痪，因此在一个程序里最好只有一个事件结构。但是为了操作 方便的同时节省资源，在等待状态和加载状态都使用了事件结构，为此选择注册动 态事件，使不同事件结构响应不同的动态事件，不需要响应对某控件的操作时，设 置控件不可操作或取消对此事件的注册。
图 4-7 注册和注销动态事件模块 Fig. 4-7 Register and unregister event blocks
事件发生后，给状态变量移位寄存器赋新值，决定下次循环进入的状态。除一 些简单的操作，如切换界面图表显示外，各功能只在各状态中实现，可以使程序更 有条理。 等待状态响应的事件及其确定的状态变量或进行的操作见表 4-2。 超时事件 是系统事件，若设定时间内无其他事件发生则触发此事件，响应超时操作是为了用 户可以修改界面上控件的值，这里设置超时时间为 100ms，足够响应人的动作。其 余事件为动态注册的用户事件。
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表 4-2 等待状态响应的用户事件
事件 超时（Timeout，系统事件） 参数标定（PAR_CALI） 状态参数（PAR_LIMIT） 载荷曲线（CURVE） 力-位移曲线（VIEW_MAIN） 菜单选择 （Menu Selection） 监测传感器（VIEW_4） 压力传感器（VIEW_2） 数据读取（DATA_VIEW） 数据保存（DATA_SAVE） 退出（MAIN_EXIT） 关闭前面板或“退出”按钮值改变 （Panel Close，
状态 参数标定（calibration） 状态参数（limitSet） 载荷曲线（load curve） 等待（wait） 主界面显示切换到力-位移曲线 等待（wait） 主界面显示切换到监测传感器 等待（wait） 主界面显示切换到压力传感器 数据读取（dataView） 数据保存（dataSave） 退出（exit） 退出（exit） 准备运行（preRun） 重绘曲线（paintMainDisp）
属于等待部分的各状态（只在 wait 和本状态之间切换的状态）中，参数标定 （calibration）进行对传感器的标定，状态参数（limitSet）进行对传感器测量值上下 限的设置，将在数据采集部分进行说明。载荷曲线（load curve）进行对工控机上已 有载荷曲线的 ，可以新建或编辑曲线。数据读取（dataView）和数据保存 （dataSave）是对试验结果数据的操作，重绘曲线（paintMainDisp）涉及到加载系统 加载模式的选择，下文将详细介绍这三个状态的程序设计。
4.3.2.1 数据保存和读取
数据保存将当前的试验数据：力和位移组成的二维数组，以及当前试验条件： 所选加载曲线，保存在文本文 。数据读取反过来读取已有的试验数据文件，在 窗口中显示曲线，以便事后查看试验结果。
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1．数据保存 将上次试验左右侧力与位移数据连同选择的载荷曲线保存为文本文件，以便结 果查看和处理。弹出对话框供用户选择数据保存的路径，默认路径为程序目录 /dataFile，默认文件名为 YYYY-MM-DD_hh-mm.txt，如 2007-12-27_14-34.txt，表示 保存文件的时间为 2007 年 12 月 27 日 14 点 34 分。程序框图如下：
图 4-8 数据保存程序框图 Fig. 4-8 Block diagram of DataSave
TimeString.vi 和 SaveData.vi 是两个自定义子 VI。TimeString.vi 的作用是获取保 存文件时系统时间作为参考文件名，由 VI 当前所在路径得到默认存储路径，输入到 LabVIEW 的快速 VI： 文件对话框(File dialog)。 文件对话框运行时将弹出类似 Windows 系统的文件选择窗口，使用其他输入参数可以改变窗 名称、按钮标签，对窗口 中文件列表的显示和文件名的选择进行限制，在快速 VI 的属性可以设置对话框选择 文件的模式（图 4-9） 。
图 4-9 文件对话框属性 Fig. 4-9 Property of File Dialog
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最终得到的弹出窗口如下：
图 4-10 文件对话框 Fig. 4-10 File dialog
如果没有取消文件路径选择对话框，调用 SaveData.vi 保存数据。为了便于使用 Matlab 等程序处理数据，将双精度浮点数数据转化成十进制小数字符串，保存为文 本文 文件内容格式如下： [curve data] *数据* [data_left] *数据* [data_right] *数据* 其中数据是位移列和载荷列组成的二维数组，精度可设，默认为小数点后 5 位， 数据间用空格分隔。 2．数据读取 数据读取读入已保存的数据文件，并显示在界面上。初始界面如图示，利用图 表右上方的 Graph Palette 可以对图形进行缩放和移动。按下“打开文件” ，打开选择 文件对话框，将选中的文件数据显示在图表中，按下“退出”按钮或关闭窗口可以 退出程序。 //右侧台架试验数据 //左侧台架试验数据 //目标载荷曲线
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图 4-11 数据读取界面 Fig. 4-11 GUI of DataView
将文件中的数据转化为图形时，先读入数据并将数据分离成三个 n*2 数组，分 别是加载曲线、左侧试验数据、右侧试验数据，数组的两列是一一对应的载荷和位 移。调用子 VI Data to XY Graph with Range.vi 处理数组得到 XY 图表图形。图 4-12 是此 VI 处理数据的基本流程图，处理结束后将理论曲线、误差上限、误差下限、实 际曲线、超出误差数据点分别生成 XY 曲线，一起显示在界面中，以便比较。默认 误差为 15%。在图表上点击右键可以保存当前图像为 bmp 等格式文件，或者把图像 输出到系统剪贴板。
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开始
从数组中读取 试验数据
实验数据读 取完毕 Y N 根据位移查找试验数 据在载荷曲线中位置 理论载荷 及误差上下限 结束
N
实际载荷是 否在误差内 Y 位移和载荷值 加入误差数组
图 4-12 Data to XY Graph with Range.vi 流程图 Fig. 4-12 Flow chart of Data to XY Graph with Range.vi
4.3.2.2 重绘曲线
重绘曲线状态中，根据加载载荷曲线新的设定值，从保存的曲线文件中读取载 荷曲线数据保存在 curve data 数组中，并清除当前主力及位移数据，刷新力-位移曲 线图表。同时使用 DataSocket（关于 DataSocket 的说明将在网络通信一节）的写函 数通过 opc 服务器改变控制器中变量的值，设置新的加载状态，控制器自动切换控 制参数。需要写入的值 opc 地址如下： opc://localhost/CoDeSys.OPC.02/PLC_PRG.sw_norm_r； opc://localhost/CoDeSys.OPC.02/PLC_PRG.sw_stop_r；
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opc://localhost/CoDeSys.OPC.02/PLC_PRG.sw_back_r。
4.3.3 加载
加载状态分为三步：准备运行、运行、结束运行。 准备运行时取消对等待状态中响应的动态事件的注册，通过 opc 向控制器发出 指令，依次打开积分清零，切换至闭环，关闭积分清零，使加载系统处于闭环控制， 切换主视图至压力传感器以便观测加载油缸压力，确认油源升压完毕且油缸压力稳 定在经验值后，可以选择开始试验进入运行状态，或者选择取消试验直接进入结束 运行状态。 运行状态， 分别在两个独立的 while 循环中进行与控制器的数据传输和用户事件 响应。读取控制器数据的程序框图如下，每隔 20ms 从 opc 服务器读取两侧压力值和 位移值，因为反推力装置停在初始位置时的数据没有意义，因此判断读到的数据位 移量是否在（0，406.4）区间内且与上次位移量不同，满足条件的数据分别加入左右 侧数组。把左右侧数据分开是考虑到两侧初始位置可能不同，加载过程可能存在不 同步。直到按下停止键或数据采集模块发出错误信号退出循环。退出循环后使用属 性节点的 Value（Signal）将“运行”指示灯（sys state）的状态置为 FALSE，这样， 在改变显示件值的同时生成用户事件，可以使响应用户事件部分的程序退出循环。
图 4-13 读取试验数据程序框图 Fig. 4-13 Block diagram of data reading process
响应用户事件的是典型的 event structure， 在循环中套入 event 结构， 响应的事件 见表 4-3，都是动态事件，需要在循环开始前进行注册，并在循环结束后注销。
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表 4-3 运行时响应的用户事件列表
事件 力-位移曲线（VIEW_MAIN） 菜单选择 (Menu Selection) 监测传感器（VIEW_4） 压力传感器（VIEW_2） 数据保存（DATA_SAVE） “运行”指示灯状态改变(
操作 主界面显示切换到力-位移曲线 主界面显示切换到监测传感器 主界面显示切换到压力传感器 数据保存 退出循环 重绘曲线并向控制器发送新的 曲线选择
两个循环都结束后进入结束运行状态。结束运行状态中重新注册等待时响应的 动态事件，并发送指令使两侧处于开环控制。
4.4 数据采集
由加载系统直接传递到工控机的信号有：每侧四个监测传感器，加载油缸 A、B 腔的压力传感器，共 12 路模拟输入信号；两侧台架前后限位开关、加载油缸 A、B 腔报警信号、滤油器报警信号、系统急停信号，共 11 路数字输入信号；此外还有电 磁卸荷溢流阀 2 路数字输出信号。所用的研华的数据采集卡提供了模块化子 VI，可 与 NI 的 DAQ（Data Acquisition）驱动通用，使用 LabVIEW 可以方便的编写出数据 采集程序。利用采到的数据可以判断系统状态，及时发现异常并采取措施，也可以 根据采集的数据进行传感器标定。
4.4.1 数据采集 模拟输入
数据采集 模拟输入可以分为软件定时和硬件定时。软件定时指由软件控制 数据读入的速度，每次模数转换都要软件向硬件发送单独指令，多用于输出单一值， 如稳定直流电压。硬件定时指数据产生的速度由一个硬件数字信号控制，这一信号 可以是内部产生或外部提供。比起软件定时，硬件定时的优点有：采样点之间的时 间可以短得多，即采样频率高；采样点之间的时间可以是 的，比软件定时精 度高；可使用硬件触发，拓展系统功能等。 硬件定时操作又可以是有缓冲或无缓冲，缓冲器是 机内存中用来临时保存 读入数据的空间。无缓冲输入时，直接从硬件 ADC 读入数据。常用于以已知时间间
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隔读入单一数据。有缓冲输入时，数据从 ADC 传送到系统内存中。因为每次传送大 量数据，可以获得更快的速度。要连续读入高精度的信号，最好每次读入批量数据。 综上可知，要想获得高速度、采样频率稳定的数据应选用硬件定时，有缓冲输 入。缓冲输入有优点也有缺点，当程序读取数据不够迅速时，或者新的数据覆盖旧 的数据造成数据丢失，或者发生缓存溢出错误（data overflow） ，因此应适当设置采 样频率和每次读入的采样点数。系统中选用的研华 PCI1710L 板卡，分辨率 12bit， FIFO 大小 4k 采样点，最大采样率 100KS/s，经过实验并考虑实际需要，设置采样频 率为 1kHz，每次读入点数 100 点。读入的数据保存最新 2000 点，对读入的数据处 理看是否超出限制，超出则报警。 采集 采集的模拟信号是电压信号，而传感器信号是电流信号，电压信号范 围-10~+10V，电流信号范围 0~20mA，因此通过接线板在模拟输入端并联约 500ohm 的电阻，将电流信号转化为电压信号。
4.4.2 数据采集 数字输入与输出
虽然不能有两个模拟输入任务访问一块板卡，模拟输入和数字输入输出可以并 行运行，并不产生冲突。因此数字输入输出在与模拟输入并行的 while 循环内。读入 的数字信号状态的变化是状态的切换而非脉冲，对采样率要求不高。可以采用软件 定时，设置循环时间间隔为 20ms。输出的数字信号同样是切换高低电平，因此使用 轮询结构，仅当需要输出的信号发生变化时进行数字输出。加载系统的数字信号是 高压信号，采集卡的数字输入输出是低压信号，因此也需要端子板进行转接。
4.5 网络通信
LabVIEW 具有强大的网络通信功能，支持 TCP/IP 协议、UDP 协议等，NI 还开 发了 DataSocket 技术，简化网络通信编程，可实现高速数据交换，此外还可以通过 远程面板访问，直接操作远端计算机上的 VI 前面板。在 LabVIEW 功能面板的 Data Communication>Protocols 下提供了多种协议的操作 VI。
4.5.1 与控制器通信
与控制器的通信是实现软件系统控制加载系统的关键。OPC 简介参见OPC 简介。 LabVIEW 中通过 DataSocket 技术作为 OPC 客户端读取 CoDeSys OPC-Server 中的数
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据。 DataSocket 是美国 NI 公司开发的一种面向网络化测试进行实时数据高速交换的 编程新技术，对 TCP/IP 协议进行高度封装，摒弃了较为复杂的 TCP/IP 底层编程， 简化了网络数据传输的实现，用户只需知道数据源及要传输的数据就可以在不同的 机器和不同的应用程序之间传输数据，而不需要关心底层具体是如何操作的。 DataSocket 用类似于 Web 中的统一资源定位器(URL)定位数据源，URL 不同的前缀 表示了不同的数据类型。file 表示本地文件，http 为超文本传输资源，ftp 为文件传输 协议，opc 表示访问的资源是 OPC 服务器，dstp(DataSocket transfer protocol)说明数 据来自 DataSocket 服务器的实时数据。 一个 DataSocket Server 最多可以支持 1000 个 接收者和发布者。
图 4-14 访问 OPC Server 程序框图 Fig. 4-14 Block diagram of access to an OPC Server 4.5.2 与总控 机通信
总控 机软件使用 VC 编写，没有安装 LabVIEW，不能使用远程面板，也没 有可供 opc 服务器或 DataSocket 访问的资源，因此使用通用的通信协议实现数据传 递。在 LabVIEW 功能面板的 Data Communication>Protocols 下提供了多种协议的操 作 VI， 直接调用这些 VI 就可以建立连接、 收发数据。 常用的网络通信协议有 TCP/IP 协议和 UDP 协议。TCP（transmission control protocol，传输控制协议）提供面向连 接的可靠的传输层服务，保证数据传输的完整性、可控制性和可靠性。UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）是无连接模式协议，提供向另一用户程序发送 信息的最简便的协议机制， 使用 IP 路由功能把数据包发送到目的地， 是面向操作的、 不可靠的数据传输[25]。总控 机发送的数据主要是控制指令和压力数据，应保证 数据的完整和顺序，因此选用 TCP 协议。
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加载系统软件设计
总控 机收发数据类型为结构（structure） ，成员类型包括枚举（enum） 、整型 数（int） ，浮点数（float） 。LabVIEW 中使用 TCP 协议相关 VI，只要保证数据格式 与总控系统一致就可以 '通信。LabVIEW 中的簇（cluster）相当于结构，对应的 成员数据类型见：
表 4-4 VC 与 LabVIEW 中数据类型匹配
VC enum int float
LabVIEW Enum（U32） ，或 U32 I32 SGL
为保证簇中数据顺序，可以将簇保存为自定义控件。由于 TCP 传输的是无结构 比特流， LabVIEW 通过 TCP 发送数据前要利用 Data Manipulation 中的 Flatten to String 将数据转化为二进制字符串，注意字节顺序（byte order）应与目标计算机一致。 总控 机作为服务器等待工控机主动连接，两者间传递的数据主要是指令应 答和试验曲线，总控 机不干预上位机软件的运行。因此使用了类似状态机的结 构，状态分为有连接和无连接，初始状态为无连接。没有连接时，不断尝试连接总 控计算机；有连接时，等待总控 机指令，收到指令发回对应的数据，未收到指 令则继续等待。如果发送数据超时或检测到连接已断开说明与总控的连接断开，关 闭连接参考号，切换至无连接状态继续不断尝试连接，直到 exit?为 TRUE。超时全 部设置为 200ms。
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第四章
加载系统软件设计
开始
尝试连接
N Y
有连接？ Y 收到数据 Y N
超时？
N
N
发送数据
超时？ Y 关闭连接
图 4-15 与总控 机连接流程图 Fig. 4-15 Flow chart of the process communicating to main console computer
4.6 本章小结
本章是全文的重点，介绍了虚拟仪器和 LabVIEW 的概念和优势，阐述了软件的 整体结构，详细说明了程序控制模块、数据采集模块和网络通信模块的设计思想以 及采用的方法。上位机软件为加载系统提供了人机交互图形操作界面，更方便保存 和查看试验结果，通过数据采集增强了系统的安全性，并与液压试验综合测控系统 建立了联系。至此整个反推力伺服加载系统开发完毕，需要通过试验验证其可靠性 和有效性。
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第五章
试验
第五章 试验
加载系统组建完成后，配合飞机液压综合试验系统，进行了反推力装置相关的 各种试验，包括三种加载状态下的功能试验和故障模拟试验。
5.1 加载系统操作方法简述
加载系统现场如图示，台架左右对称，各装有急停按钮，负 侧急停。
机体左侧台架
机体右侧台架
图 5-1 加载系统 Fig. 5-1 Loading system
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第五章
试验
对加载系统的控制通过上位机进行。上位机软件运行时界面如图：
图 5-2 上位机程序运行界面 Fig. 5-2 User interface of host computer
开始加载前应 打开要加载的台架，加载过程中可以改变曲线选择，却不能 单侧切换开闭环。按下“开始”系统准备加载，上位机向控制器发送切换至闭环指 令， “与控制器连接”灯亮时表示 传送数据，灯灭后可以进行下步操作。指令传 送到控制器后，界面切换到油缸压力监测，参考右方的数值显示件，可以知道加载 液压缸压力是否稳定，是否达到经验稳定值。此时给油源升压到一定值，液压缸压 力稳定在目标值后就可以开始进行加载。按下“停止”系统向控制器发指令切换开 环。每次打开或关闭反推力之间不必切换开闭环，可以直接选择曲线进行新的加载， 节省时间。 无论是否 加载都可以对数据进行保存。试验中出现异常错误时系统自动切 换成开环，退出加载状态。根据界面上各种指示灯的状态，可以了解是哪方面出现 异常，也可以切换界面至监测传感器界面观察传感器读数。
5.2 功能试验
功能试验测试反推力装置在三种加载模式下分别加载，加载要求跟随载荷曲线 误差在 15%之内。选择两侧机架同时加载，记录载荷曲线的同时通过数据采集保存 监测传感器数据。
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第五章
试验
5.2.1 终止起飞加载
两侧力-位移曲线如下图所示，从曲线跟踪的形式上可以看出：除了起始位置和 末端“刹车”位置以外，实际加载曲线都很好地跟踪了理想曲线，在接近位移 50 的 地方出现微小的抖动是因为力在此位置出现了换向。总体上看，虽然终止反推要求 的力很大，跟踪的曲线也是符合要求的。
(a) 左台架加载曲线
(b) 右台架加载曲线
图 5-3 终止起飞加载曲线 Fig. 5-2 Load curve of stop mode
监测传感器得到的各通道载荷值和各通道载荷之和如下，可见各通道载荷基本 平 之间的偏差由耦合方式等因素产生；各通道载荷之和与载荷曲线形状一致。
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第五章
试验
(a) 左台架
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第五章
试验
(b) 右台架
图 5-4 各通道载荷 Fig. 5-4 Load curves of each channel
5.2.2 着陆加载
两侧力-位移曲线如下图所示，从曲线跟踪的形式上可以看出：除了起始位置和 末端“刹车”位置以外，实际加载曲线都很好地跟踪了理想曲线，拐点位置清晰可 见。
(a) 左台架加载曲线
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第五章
试验
(b) 右台架加载曲线
图 5-5 着陆加载曲线 Fig. 5-5 Load curve of normal mode
监测传感器得到的各通道载荷值和各通道载荷之和如下，可见各通道载荷基本 平 之间的偏差由耦合方式等因素产生；各通道载荷之和与载荷曲线形状一致。
(a) 左台架
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第五章
试验
(b) 右台架
图 5-6 各通道载荷 Fig. 5-6 Load curves of each channel
5.2.3 收回加载
收回反推力过程的加载，两侧力-位移曲线如下图所示，从曲线跟踪的形式上可 以看出：除了起始位置的抖动以外，实际加载曲线很好地跟踪了理想曲线。数据为 单侧试验中的右侧数据。
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第五章
试验
图 5-7 收回加载曲线 Fig. 5-7 Load curve of back mode
此时的监测传感器数据曲线如下，可见各通道载荷分布均匀，各通道载荷之和 与载荷曲线形状一致。
图 5-8 各通道载荷 Fig. 5-8 Load curves of each channel
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第五章
试验
以上试验结果表明，加载系统可以很好的跟随理想载荷曲线，并且各通道加载 平 力-位移曲线数据来自与加载系统连接的传感器，监测传感器与反推力作动器 连接，两者的载荷曲线形状基本相同，加载是有效的。
5.3 故障试验
除进行了上述内容的相关试验外，还配合反推力系统进行了四种反推力系统故 障模拟试验和能源系统故障模拟试验。其中，四种反推力系统故障模拟试验主要包 括： 反推力系统故障模拟试验 1： 当反推力系统和加载系统按 着陆方式展开和加 载时，突然分别在工作位移的 50％、60％和 70％处使 DCV（方向控制阀）断电，要 求活动平台能在反推力系统的反向推动下克服加载力的作用而收回到起始点； 反推力系统故障模拟试验 2：当反推力系统和加载系统按返回方式收回和加载 时，突然分别在工作位移的 60％、70％和 80％处使 DCV 加电，要求活动平台能在 反推力系统和加载系统的共同作用下展开到最大位移处； 反推力系统故障模拟试验 3： 当反推力系统和加载系统按 着陆方式展开和加 载时，突然分别在工作位移的 50％、60％和 70％处使 ICV（隔离控制器）断电，要 求活动平台能在反推力系统和加载系统的共同作用下展开到最大位移处； 反推力系统故障模拟试验 4：当反推力系统和加载系统按返回方式收回和加载 时，突然分别在工作位移的 60％、70％和 80％处使 ICV 断电，要求活动平台能在反 推力系统和加载系统的共同作用下展开到最大位移处。 能源系统故障模拟试验是指当机载液压泵出现故障后，启用备用的电动泵给反 推力系统供油后，反推力加载系统仍能工作在终止起飞加载工况和返回加载工况。 为此，对左、右通道分别进行了上述反推力系统故障模拟试验和能源系统故障 模拟试验，试验结果都表明，所设计的 ARJ21 飞机液压系统地面模拟试验反推力加 载系统基本达到了四种反推力系统故障模拟试验和能源系统故障模拟试验的要求。
5.4 本章小结
配合飞机液压综合试验系统，完成了反推力相关的一系列试验，为反推力装置 以及和全机液压系统配合的可靠性判定提供了依据。结果证明加载系统是有效、可 靠的。
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第六章
总结与展望
第六章 总结与展望
反推力装置是提升飞机性能的重要系统，本文研究并开发了加载系统以模拟其 打开和收回过程所受空气载荷，从而检测其操纵系统、液压系统的技术性能指标， 为反推力作动系统及全机液压系统的适航符合性提供试验依据。 针对反推力装置的实际作动结构制定了基本加载方案，对四个作动器实行集中 加载，分析表明方案可以对四个作动器实现稳定、平 加载。根据反推力液压缸 的三维位置坐标进行机械接 算，按照 结果设计了加载台架，保证了反推力 装置安装位置与实际情况一致。根据气动载荷的加载特点和系统的信号传递关系， 完成了液压伺服系统和电气系统的集成。 控制系统采用了上位机与下位机结合的形式，下位机的控制器编程实现液压伺 服系统的 PID 控制，通过实验确定了较优的控制参数，并通过 OPC 与上位机建立数 据传输。基于 LabVIEW 设计了集成系统的软件，软件具有简洁易操作的用户界面， 利用软件可以控制试验过程，保存和查看数据，设置系统参数。软件实现了对各监 测传感器的实时数据采集，可以在试验过程中随时调出界面进行观测，编写了与下 位机和飞机液压试验综合测控系统的通信程序，实现了加载系统的远程控制。 利用该加载系统完成了多次反推力装置的功能试验及故障试验。结果证明加载 系统操作方便，功能完善，能够对反推力装置进行稳定、精确的加载。 根据液压系统的发展现状，系统中还存在一些可以在将来改进的地方。 控制方法：可以尝试自适应或模糊控制与 PID 控制相结合的算法。控制参数的 调试过程复杂且花费时间长，而且电液加载系统对油温、油压等环境参数的变化十 分敏感，并不存在任何环境下都能达到最好效果的参数。如果使用自适应控制，可 以节省调试参数的精力，并使系统本身具有更好的环境适应性。 上位机软件：下位机程序的控制律参数一旦改变，只能通过直接修改固件程序 修改。上下位机使用 OPC 通信，虽然简化了双方的编程，也造成一定限制：symbol 文件中变量的增加，尤其是可写变量的增加将大大降低通信的速度。因此系统中尽 量减少了变量数量。可以考虑在下位机编程中调用 WinSOCK 模块，与上位机通过 TCP/IP 协议交换数据，应可获得更高的准 和速度。
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参考文献
参 考 文 献
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参考文献
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致谢
致 谢
本文是在我的指导教师熊振华副教授的悉心指导下完成的。他在学术上的一丝 不苟，在工作中的兢兢业业，对待他人的诚恳热情等等，都值得我尊敬和学习。 感谢盛鑫军老师、泮健同学及参与本课题的其他老师，在课题进展中提供了热 情的帮助，使我在科研工作方面获益匪浅。 同时，我还要感谢机器人研究所各位老师，在硕 究生期间我所学的知识、 所有的成果都渗透着这些老师的心血。这里，我真心的对老师们表示最诚挚的谢意。 感谢我们实验室各位同学，王禹林、张波、唐启峰等都曾经在我需要的时候提 供了无私的帮助，平时大家在实验室创造的良好科研气氛也一直激励着我，在此也 向他们表示衷心的感谢。 最后，衷心的感谢我的父母和家人，一直关怀我支持我，有他们才能有今天的 我。
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攻读硕 位期间已发表或录用的论文
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[1] 张砚芳. 基于 LabVIEW 的飞机机轮转速模拟装置. 机工程与应用.
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ARJ21飞机反推力伺服加载系统的研究
作者： 学位授予单位： 张砚芳 上海交通大学
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