劉　巍,馮雪梅,鄧金輝,張立紅,吳　斌,趙　偉
摘要:目的為載人離心機(jī)研制能模擬不同形狀過(guò)載曲線的測(cè)控系統(tǒng)。方法采用測(cè)控計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)控制器的上下位機(jī)控制方案。結(jié)果系統(tǒng)性能滿足載人離心機(jī)試驗(yàn)要求。結(jié)論測(cè)控系統(tǒng)功能完善,安全可靠,操作簡(jiǎn)單,控制精度高。
關(guān)鍵詞:載人離心機(jī);試驗(yàn)設(shè)備;系統(tǒng)開發(fā);測(cè)量;控制;環(huán)境模擬
　　載人離心機(jī)是模擬超重環(huán)境的zui有效設(shè)備,它也是用來(lái)進(jìn)行航天員選拔和訓(xùn)練以及超重生理學(xué)與醫(yī)學(xué)研究的大型地面環(huán)境模擬設(shè)備[1 ,2 ] 。
　　載人離心機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。被試者仰臥（或坐） 于吊艙內(nèi)的座椅上,吊艙繞主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心加速度使得被試者感受到超重環(huán)境。主軸轉(zhuǎn)速不同吊艙內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)載值就不同。主軸轉(zhuǎn)速是由直流電機(jī)、碼盤和調(diào)速器組成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),通過(guò)減速器進(jìn)行控制。測(cè)控系統(tǒng)向調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出控制指令,控制載人離心機(jī)主軸轉(zhuǎn)速。
　　飛船的發(fā)射段和返回段過(guò)載曲線是不規(guī)則形狀的[3 ] （很難用數(shù)學(xué)解析函數(shù)表示） ,以前的載人離心機(jī)只能模擬固定形狀的過(guò)載曲線,如梯形過(guò)載曲線等,不能模擬像飛船發(fā)射段和返回段這樣的不規(guī)則形狀過(guò)載曲線。航天員在上天飛行之前需要體驗(yàn)飛船發(fā)射段和返回段以及應(yīng)急返回的過(guò)載環(huán)境,因此需要載人離心機(jī)具備這種模擬不規(guī)則形狀過(guò)載曲線的能力,為航天員訓(xùn)練提供條件。
　　載人離心機(jī)的試驗(yàn)對(duì)象是人,對(duì)設(shè)備的安全性和可靠性有特別嚴(yán)格的要求,要保證參試人員和設(shè)備的安全。
主要技術(shù)指標(biāo)和要求
　　在保證設(shè)備安全性和可靠性的前提下,為載人離心機(jī)研制一套測(cè)控系統(tǒng),使得載人離心機(jī)能夠模擬過(guò)載G值介于1. 4～16 g 之間,G值增長(zhǎng)率小于6 g/ s ,G值下降率小于3 g/ s 的任意形狀過(guò)載曲線;同一時(shí)刻模擬G值和給定G值之差即模擬誤差小于±0. 2 g ;同時(shí)方便載人離心機(jī)試驗(yàn)操作。
系統(tǒng)方案及硬件配置
　　依據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)和要求以及載人離心機(jī)的實(shí)際情況,提出如圖1 所示的上下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)方案。該方案中實(shí)時(shí)控制器作為下位機(jī),測(cè)控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)。
　　實(shí)時(shí)控制器選用PC104 嵌入式計(jì)算機(jī),安裝于控制臺(tái)內(nèi),配置RS232 和RS485 兩個(gè)串口,1 個(gè)數(shù)字量輸入口。RS232 接口用于與測(cè)控計(jì)算機(jī)通信,RS485 接口用于與6RA24 調(diào)速器通信,數(shù)字量輸入接口用于檢測(cè)定點(diǎn)停車信號(hào),實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車功能。測(cè)控計(jì)算機(jī)選用通用PC 機(jī),配置2 個(gè)RS232 串口和1 塊多功能數(shù)據(jù)采集板（8 路差分AD ,16 路數(shù)字輸入,16 路數(shù)字輸出） 。

　　測(cè)控原理　該測(cè)控系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)控制器即PC104 嵌入式計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)主軸轉(zhuǎn)速控制功能,測(cè)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)載人離心機(jī)狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)控、過(guò)載曲線編輯和系統(tǒng)操作界面的功能。
　　用戶用二維表格（時(shí)間和過(guò)載值對(duì)應(yīng)） 描述任意形狀的過(guò)載曲線。測(cè)控計(jì)算機(jī)將該表格數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算,時(shí)間間隔取10 ms ,而后依據(jù)艙內(nèi)超重G值與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系換算成電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)指令文件,然后通過(guò)RS232 串行通訊的方式將電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)指令數(shù)據(jù)下載到實(shí)時(shí)控制器中。
　　測(cè)控計(jì)算機(jī)向?qū)崟r(shí)控制器發(fā)布啟動(dòng)命令后,實(shí)時(shí)控制器就按事先下載的數(shù)據(jù)以10 ms 的時(shí)間間隔控制電機(jī)按給定過(guò)載曲線運(yùn)轉(zhuǎn),曲線運(yùn)轉(zhuǎn)完畢后實(shí)時(shí)控制器根據(jù)定點(diǎn)停車信號(hào)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車功能。
　　保證試驗(yàn)安全的技術(shù)措施　載人離心機(jī)試驗(yàn)安全的基本原則是離心機(jī)不該轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候不能因?yàn)楦蓴_等原因轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái);離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不能超過(guò)要求的zui高轉(zhuǎn)速;當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)一定能夠及時(shí)停車。
　　基于以上安全考慮采取了如下保證試驗(yàn)安全的技術(shù)措施:1） 調(diào)速系統(tǒng)主電源與設(shè)備狀態(tài)聯(lián)鎖。當(dāng)?shù)跖撻T、大廳門及設(shè)備狀態(tài)不正常時(shí),操作員不能通過(guò)控制臺(tái)的啟動(dòng)按鈕聯(lián)通調(diào)速系統(tǒng)主電源,測(cè)控計(jì)算機(jī)不能控制離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。2） 運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常情況時(shí),測(cè)控計(jì)算機(jī)自動(dòng)切斷調(diào)速系統(tǒng)主電源。操作員通過(guò)控制臺(tái)的應(yīng)急停車按鈕可以隨時(shí)手動(dòng)切斷拖動(dòng)系統(tǒng)主電源,強(qiáng)迫離心機(jī)自由停車。3） 一旦過(guò)載曲線運(yùn)轉(zhuǎn)完畢,測(cè)控計(jì)算機(jī)自動(dòng)切斷拖動(dòng)系統(tǒng)主電源。4） 直流調(diào)速器超速保護(hù)功能。離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前,測(cè)控計(jì)算機(jī)根據(jù)本次試驗(yàn)?zāi)M的過(guò)載曲線自動(dòng)計(jì)算（模擬zui大G值+ 0. 5g） 超速保護(hù)參數(shù),下載到6RA24 直流調(diào)速器。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中一旦出現(xiàn)超速情況,直流調(diào)速器自動(dòng)切斷調(diào)速系統(tǒng)主電源,強(qiáng)迫離心機(jī)自由停車。5） 監(jiān)測(cè)載人離心機(jī)的主要設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)。監(jiān)測(cè)吊艙門、大廳門、拖動(dòng)系統(tǒng)（主電源） 、滑油泵等狀態(tài),監(jiān)測(cè)艙內(nèi)超重G值、主軸轉(zhuǎn)速、減速器油壓、油溫及傳動(dòng)軸溫度等。操作員可以通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,判斷和了解離心機(jī)的技術(shù)狀態(tài),確保試驗(yàn)安全可靠。6） 實(shí)時(shí)控制器有醫(yī)學(xué)停車和緊急停車功能。
　　軟件功能描述
　　該測(cè)控系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)控制器和測(cè)控計(jì)算機(jī)兩臺(tái)計(jì)算機(jī),采用RS232 串行通信[4 ] ,軟件分為實(shí)時(shí)控制器軟件和測(cè)控軟件兩部分。
　　實(shí)時(shí)控制器軟件功能　1） 接收測(cè)控計(jì)算機(jī)的通信命令。實(shí)時(shí)控制器以串行中斷方式接收測(cè)控計(jì)算機(jī)的命令,有G值曲線下載、離心機(jī)啟動(dòng)、醫(yī)學(xué)停車、緊急停車、手動(dòng)運(yùn)行及狀態(tài)查詢6 條命令。2） 控制載人離心機(jī)按要求的G值曲線運(yùn)轉(zhuǎn)。將G值曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳給6RA24直流調(diào)速器,控制離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。3） 控制載人離心機(jī)醫(yī)學(xué)停車和緊急停車。4） 控制載人離心機(jī)定點(diǎn)停車。
　　測(cè)控軟件功能　1） G值曲線的編輯和下載?？梢跃庉嬏菪蜧值曲線和技術(shù)指標(biāo)要求的任意形狀超重G值曲線。梯形曲線編輯參數(shù)有上升率、平臺(tái)G值、平臺(tái)時(shí)間和下降率;任意形狀G值曲線以時(shí)刻和該時(shí)刻G值的二維表格數(shù)據(jù)為編輯參數(shù)。編輯后的G值曲線數(shù)據(jù)下載到實(shí)時(shí)控制器中,以便將來(lái)試驗(yàn)使用。2） 監(jiān)測(cè)和記錄離心機(jī)的吊艙G值等主要參數(shù)。3） 設(shè)置離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全保護(hù)G值。當(dāng)選定試驗(yàn)用G值曲線后,測(cè)控軟件自動(dòng)將安全保護(hù)G值設(shè)置到6RA24 直流調(diào)速中,一旦離心機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)超過(guò)保護(hù)G值,6RA24 直流調(diào)速器自動(dòng)控制離心機(jī)斷電停機(jī)。4） 提供友好人機(jī)操作界面。測(cè)控軟件界面分為參數(shù)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)操作按鈕兩部分。監(jiān)測(cè)界面顯示離心機(jī)的吊艙門、大廳門、拖動(dòng)系統(tǒng)、滑油泵狀態(tài)和艙內(nèi)過(guò)載G值、主軸轉(zhuǎn)速、減速器油壓、油溫及傳動(dòng)軸溫度等主要參數(shù)。
　　結(jié)果及應(yīng)用
　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)指標(biāo)和要求的全部功能,能夠模擬包括飛船發(fā)射、飛船正常返回及飛船應(yīng)急返回在內(nèi)的任意形狀過(guò)載曲線,模擬曲線精度符合±0. 2 g 的要求,系統(tǒng)的安全措施有效,操作簡(jiǎn)便,運(yùn)行良好。圖2～3 為載人離心機(jī)運(yùn)行的幾種過(guò)載曲線,圖中虛線為設(shè)定曲線,實(shí)線為實(shí)測(cè)曲線。
　　載人離心機(jī)應(yīng)用該測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行了700 多次,其中進(jìn)行載人試驗(yàn)260 余人次,滿足了包括飛船發(fā)射和返回等各種超重模擬試驗(yàn)的要求。