大变形结构地面强度试验应急卸载控制技术研究

吝继锋，陈 戈，冯建民

(中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳实验室，陕西 西安 710065)

1 引 言

目前，全尺寸飞机结构静力/疲劳试验的加载方式为多通道协调加载[1]，如图1所示，若试验加载过程中出现超差、超限以及一些故障导致试验保护，液压系统应急卸载，各加载点作动筒卸压。在这种卸压状态下，由于各作动筒的卸载过程不可主动控制，导致各作动筒卸载速率(活塞杆伸出/收回速率)差异较大，尤其在大变形结构地面强度试验中，应急卸载时各加载点不能快速协调卸载，作动筒卸载较慢的加载点可能会承受很大的载荷，使结构产生局部过载情况，增加了应急卸载过程结构发生二次破坏的风险。所以，对于大变形结构地面强度试验，对可控应急卸载技术的研究是急需解决的技术难点。

图1 多通道协调加载示意图

目前，MTS公司的主动式卸载保护产品和被动式卸载保护产品可以解决应急卸载时的协调问题。其中，被动式卸载产品是应用最广泛的液压卸载保护产品。在过去的30年里，美国、欧洲、俄罗斯、中国、日本的航空结构试验室都能看到此类产品的身影[2]。利用被动式保护产品，当应急卸载时可以控制作动筒以一定的速度完成卸载工作，不过卸载的速度完全依赖于保护模块调节阀本身的物理特性以及用户的调节技巧。全机静力/疲劳试验少则几十多则上百个加载点，每个试验的载荷大小和加载方式都不相同，而且目前使用的作动筒厂家、型号不同，要将所有加载点作动筒手动调节到卸载时步调一致难度太大。所以，现有的条件和被动式卸载产品的局限性决定了不宜采用被动式卸载。

MTS主动式卸载保护产品通过增加相应的硬件设备和软件功能来实现可控卸载，但采购价格比现有的控制系统还要增加一倍以上[3]。虽然由于成本因素不能采用MTS主动式卸载保护产品实现可控卸载，但是可以借鉴其思想和方法，即在现有控制系统的基础上增加一套控制系统(可控卸载控制系统)，当试验由于意外情况应急卸载，当前控制系统对作动筒失去控制时，另外增加的可控卸载控制系统接管对作动筒的控制，使所有加载点作动筒协调卸载到一定载荷，实现保护试验件的目的。

本文通过对应急卸载原因分析，借鉴MTS主动式卸载保护产品的思想，在大变形结构地面强度试验过程中出现意外情况应急卸载时，根据卸载原因和当前载荷谱状态，建立按当前载荷谱状态卸载、多通道协调卸载及机械式卸载的三级应急保护卸载机制，对现有控制系统功能进行研究，通过独立可控卸载控制系统及可控卸载保护模块，实现三级应急保护卸载机制的控制策略，达到保证飞机结构安全和提高试验效率的目的。

2 应急保护卸载机制建立

按当前载荷谱状态卸载，根据卸载原因和当前载荷谱状态，利用现有的协调加载控制系统将各加载点载荷卸至需要的载荷状态，而非直接卸载至停机状态，避免造成试验件的额外损伤。

多通道协调卸载基于独立可控卸载控制系统，在试验进行过程中，现有的加载控制系统处于工作状态，相同通道数的独立可控卸载控制系统处于待命状态，一但试验保护，独立可控卸载控制系统马上接管试验，控制作动筒卸载流量阀，以作动筒力传感器值作为反馈信号进行闭环控制，实现多通道协调卸载。

机械式卸载就是现有的应急保护机制，即直接卸压，和MTS公司的被动式卸载保护产品类似[4]，需在试验调试阶段手动调节阀的开度。

建立应急保护卸载机制(如图2所示)如下：当试验出现应急保护时，根据应急保护原因的危险程度，启动3种卸载方式之一；在按载荷谱卸载过程中，如果遇到意外难以卸载，应根据原因切换到多通道协调卸载或机械式卸载；在应急可控卸载过程中， 如果遇到意外难以卸载， 应切换到机械式卸载。该机制结合了MTS主动卸载和被动卸载的优点，而且能根据当前载荷谱的状态卸载到指定载荷状态。

图2 应急保护卸载机制

3 控制策略

统计分析现有大变形结构地面强度试验中应急卸载的原因,包括现场原因以及反映在控制系统的原因，为控制策略的制定提供实际数据支持[5]。根据统计结果，分析不同的现场原因对试验的影响，确定不同的应急卸载方式，制定具体应急卸载策略，如图3所示。

图3 系统应急卸载控制策略

目前，能引起控制系统保护的原因有外环误差检测限EDⅡ(Outer Error Detector)和载荷外限、系统应急等，而内环误差限EDⅠ(Inner Error Detector)和载荷内限基本没有使用[6]。所以，本文利用EDⅠ和载荷内限等多种系统事件动作触发方式实现了上述控制策略[7]，具体如表1所示。

当系统应急保护时， 根据触发的事件动作， 按照表1对应的应急卸载方式执行。按当前载荷谱状态卸载是研究现有控制系统的软硬件功能并进行二次开发实现[8]，机械式卸载是现有的应急卸载方式，研究的难点在于多通道协调卸载方式的实现。

表1 控制参数设置标准

4 多通道协调卸载

4.1 总体设计

多通道协调卸载技术通过研究设计独立的可控卸载控制系统实现。具体功能为：当出现一定保护原因时，当前控制系统卸压，可控卸载系统接管各加载点的控制，通过控制作动筒两腔的余压实现载荷卸载到0。各加载点之间的协调通过相同的卸载时间实现，卸载时间可设定。

可控卸载系统与现有控制系统关系如图4所示，阴影部分是相对于原来的控制系统和作动筒需要增加或者进行改造的部分：将原来的单桥传感器更换为双桥传感器，一路传感器信号用于MTS控制系统，另一路传感器信号用于可控卸载系统；卸载流量阀需由人工调节变为闭环控制；增加一套独立的可控卸载系统。

图4 可控卸载系统与MTS系统关系图

以作动筒在应急卸载时拉向载荷为例，拉压腔压力以及载荷变化如图5所示。图5所示的载荷曲线是可控卸载系统的控制目标，初始的动作会引起一腔的压力掉到0，可控卸载通过控制另一腔压力的减小实现。

图5 控制目标

可控卸载控制逻辑如图6所示，在收到当前控制卸载触发信号时，采样当前传感器信号为初始值生成命令曲线，再以传感器信号为实时反馈，利用PID算法控制卸载流量阀的实时流量实现可控卸载。

4.2 系统架构

可控卸载控制系统采用基于现场总线的分布式控制网络拓扑结构设计，如图7所示，其核心设计思想是尽可能地将系统功能分散到各个节点，各节点以微处理器为核心，完成传感器数据采集和作动筒控制功能。各加载点协调卸载通过设置相同的卸载时间实现，即保证所有加载点在相同的时间内卸载到一定载荷。

图6 控制逻辑

图7 系统架构

4.3 工作流程

系统工作流程如图8所示，当收到触发信号时各节点启动卸载。关键问题在于节点遇到问题时的处理流程，本文的具体思路为：如果是线路故障，则启动冗余网络；如果个别节点卸载较慢，则首先进行自身调节，其次进行上位机调节，若最后还是难以完成卸载则触发机械式卸载。

5 验证试验

采用现有控制系统进行试验加载、可控卸载系统进行可控卸载，将现有控制系统与可控卸载控制系统通过应急高低电平通信。试验保护模块用原保护模块，同时在保护模块载荷限制阀位置安装可控卸载单元，通过搭建可控卸载保护模块进行试验。采用两个传感器串联模拟双桥传感器的作用，试验首先加载到一定载荷，然后应急卸载，监控卸载可控性能。试验现场及卸载曲线如图9、图10所示。

图8 工作流程

图9 验证试验现场

图10 卸载曲线

从试验验证结果看，单通道可控应急卸载效果较好，MTS控制系统与可控卸载控制系统通信正常，卸载曲线能够跟随卸载指令，卸载时间可调，满足设计要求。

6 结 论

本文根据大变形结构地面强度试验卸载原因和当前载荷谱状态，建立了按当前载荷谱状态卸载、多通道协调卸载及机械式卸载的三级应急保护卸载机制，对现有控制系统功能进行研究，通过独立可控卸载控制系统及可控卸载保护模块，实现三级应急保护卸载机制的控制策略，并通过了试验验证，可以在正式试验中应用。