摘?要：介紹了一種利用PLC設(shè)計(jì)的飛機(jī)縱向重心自動(dòng)調(diào)節(jié)" title="自動(dòng)調(diào)節(jié)">自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：可編程控制器? 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)? 飛機(jī)縱向重心
?
??? 飛機(jī)重心的位置直接影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱特性，飛機(jī)定型試飛過(guò)程中經(jīng)常要對(duì)飛機(jī)的重心位置進(jìn)行調(diào)整，以便驗(yàn)證不同重心狀態(tài)下飛機(jī)的操縱穩(wěn)定特性。為順利完成飛機(jī)的重心試飛試驗(yàn)，這里設(shè)計(jì)了一套基于PLC的飛機(jī)重心自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前世界上主要的控制方法有：①空中客車(chē)公司的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，但安裝不便，成本較高，且不適合粗短型飛機(jī)的試飛。②波音公司的標(biāo)準(zhǔn)砝碼調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該系統(tǒng)改裝工作量小，成本較低，但自動(dòng)化程度不高。經(jīng)過(guò)比較以往各種重心調(diào)節(jié)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)計(jì)算和分析，本系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)砝碼和防凍液聯(lián)合調(diào)節(jié)的方法。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 地面調(diào)節(jié)階段
??? 系統(tǒng)試飛前通過(guò)顯示器觸摸屏向PLC輸入飛機(jī)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)、飛機(jī)加油量、飛行員及試驗(yàn)員質(zhì)量和坐標(biāo)、飛機(jī)預(yù)設(shè)重心值K等參數(shù)，PLC根據(jù)這些輸入?yún)?shù)計(jì)算出飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0，在地面進(jìn)行預(yù)配平。在地面預(yù)配平時(shí)，按照地面預(yù)配平規(guī)律，可以選擇砝碼單獨(dú)預(yù)配平、防凍液?jiǎn)为?dú)預(yù)配平和砝碼防凍液聯(lián)合預(yù)配平三種" title="三種">三種方法。選擇砝碼單獨(dú)預(yù)配平時(shí)，由系統(tǒng)顯示器向系統(tǒng)操作員發(fā)出提示信息，提示操作員搬移砝碼的數(shù)量和方向，通過(guò)改變砝碼在前、后機(jī)艙的質(zhì)量分布將實(shí)時(shí)重心調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)值。選擇防凍液?jiǎn)为?dú)預(yù)配平時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，由PLC來(lái)控制前后輸液泵的工作，通過(guò)改變防凍液在前、后機(jī)艙的質(zhì)量分布將實(shí)時(shí)重心調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)重心。選擇砝碼防凍液聯(lián)合預(yù)配平時(shí)，通過(guò)提示系統(tǒng)操作員搬移砝碼的數(shù)量和方向以及由PLC控制輸液泵來(lái)調(diào)節(jié)防凍液質(zhì)量分布，改變砝碼和防凍液在前、后機(jī)艙的質(zhì)量分布，將實(shí)時(shí)重心調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)重心。聯(lián)合預(yù)配平是以上兩種單獨(dú)預(yù)配平的優(yōu)化組合方法,本系統(tǒng)即采用了這種方法。
1.2 空中調(diào)節(jié)階段
??? 完成地面預(yù)配平后，當(dāng)PLC接收到系統(tǒng)操作員發(fā)送的開(kāi)始空中調(diào)節(jié)命令后，PLC開(kāi)始向系統(tǒng)顯示器發(fā)送實(shí)時(shí)重心值XT0以及采集到的防凍液溫度、壓力液位" title="液位">液位、流量信號(hào)，并接收系統(tǒng)操作員的指令，系統(tǒng)操作員可以通過(guò)切換屏幕觀測(cè)系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；同時(shí)PLC向安裝在駕駛艙的駕駛艙重心顯示器發(fā)送飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0，由駕駛艙重心顯示器向飛行員顯示實(shí)時(shí)重心位置，飛行員可以通過(guò)駕駛艙重心顯示器上的觸摸鍵向PLC發(fā)送飛行員指令。當(dāng)PLC接收到飛行員發(fā)出的緊急指令、特科指令和降落指令時(shí)，系統(tǒng)按照不同指令對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)沒(méi)有三種飛行員指令時(shí)，PLC計(jì)算飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0與預(yù)設(shè)重心值K的差值，當(dāng)該差值超出系統(tǒng)要求的范圍δ時(shí)，PLC控制輸液泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，將實(shí)時(shí)重心值XT0調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)重心值K，即令該差值為0。隨著飛機(jī)燃油的消耗，實(shí)時(shí)重心值XT0又開(kāi)始變化，PLC繼續(xù)進(jìn)行判斷并調(diào)節(jié)，這樣實(shí)時(shí)重心值XT0就始終保持在（K±δ）內(nèi)，保證了飛機(jī)的飛行安全。調(diào)節(jié)規(guī)律如圖1所示，重心隨耗油量變化如圖2所示。
?
?
2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)組成
??? 如圖3所示，該系統(tǒng)由控制機(jī)柜、前砝碼平臺(tái)、后砝碼平臺(tái)、前防凍液罐組、后防凍液罐組及駕駛艙顯示器等組成。前、后砝碼平臺(tái)由標(biāo)準(zhǔn)砝碼和磁感應(yīng)" title="磁感應(yīng)">磁感應(yīng)傳感器組成，每個(gè)砝碼安裝的位置下都裝有一個(gè)磁感應(yīng)傳感器，用來(lái)判斷該位置有無(wú)砝碼。前、后防凍液罐組由儲(chǔ)液罐、輸液泵、電動(dòng)插板開(kāi)關(guān)、手動(dòng)插板開(kāi)關(guān)、安全閥、加熱器和液位、溫度、壓力、流量傳感器等組成，電動(dòng)插板開(kāi)關(guān)在輸液泵開(kāi)啟后自動(dòng)打開(kāi)，停止后自動(dòng)關(guān)閉，防止虹吸現(xiàn)象。通過(guò)采集安裝在儲(chǔ)液罐中的液位傳感器和管路上的壓力傳感器信號(hào)" title="傳感器信號(hào)">傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)觀測(cè)儲(chǔ)液罐液位和管路壓力。通過(guò)采集安裝在儲(chǔ)液罐中的溫度傳感器信號(hào)，控制加熱器工作，保證了防凍液始終保持在5°C～30°C之間。通過(guò)安裝在管路上的流量傳感器實(shí)時(shí)采集前、后儲(chǔ)液罐的質(zhì)量改變量?？刂茩C(jī)柜中安裝有PLC控制器、系統(tǒng)顯示器和接觸器等，控制機(jī)柜實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算、輸液泵控制和加熱等功能，是整個(gè)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心。
?
2.2 硬件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了采集防凍液流量信號(hào)和前后砝碼平臺(tái)的砝碼位置信號(hào)，并控制前后輸液泵、前后電動(dòng)插板開(kāi)關(guān)和加熱器，控制器選用三菱FX2N-128MR-D型PLC，并擴(kuò)展了輸入輸出模塊FX2N-48MR-D。此外，為了接收飛機(jī)燃油信號(hào)，連接駕駛艙重心顯示器，采集砝碼位置信號(hào)和防凍液壓力、液位和溫度等參數(shù)，還選用了通訊模塊FX2N-232IF、FX2N-422-BD、測(cè)溫模塊FX2N-4AD-PT和A/D輸入模塊FX2N-8AD。駕駛艙重心顯示器選用三菱F930GOT－LWD型PLC觸摸屏圖形操作終端，用來(lái)向飛行員顯示飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0并接收飛行員指令。系統(tǒng)顯示器選用三菱F940GOT型彩色觸摸屏圖形操作終端，用于顯示控制系統(tǒng)界面、監(jiān)控各部分的工作狀態(tài)、輸入飛機(jī)試飛各項(xiàng)參數(shù)、接收系統(tǒng)操作員的命令和向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)等。在將各數(shù)據(jù)輸入后，由PLC計(jì)算飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0并向操作員顯示。其中，PLC與駕駛艙重心顯示器和系統(tǒng)顯示器都采用RS-422總線進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，飛機(jī)燃油信號(hào)通過(guò)RS-232總線向PLC傳送。
3 軟件設(shè)計(jì)
??? PLC程序采用FX-PCS-WIN-2.0c軟件進(jìn)行編寫(xiě)，應(yīng)用該軟件可編寫(xiě)PLC梯形圖程序。系統(tǒng)顯示器和駕駛艙重心顯示器由GT Designer V5.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)并通過(guò)RS-232線纜下載至F940GOT和F930GOT－LWD中。該GOT采用RS-422 CPU編程接口與PLC實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，PLC上電自檢，自檢通過(guò)后系統(tǒng)進(jìn)入主界面，試驗(yàn)員輸入本次飛行參數(shù)后選擇地面預(yù)配平方式，系統(tǒng)按照選擇的方式進(jìn)行地面預(yù)配平，配平完成后飛機(jī)起飛，PLC采集模擬量和脈沖信號(hào)并接收飛機(jī)燃油信號(hào)，根據(jù)各種參數(shù)計(jì)算出飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0。同時(shí)接收系統(tǒng)操作員發(fā)送的信號(hào)和命令，并向駕駛艙重心顯示器發(fā)送飛機(jī)實(shí)時(shí)重心值XT0。系統(tǒng)操作員發(fā)送飛行中配平命令后，系統(tǒng)進(jìn)入空中飛行配平階段，PLC判斷是否有緊急指令、特科指令和降落指令三種飛行員指令，如有，則按照相應(yīng)的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行重心調(diào)節(jié)，否則按照正常調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。PLC實(shí)時(shí)采集防凍液溫度信號(hào)并判斷，當(dāng)防凍液溫度低于5°C并且系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行飛行中調(diào)節(jié)時(shí)，PLC控制加熱器開(kāi)始加熱，加熱至30°C停止，以防止防凍液過(guò)于粘稠，保證防凍液流動(dòng)順暢，系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)操作員可以通過(guò)系統(tǒng)顯示器實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，飛行員可通過(guò)駕駛艙重心顯示器實(shí)時(shí)觀察飛機(jī)重心值。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
?
?
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)問(wèn)題
??? 在地面試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)由于外界的干擾會(huì)造成飛機(jī)燃油信號(hào)出現(xiàn)干擾，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，因此需要對(duì)接收到的飛機(jī)燃油信號(hào)進(jìn)行軟件濾波。由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油值不會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)的情況，特別是在穩(wěn)定工作后，耗油值會(huì)在一定值上下浮動(dòng)（但浮動(dòng)范圍不大），因此決定采用限幅濾波法。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油參數(shù)確定兩次接收值允許的最大偏差值A(chǔ)，每次接收到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差?燮A,則本次值有效；如果本次值與上次值之差>A,則本次值無(wú)效,放棄本次值,用上次值代替本次值。采用該濾波方法能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，保證接收到的飛機(jī)燃油信號(hào)的準(zhǔn)確。圖6為程序中限幅濾波部分的程序，其中, D400存放上次值、D410存放本次值、D411為本次值與上次值之差、D500存放最大偏差值A(chǔ)。
?
??? 本系統(tǒng)通過(guò)改變砝碼及防凍液在飛機(jī)前后艙的質(zhì)量分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)縱向重心的調(diào)節(jié)。由于選用了彩色的系統(tǒng)顯示器，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的直觀性，提高了人機(jī)交互能力。在飛機(jī)試飛過(guò)程中，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠完成飛機(jī)試飛過(guò)程中對(duì)飛機(jī)重心的調(diào)節(jié)，可用來(lái)研究飛機(jī)的重心分布、燃油消耗控制規(guī)律等，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為飛機(jī)的定型試飛提供了技術(shù)保證。
參考文獻(xiàn)
[1]?顧戰(zhàn)松,陳鐵年.可編程控制器原理與應(yīng)用.北京:國(guó)防工業(yè)出版社.1996.
[2]?三菱公司. FX1S,FX1N,FX2N 編程手冊(cè).2001.
[3]?三菱公司. FX系列通訊手冊(cè).2001.
[4] ?三菱公司. GOT-F900操作手冊(cè).2002.