基于PXI的飞机垂尾动态疲劳试验随动测控系统

摘 要： 针对某型飞机垂尾动态疲劳试验中激振器位置和姿态调整的功能需求，结合对PXI总线平台技术特点的分析，设计了基于PXI硬件及LabVIEW软件开发环境的动态疲劳试验随动装置测控系统，同时引入SCXI信号调理技术提升控制反馈信号的质量。实践证明，该系统工作稳定，可靠性高，能够满足动态疲劳试验需求。

关键词： 动态疲劳试验； 随动测控系统； PXI平台； LabVIEW开发环境

中图分类号： TN964⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）13⁃0093⁃05

Abstract： Since the function demand of vibration exciter position and attitude adjustment in the dynamic fatigue test of the vertical tail for a type of aircraft， the servo measurement and control system based on PXI hardware and LabVIEW software development environment was designed for dynamic fatigue test on the basis of the analysis of the technical features for PXI bus platform. The SCXI signal conditioning technology is introduced to improve the quality of feedback signal. The practice proves that the system has the characteristics of working stability and high reliability， and it can fulfill the requirement of dynamic fatigue test.

Keywords： dynamic fatigue test； servo measurement and control system； PXI platform； LabVIEW development environment

0 引 言

现代双垂尾结构战机在大攻角飞行时，流经机翼的强大涡流会猛烈击打飞机尾翼，造成飞机尾翼、后机身乃至全机结构的强烈振动从而导致动态疲劳破坏[1]。20世纪90年代在澳大利亚进行的F/A⁃18后机身相关试验中，对地面模拟真实耦合载荷技术进行了探索[2]。Molent L等人参与的国际结构试验改进计划组织（IFOSTP）在1998—2002年间对F/A⁃18的后机身和尾翼进行了模拟试验，其结果证实了动态疲劳试验的重要性[3]。在国内某型飞机双垂尾的动态疲劳试验中，利用气囊模拟气动载荷（即常规疲劳载荷），同时，在垂尾上叠加由电磁振动台产生的振动载荷，二者耦合来确定飞机垂尾疲劳损坏寿命[4]。

随着气动载荷的施加，垂尾结构发生变形，为保证振动载荷激振点位置不变且施加于激振点上的振动载荷始终垂直于激振点切平面，设计开发了一套电磁振动台随动系统，根据垂尾变形情况调整电磁振动台的位置和姿态。

近年来，PXI总线技术广泛地应用于计算机测控和工业自动化系统中。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是基于PC的开放式、模块化仪器总线规范，继承了PCI总线适合高速数据传输的特点，同时保留了CompactPCI的坚固性、模块化和欧洲卡机械封装等优点。为了满足高精度定时、同步和数据通信的需求，PXI还提供了触发总线、局部总线、系统参考时钟等资源，支持PCI⁃PCI桥路扩展和即插即用功能[5]。

本文主要介绍以NI PXIe 8133实时控制器为硬件平台，LabVIEW 11.0为软件开发环境进行的某型飞机垂尾动态疲劳试验随动测控系统的设计和实现工作。

1 随动装置工作原理

动态疲劳试验随动装置是飞机左、右垂尾两翼面振动载荷加载的一个辅助运动机构，其主要功能是调整成对作用的电磁振动台的位置和姿态，使得振动载荷在垂尾两翼面上正确加载。每一垂尾翼面两侧各有一台电磁振动台，测控系统对每个振动台独立进行5自由度运动控制，其中4自由度运动控制通过伺服电机完成，1个自由度运动控制通过液压伺服作动筒实现。

随动装置的工作原理如图1所示。垂尾在气动载荷作用下发生形变，固定在电磁振动台上与垂尾翼面连接的6个拉线位移传感器测量值发生变化，测控系统获取该测量值并实时发送到多自由度位姿解算计算机，进行基于多自由度运动学模型的高速运算，在读回解算值后，将各个自由度的运动控制指令信号发送到伺服执行机构，从而实现电磁振动台的位置和姿态调整，直至电磁振动台位姿符合振动载荷加载条件[6]。

2 测控系统总体设计

随动测控系统采用分布式体系架构，针对左右垂尾振动台姿态调整独立性的特点，采用2台测控计算机，基本架构如图2所示。

其中，总控协调控制整个动态疲劳试验的逻辑时序，随动测控系统留有与总控的控制通信信号接口；随动主控计算机处于随动测控系统的核心地位，起承上起下的作用，既要接收来自总控的信息，又为操作人员提供人机交互界面，并全面管理左、右垂尾测控机的运行、控制参数。

左、右垂尾测控机分别负责左、右垂尾翼面两侧的电磁振动台对各自激振点的跟踪控制。每台测控机的主要功能如下：

（1） 实现与总控应急、故障、数字I/O信号（命令/响应）的实时交互；

（2） 完成随动装置跟随垂尾旋转（一对作动筒实现）的液压伺服闭环控制；

（3） 实时采集垂尾两翼面的位姿测量（拉线位移传感器）信号，并将测量信号发送至主控计算机；

（4） 实现两台电磁振动台各自的4自由度（垂向、航向、展向、俯仰）多轴联动伺服电机闭环控制；

（5） 各个自由度限位开关的状态检测，其他数字I/O信号的响应处理等。

多自由度位姿解算计算机接收主控计算机发出的垂尾翼面位姿测量信号，利用基于多自由度运动学模型的位姿解算算法计算出各个自由度上的变动量，再将计算结果发送回主控计算机进行各个自由度的位置调整。通过独立的计算机完成解算过程，提高了运算速度，不会给控制计算机造成额外的负担。

主控计算机、测控计算机以及多自由度位姿解算计算机通过高速以太网互连，通过网络变量或网络数据流传递信息。

3 测控系统硬件设计

随动测控系统除完成人机界面交互和试验通信外，主要承担现场信息采集、多轴联动伺服电机闭环控制、液压伺服作动筒位移闭环控制和外围设备数字I/O接口等。根据随动系统设计需求，单台测控机的主要信号分配表如表1所示。

根据表1，结合随动测控系统的功能要求，采用美国NI公司的PXI系列板卡组建测控系统，硬件选型及主要特点如表2所示。

基于表2的硬件选型，测控系统的PXI硬件组成如图3所示。其中，SCB⁃100是适用于PXI⁃6515的防噪屏蔽接线盒；SCC⁃68是与PXI⁃6251配合使用的接线盒，提供数字I/O、模拟I/O端；在接线盒的SCC插槽上插有两块SCC⁃CI20电流信号调理模块，将作动筒内置位移传感器的电流型测量信号调理成PXI⁃6251能够识别的电压型信号。

4 基于SCXI的信号调理

根据表1，随动测控系统由多种不同类型的传感器反馈接入。由于传感器安装距离比较远，且现场有伺服电机等强电磁干扰设备，从现场传递回测控计算机的信号不可避免地会混入高频噪声。在随动装置做好接地，现场强弱信号布线尽量隔离的基础上，数据采集端仍需进一步对信号进行调理。

SCXI（Signal Conditioning eXtentions for Instrumentation）是信号调理在仪器上的扩展。它的数据采集硬件可以完成不同类型传感器信号的信号调理，通过装有NI⁃DAQmx驱动的NI MAX软件可方便地完成信号调理模块的控制和配置[7]。

随动测控系统采用如图4所示的信号调理模块进行现场传感器信号的后端处理。其中，SCXI⁃1000机箱提供低噪音信号调理环境；SCXI⁃1125是8通道模拟输入隔离调理模块，为每路模拟输入通道提供300 Vrms的工作隔离和低通滤波，单个通道能够进行编程增益和滤波器设置；SCXI⁃1125适用于毫伏源、伏特源、4～20 mA和热电偶的放大和隔离；SCXI⁃1327，SCXI⁃1338与SCXI⁃1125配合使用，安装在SCXI模块前端，分别完成对电压型和电流型传感器信号的采集。SCXI⁃1125，SCXI⁃1327，SCXI⁃1338均安装在SCXI⁃1000机箱中，通过SCXI⁃1349适配器和相关线缆连接到PXI⁃6143[8]。

根据表2，拉线位移传感器与气囊压力传感器测量信号是电压型信号（0～10 V），通过两块SCXI⁃1327接入到PXI⁃6143中；三向力传感器测量信号是电流型信号（4～20 mA），通过一块SCXI⁃1338接入到PXI⁃6143中。在NI MAX中完成相应信号的配置和测试，图5，图6是对SCXI机箱进行配置以及读取信号测试的示意图。

5 基于多层次架构的随动测控系统软件设计

随动测控系统软件采用LabVIEW图形化开发环境。它集成信号采集、测量分析与数据显示等一系列功能，在提供强大控制功能的同时，保证了系统的灵活性。

5.1 软件系统架构

根据Windows分布式网络应用架构，系统软件分为三层：

（1） 人机交互及协调管理层，为用户提供实时、友好的操作界面，能够完成程控操作、状态及数据监测、应急/报警显示、历史数据查看等功能；

（2） 核心软件层，主要完成运动控制指令/参数的执行、数据采集和处理、网络通信等；

（3） 软件驱动层，为PXI系统所有硬件提供软件驱动，以支持整个测控系统软件的运行。

其中，第1层为系统上位机软件，运行在主控PC机上；第2层与第3层为系统下位机软件，运行在PXI实时操作系统上。

5.2 测控系统软件实现方案

5.2.1 系统软件功能

测控系统上、下位机软件功能模块构成如图7，图8所示。

图7 测控系统上位机软件模块及功能

图8 测控系统下位机软件模块及功能

5.2.2 测控系统软件工作流程

对任一垂尾翼面的动态疲劳试验，统一由试验总控协调气动载荷加载、振动载荷加载和随动装置位姿调整工作流程。气动载荷加载到位后，随动装置获取位姿解算算法计算出电磁振动台各自由度运动目标指令值，实现各自的运动控制。电磁振动台位姿调整完成后，对各轴实施机械锁定，向试验总控发出位姿调整完成信号，确认可以开始振动载荷加载。在运动过程中，如果出现电机故障或碰触到限位开关，将停止运动，并设置相关标志位，以便主控监视。在试验总控协调下位姿调整的总体流程图如图9所示。

图9 试验总控协调下的位姿调整流程图

5.2.3 队列与网络流结合的数据传输

LabVIEW的应用程序通过网络传输数据时，对于不同的数据传输要求，有对应的不同通信模型。一般来说，当从一个或多个终端向主机发布数据的最新值时，使用共享变量的方式进行通信；当需要将每个数据点的信息记录并传送至主机时，可以使用网络流的通信方式；当传输命令至另一台计算机，触发该计算机的一个事件时，为防止数据的丢失，也采用网络流传输的方式。

对于随动测控系统，上下位机应用程序之间在进行指令值和反馈信号的传递时，需要确保每个数据点的传输，因此要通过网络流传输数据和命令。如图10所示是网络流将数据和命令从上位机的主控程序传输到2台PXI测控计算机的实时控制程序的示意图。

图10 网络流数据/命令传递示意图

网络流数据的传递是通过网络流引擎实现的，每个网络流端点均使用FIFO（先入先出队列）缓存传输数据。网络流引擎使用LogosXT将数据从写入端点的FIFO缓存传输至读取端点的FIFO缓存。

数据流的传递路径如图11所示。

图11 数据流传递路径

网络流数据传输比非网络流数据传输方法占用更多的系统开销，因此，在程序设计上，仅在上下位机程序之间利用网络流进行命令和数据的传输。在上位机程序的不同循环间，采用队列的方式进行命令和数据的传递。

上位机用户界面程序的设计使用了生产者/消费者软件设计模型[9]。生产者循环中采用事件结构，主要处理人机交互的程序，将人机交互的操作作为一个元素入队列；消费者循环从队列中不断地取出元素，对其进行处理，并将操作指令和操作数据打包为簇数据结构放入网络数据流中。以单轴运动为例，当用户在主界面发出对运动轴2的“Move”指令后，触发生产者循环中的事件结构，将“CMD：：Axis Move”字符串写入队列中；在消费者循环中，“CMD：：Axis Move”字符串出队列，进入到相应的处理分支中，获取执行该指令的轴编号，将Move指令和轴编号捆绑为一个簇元素发送到网络数据流中，如图12所示。

图12 结合队列结构的生产者⁃消费者模型

6 结 语

本文介绍的随动测控系统采用基于PXI总线系统平台的高性能机箱、控制器和功能板卡，利用SCXI设备完成了现场传感器信号的调理，并基于LabVIEW队列和网络数据流的方式完成了系统上下位机软件的设计，实现了系统所要求的人机交互、运动控制、数据采集和历史管理等功能。该系统目前已经完成动态疲劳试验的试验调试，工作稳定，可靠性高，能够满足试验方对于随动功能的要求。

参考文献

[1] 范勇军.先进战机大攻角飞行状态下后机身疲劳载荷类型研究[J].结构强度研究，2013（3）：52⁃55.

[2] SYMONS D， SHERMAN D， GRAHAM D， et al. ARL F/A⁃18 IFOSTP full scale fatigue test [C]// The 5th Australian Aeronautical Conference. Melbourne： Institution of Engineers， 1993： 317⁃324.

[3] MOBLENT L， BARTER S A， WHITE P， et al. Damage tolerance demonstration testing for the Australian F/A⁃18 [J]. International Journal of Fatigue， 2009， 31（6）： 1031⁃1038.

[4] 张治君，李益萱，王龙，等.一种新的振动叠加气动耦合加载技术[J].实验力学，2014（2）：172⁃180.

[5] 赵会兵.虚拟仪器技术规范与系统集成[M].北京：清华大学出版社，2003.

[6] 白钧生，王宏利，段宝利，等.飞机后机身动态载荷随动加载试验装置：中国，201410285906.2[P].2014⁃06⁃24.

[7] National Instruments. SCXI chassis user manual [R]. Texas： National Instruments， 2006.

[8] National Instruments. SCXI⁃1125 user manual [R]. Texas： National Instruments， 1999.

[9] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

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