摘?要：介紹了一種利用PLC設(shè)計的飛機縱向重心自動調(diào)節(jié)" title="自動調(diào)節(jié)">自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的工作原理和軟硬件設(shè)計進行了詳細說明,。經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,，達到了預期的設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：可編程控制器? 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)? 飛機縱向重心
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??? 飛機重心的位置直接影響飛機的穩(wěn)定性和操縱特性,，飛機定型試飛過程中經(jīng)常要對飛機的重心位置進行調(diào)整,，以便驗證不同重心狀態(tài)下飛機的操縱穩(wěn)定特性。為順利完成飛機的重心試飛試驗,，這里設(shè)計了一套基于PLC的飛機重心自動調(diào)節(jié)系統(tǒng),。目前世界上主要的控制方法有：①空中客車公司的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該系統(tǒng)自動化程度高，但安裝不便,，成本較高,，且不適合粗短型飛機的試飛。②波音公司的標準砝碼調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該系統(tǒng)改裝工作量小,，成本較低,，但自動化程度不高。經(jīng)過比較以往各種重心調(diào)節(jié)方案的優(yōu)缺點,，并通過計算和分析,，本系統(tǒng)采用了標準砝碼和防凍液聯(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)試飛前通過顯示器觸摸屏向PLC輸入飛機稱重數(shù)據(jù),、飛機加油量,、飛行員及試驗員質(zhì)量和坐標、飛機預設(shè)重心值K等參數(shù),，PLC根據(jù)這些輸入?yún)?shù)計算出飛機實時重心值XT0,，在地面進行預配平。在地面預配平時,，按照地面預配平規(guī)律,，可以選擇砝碼單獨預配平、防凍液單獨預配平和砝碼防凍液聯(lián)合預配平三種" title="三種">三種方法,。選擇砝碼單獨預配平時,，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，通過改變砝碼在前,、后機艙的質(zhì)量分布將實時重心調(diào)節(jié)到預設(shè)值,。選擇防凍液單獨預配平時，經(jīng)過計算,，由PLC來控制前后輸液泵的工作,，通過改變防凍液在前、后機艙的質(zhì)量分布將實時重心調(diào)節(jié)到預設(shè)重心,。選擇砝碼防凍液聯(lián)合預配平時,，通過提示系統(tǒng)操作員搬移砝碼的數(shù)量和方向以及由PLC控制輸液泵來調(diào)節(jié)防凍液質(zhì)量分布，改變砝碼和防凍液在前,、后機艙的質(zhì)量分布,，將實時重心調(diào)節(jié)到預設(shè)重心。聯(lián)合預配平是以上兩種單獨預配平的優(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
??? 完成地面預配平后,，當PLC接收到系統(tǒng)操作員發(fā)送的開始空中調(diào)節(jié)命令后，PLC開始向系統(tǒng)顯示器發(fā)送實時重心值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，并接收系統(tǒng)操作員的指令,，系統(tǒng)操作員可以通過切換屏幕觀測系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)和實時數(shù)據(jù),；同時PLC向安裝在駕駛艙的駕駛艙重心顯示器發(fā)送飛機實時重心值XT0，由駕駛艙重心顯示器向飛行員顯示實時重心位置,，飛行員可以通過駕駛艙重心顯示器上的觸摸鍵向PLC發(fā)送飛行員指令,。當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,，系統(tǒng)按照不同指令對應(yīng)的調(diào)節(jié)規(guī)律進行調(diào)節(jié),。當沒有三種飛行員指令時，PLC計算飛機實時重心值XT0與預設(shè)重心值K的差值,，當該差值超出系統(tǒng)要求的范圍δ時,，PLC控制輸液泵進行調(diào)節(jié)，將實時重心值XT0調(diào)節(jié)到預設(shè)重心值K,，即令該差值為0,。隨著飛機燃油的消耗，實時重心值XT0又開始變化,，PLC繼續(xù)進行判斷并調(diào)節(jié),，這樣實時重心值XT0就始終保持在（K±δ）內(nèi)，保證了飛機的飛行安全。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,。
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2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)組成
??? 如圖3所示，該系統(tǒng)由控制機柜,、前砝碼平臺,、后砝碼平臺、前防凍液罐組,、后防凍液罐組及駕駛艙顯示器等組成,。前、后砝碼平臺由標準砝碼和磁感應(yīng)" title="磁感應(yīng)">磁感應(yīng)傳感器組成,，每個砝碼安裝的位置下都裝有一個磁感應(yīng)傳感器,，用來判斷該位置有無砝碼。前,、后防凍液罐組由儲液罐,、輸液泵、電動插板開關(guān),、手動插板開關(guān),、安全閥、加熱器和液位,、溫度、壓力,、流量傳感器等組成,，電動插板開關(guān)在輸液泵開啟后自動打開，停止后自動關(guān)閉,，防止虹吸現(xiàn)象,。通過采集安裝在儲液罐中的液位傳感器和管路上的壓力傳感器信號" title="傳感器信號">傳感器信號，實時觀測儲液罐液位和管路壓力,。通過采集安裝在儲液罐中的溫度傳感器信號,，控制加熱器工作，保證了防凍液始終保持在5°C～30°C之間,。通過安裝在管路上的流量傳感器實時采集前,、后儲液罐的質(zhì)量改變量?？刂茩C柜中安裝有PLC控制器,、系統(tǒng)顯示器和接觸器等，控制機柜實現(xiàn)了信號采集,、實時計算,、輸液泵控制和加熱等功能，是整個重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心。
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2.2 硬件設(shè)計
??? 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和前后砝碼平臺的砝碼位置信號,，并控制前后輸液泵、前后電動插板開關(guān)和加熱器,，控制器選用三菱FX2N-128MR-D型PLC,，并擴展了輸入輸出模塊FX2N-48MR-D。此外,，為了接收飛機燃油信號,，連接駕駛艙重心顯示器，采集砝碼位置信號和防凍液壓力,、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，用來向飛行員顯示飛機實時重心值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),、輸入飛機試飛各項參數(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計算飛機實時重心值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總線進行實時數(shù)據(jù)傳輸,，飛機燃油信號通過RS-232總線向PLC傳送,。
3 軟件設(shè)計
??? PLC程序采用FX-PCS-WIN-2.0c軟件進行編寫，應(yīng)用該軟件可編寫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開發(fā)平臺開發(fā)并通過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實時傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)開始工作后,，PLC上電自檢,，自檢通過后系統(tǒng)進入主界面，試驗員輸入本次飛行參數(shù)后選擇地面預配平方式,，系統(tǒng)按照選擇的方式進行地面預配平,，配平完成后飛機起飛，PLC采集模擬量和脈沖信號并接收飛機燃油信號,，根據(jù)各種參數(shù)計算出飛機實時重心值XT0,。同時接收系統(tǒng)操作員發(fā)送的信號和命令,，并向駕駛艙重心顯示器發(fā)送飛機實時重心值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)律進行重心調(diào)節(jié)，否則按照正常調(diào)節(jié)規(guī)律進行調(diào)節(jié),。PLC實時采集防凍液溫度信號并判斷,，當防凍液溫度低于5°C并且系統(tǒng)沒有進行飛行中調(diào)節(jié)時，PLC控制加熱器開始加熱,，加熱至30°C停止,，以防止防凍液過于粘稠，保證防凍液流動順暢,，系統(tǒng)正常工作,。系統(tǒng)操作員可以通過系統(tǒng)顯示器實時觀測系統(tǒng)狀態(tài)，飛行員可通過駕駛艙重心顯示器實時觀察飛機重心值,。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示,。
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4 系統(tǒng)設(shè)計難點問題
??? 在地面試驗階段發(fā)現(xiàn)由于外界的干擾會造成飛機燃油信號出現(xiàn)干擾，造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定,，因此需要對接收到的飛機燃油信號進行軟件濾波,。由于飛機發(fā)動機正常工作時，發(fā)動機耗油值不會出現(xiàn)劇烈波動的情況,，特別是在穩(wěn)定工作后,，耗油值會在一定值上下浮動（但浮動范圍不大），因此決定采用限幅濾波法,。根據(jù)發(fā)動機耗油參數(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，保證接收到的飛機燃油信號的準確,。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)。
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??? 本系統(tǒng)通過改變砝碼及防凍液在飛機前后艙的質(zhì)量分布,，實現(xiàn)了對飛機縱向重心的調(diào)節(jié),。由于選用了彩色的系統(tǒng)顯示器,，大大增強了系統(tǒng)的直觀性，提高了人機交互能力,。在飛機試飛過程中,，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定,、可靠,，能夠完成飛機試飛過程中對飛機重心的調(diào)節(jié)，可用來研究飛機的重心分布,、燃油消耗控制規(guī)律等,，達到了預期的設(shè)計目標，為飛機的定型試飛提供了技術(shù)保證,。
參考文獻
[1]?顧戰(zhàn)松,陳鐵年.可編程控制器原理與應(yīng)用.北京:國防工業(yè)出版社.1996.
[2]?三菱公司. FX1S,FX1N,FX2N 編程手冊.2001.
[3]?三菱公司. FX系列通訊手冊.2001.
[4] ?三菱公司. GOT-F900操作手冊.2002.