第３１卷 第８期 Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．８ 新乡学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉｎｘｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ２０１４年８月 Ａｕｇ．２０１４ 飞机发动机模拟负载装置的控制系统设计 袁 莉 ，刘俊峰 ，常加曼 ，补 婧。 （１．新乡市太行佳信电气技术有限公司技术部，河南新乡４５３００２； ２．新乡学院物理与电子工程学院，河南新乡４５３００３； ３．河南师范大学物理与电子工程学院，河南新乡４５３００７） 摘 要：采用ＭＣＧＳ作为人机界面和ｓ７ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ作为主控单元设计了飞机发动机模拟负载装置的控制系统， 实验结果证明，该系统响应速度快、超调量小、控制精度高，能够较准确地模拟出整个起动过程中起动电流的变化 过程。 关键词：模拟负载装置；控制系统；ＭＣＧＳ；Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ 中图分类号：ＴＰ２７３．２；Ｖ２３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５—７７２６（２０１４）０８—００５６—０３ ０ 引言 飞机直流起动／发电机是机上直流电源的供电 具有２５．９１ ｅｍ高亮度ＴＦＴ液晶显示屏（分辨率为 １ ０２４×６００）和四线电阻式触摸屏（分辨率为４ ０９６ ×４ ０９６）Ｉ２］，同时预装了ＭＣＧＳ嵌入式组态软件。 ＭＣＧＳ嵌入版组态软件是基于ＲＴ（）Ｓ（ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｕｌｔｉ—ｔａｓｋｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）实时多任务系统的组 态软件，用户只需要通过模块化组态就可构造自己 的应用系统。由ＭＣＧＳ嵌入版生成的用户应用系 统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数 据库和运行策略五个部分构成 。 １．２ Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ 设备，正常飞行时由发动机驱动发电机工作，将机械 能转变为电能向飞机的用电设备供电，同时向蓄电 池充电。而在飞机起动时它由直流电源供电，作为 电动机使用，拖动飞机发动机升速。当发动机转速 达到某一特定转速之后，发动机点火工作，因而它被 视为一台起动机。起动过程分级进行，由控制电路 自动完成。从电机接通电源到发动机点火正常工 作，这一过程所需时间大约为几十秒¨１ｊ。 为了考核发动机起动过程中直流电源的瞬态供 电特性，需进行模拟发动机起动过程中起动电流的 Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ是一款高性价比的小型 ＰＬＣ产品，具有以下特点：１）机型丰富，可提供不同 类型、Ｉ／Ｏ点数多的ＣＰＵ模块，单体点数可达到６０ 点，用户根据不同的应用需求进行产品配置，可最大 限度地控制成本 ；２）Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ除了扩展不 瞬态性能实验，为此我们研发了发动机起动负载模 拟装置，此装置可以按照给定的发动机起动电流曲 线模拟发动机起动过程中起动电流的变化，同时对 直流电源电压曲线进行测量，从而评估直流电源的 供电性能。 同的扩展模块，新增加了信号板设计，可扩展通信端 口、数字量通道和模拟量通道，提高了产品的利用 ｌ 硬件设计 控制单元采用两级分布式控制系统，上位机采 用基于嵌入式组态软件的ＭＣＧＳ嵌入式一体化工 率；３）配备西门子专用高速处理芯片，基本指令运行 时问可达０．１５ ｓ；４）采用以太网通信，不再使用专 用的通信电缆，用普通的网线即可将程序下载到 控机，完成电流曲线的插值运算和参数设定，下位机 采用Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＩ Ｃ，负责对电流调节回路进 ＰＩ ｃ中；５）提供３路高速脉冲输出，频率可达１００ Ｈｚ，支持ＰＷＭ／ＰＴＯ输出方式；６）可使用通用ＳＤ 卡更新软件和ＰＩ ｃ固件升级 ｊ。 本系统选用Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ系列标准型 ＣＰＵＳＴ４０做主控单元，扩展精度为１２位的ＳＢ 行系统自检、状态监测与保护、逻辑控制及电流给 定。 １．１ ＭＣＧＳ嵌入式一体化工控机 本系统的上位机采用一体化工控机，该工控机 收稿日期：２０１４—０４ １９ ＡＱＯ１板作为模拟量输出，可满足响应速度快，输入、 作者简介：袁莉（１９７６一），女，河南新乡人。工程师，硕士，研究方向：电源技术。 袁莉，刘俊峰．常加曼，补婧：飞机发动机模拟负载装置的控制系统设计 ・５７・ 输出点数多的系统要求。 ２ 软件设计 本系统软件设计包含上位机程序设计和ＰＩ Ｃ 程序设计丽部分。 ２．１上位机程序设计 ２．１．１总体设计 本系统软件设计了８组数据存储区，每组数据 分为３个阶段，其中一、三阶段是电流稳态工作阶 段，电流值、时间值均可设定，二阶段是一个动态工 作阶段，分为６ｏ个数据点，每个数据点的电流、时间 均可设定，设定点之间的电流值采用插值运算给出。 ２．１．２ 曲线设计 根据设定的参数数据，对比需要模拟的电流曲 线，对输入的数据进行校准，并检测在某一点的数据 输入是否存在错误。采用描点法描绘出给定电流曲 线，Ｘ轴为时间值，ｙ轴为电流值，将输入的每个数 据转化为数据点的坐标描出。 ２．１．３策略设计 在ＭＣＧＳ嵌入版中，运行策略是对系统运行流 程实现有效控制的手段，可以在运行策略中，把整个 脚本程序作为一个策略功能块执行。脚本语言是一 种语法上类似Ｂａｓｉｃ的编程语言，用户可根据实际 需求，有效地编制各种特定的流程控制程序和操作 处理程序。它被封装在一个功能构件（称为脚本程 序功能构件）里，在后台由独立的线程来运行和处 理，能够避免由于单个脚本程序的错误而导致整个 系统的瘫痪。 为了减轻ＰＬＣ的程序负担，确保ＰＬＣ的运行 效率，提高整个装置的响应速度，从而更加真实地模 拟出发动机起动过程中的起动电流变化，本设计通过 对应的脚本程序，由相应运行策略执行。由于二阶段 的数据点比较多，并且是一个动态数据变化过程，需 要将每两个点之问的时间差值 与电流差值 计 算出，然后计算出对应的 电流坐标值送给ＰＬＣ。 并设计了相应的参数存储策略来保存每组参数。 ２．２ ＰＬＣ程序设计 ２．２．１ ＰＬＣ主程序 ＰＬＣ程序主要包含主电路功率器件状态巡检、 逻辑处理和电流给定等功能，其中电流给定的程序 流程如图１所示。 图１ 电流给定程序流程图 ２．２．２中断程序设计 由于二阶段是一个动态变化过程，共有６０个数 据点。为确保响应速度，设计了相应的的中断程序 将二阶段的数据输出。采用定时中断０指令循环执 行操作，定时中断０指令是以１ ｍｓ为时间增量，范 围为５～２５５ ｍｓ，在ＳＭＢ３４中写入中断时问１０ ｍｓ， 将中断程序连接到定时中断事件，启用定时中断，中 断启用后将连续运行，每到一个中断时间就执行一 次中断程序，将一个数据点的电流输出，一直到二阶 段的最后一个数据点运行结束。 ３ 实验结果 对模拟负载装置进行调试实验，在电流输出回 路中串联２ ０００ Ａ／７５ ｍＶ ０．２级分流器，采用１００ ＭＨｚ示波器对分流器的电压信号进行测量，经过换 ・ ５８ ・ 新乡学院学报 算得到输出电路在不同时刻的电流值。由于该装置 是一个典型的惯性环节，输出电流的响应时间比给 定时间滞后约１２ ｍｓ。 表１是二阶段所取９个关键点的电流输入值， 表２是响应时间点所得到的输出电流值。 表１二阶段电流给定值 表２二阶段电流响应值 从实验结果可以看出：输出响应在２．４ Ｉｎｓ时达 到最大值１ ４５０ Ａ，大于给定值５０ Ａ，所以本系统的 超调量为５０ Ａ；电流上升至ｌ ２６０ Ａ（额定电流的 ９Ｏ ）的时间为２．１ ＩｎＳ，本系统上升时间为２．１ ｍｓ， 要求，能够较准确地模拟出整个起动过程中起动电 流的变化过程。 参考文献： ［１］刘荣林，崔伟荣．航空直流起动发电机起动过程分析 ［Ｊ］．中国民航学院学报，２００３，２１（６）：３５—３９． Ｅ２； 张文明，刘志军．组态软件控制技术ＥＭ］．北京：清华大 学出版社，２００６：１－２． 小于系统要求的３ １ＴｌＳ；在１００ ｍｓ时输出电流与给 定电流的误差最大，其值为１５ Ａ，故系统的控制精 度不大于１ （装置的额定电流为１ ６００ Ａ）。 ４ 结论 本系统采用ＭＣＧＳ作为人机界面和ｓ７ ＳＭＡＲＴ ＰＩ Ｃ作为主控单元设计了飞机发动机模 拟负载装置的控制系统。实验结果证明，该系统在 响应速度、超调量和控制精度方面满足了相关技术 ［３］ 李红萍．工控组态技术及应用——ＭｃＧＳ［Ｍ］．西安： 西安电子科技大学出版社，２０１３：１—３． ［４］ 向晓汉．Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ完全精通教程［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２Ｏｌ３：１—３． Ｅｓ］廖常初．ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ编程及应用［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２０１３：２－３． Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｌｏａｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ＹＵＡＮ Ｌｉ ，ＬＩＵ Ｊｕｎｆｅｎｇ ，ＣＨＡＮＧ Ｊｉａｍｉｎ ，ＢＵ Ｊｉｎｇ。 （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ Ｔａｉｈａｎｇ Ｊｉａｘｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００３，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ＭＣＧＳ ａｓ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ－ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｓ７ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｓｍａｌｌ ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｕｌｄｂｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｄｅｖｉｃｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＭＣＧＳ；Ｓ７—２００ ＳＭＡＲＴ ＰＬＣ 【责任编辑黄艳芹】