微型扑翼仿生模拟与测量系统研制总结报告.doc

微型扑翼仿生模拟与测量系统研制总结报告西安新智科技发展有限公司2009年12月2日目 次1 概述12 研制时间13 研制过程13.1 技术方案选择13.2 硬件采购83.3 系统调试94 试验及结果135 结束语13微型扑翼仿生模拟与测量系统研制总结报告1 概述系统是根据西工大微型扑翼仿生模拟与测量系统技术要求设计,模仿鸟类或昆虫飞行时翼翅的运动状态，并对运动参数和气体动力的进行测量、分析，获取扑翼运动规律，指导优化设计，优化机翼布局设计。系统以工业控制计算机为核心，采用通用的硬件，通过对伺服电机、机械联动系统的控制，对编码器、多维力传感器的检测，实现各种状态的模拟和测量：2 研制时间微型扑翼仿生模拟与测量系统是西北工业大学航空航天学院委托我公司研制的项目。该项目于2008年1月签订合同，我们已于2007年10开始进行预研，并与2008年1月完成详细设计，并通过系统详细设计评审，2008年2月完成主要设备的采购及关键技术的研究技测试，主要有基于伺服控制、控制技术（PID调节）、数据采集等，2008年3月完成所有硬件的采购及软件的编写，2008年4月完称系统得初步调试，2008年5月通过西北工业大学的预验收，2008年6月完成系统调试并发往西北工业大学航空航天馆风洞实验室安装调试，2011年5月完成了全系统的安装调试、验收、交付并投入运行。3 研制过程3.1 技术方案选择微型扑翼仿生模拟与测量系统分硬件和软件两部分构成。3.1.1 硬件硬件主要由控制计算机、电器控制箱、信号调理箱、伺服电机及传动机构构成。硬件主要产生控制信号，测量电气参数，提供不同功能检测的测试通道组合。系统原理图见 图1。图1 微型扑翼仿生模拟与测量系统原理图3.1.1.1 控制柜控制柜包括一台计算机、驱动控制器模块、端子板模块、继电器模块、继电器、断路器和开关电源组成。控制柜是整个系统核心，提供系统的管理、数据采集、通道控制、通信接口、模拟量控制等。控制柜的外形图见图2。图2 控制柜的外形图3.1.1.1.1 主控计算机主控计算机由工业控制计算机（研华P4-2.4G/80G硬盘/512M内存）、显示器（17寸液晶显示器）、键盘、鼠标、打印机等外设组成，主机内含以太网、USB等通信接口。主控计算机是测试台的核心，负责各设备间的协调与管理，提供如下功能：a) 通讯b) 测试程序的管理c) 数据的测试，分析及处理d) 进行系统自检3.1.1.1.2 数据采集采用高精度模拟量信号I/0模块，负责传感器力与力矩多路信号的采集,为数据分析提供依据。3.1.1.1.3 通道控制继电器模块（研华）、继电器（欧姆龙）、接触器（天水213厂） 实现通道的通断和转换。3.1.1.1.4 通信接口以多轴控制卡为核心提供计算机与驱动控制器模块之间的通讯通讯，以串行端口服务器（研华）用来连接串行设备（如程控电源、变频器、二次仪表等）。3.1.1.1.5 模拟量控制采用研华PID控制器提供位置、角度等闭环控制。3.1.1.2 拖动台试验台拖动台试验台由信号转接柜、变频器柜、拖动台、直流电阻负载箱及测试电机的风冷装置三部分组成。在控制台操纵下，能够按照QF-9B、QF-12D、ZF-1.5、ZF-9等4种型号电机检查试验规程的要求，完成电机额定数据及有关特性曲线的测定，并同控制台之间按照要求的信号形式交换有关数据。3.1.2 软件本系统以Windows操作系统为软件平台，编程采用美国NI公司的LabVIEW和Micvosoft公司的VC语言，LabVIEW提供了非常完备的库函数，用于数据采集、设备控制、数据分析、数据显示和数据存储。VC用于编写接口程序。3.1.2.1 软件的功能为了实现系统模拟扑翼运动状态并可进行状态的测试、分析和设计的综合模拟测量，微型扑翼仿生模拟与测量系统软件应当主要完成以下的功能：a) 提供友好的用户界面；b) 具备系统自检功能；c) 能够完成电机的控制和所需参数的测试；d) 能够手动完成电机的微调；e) 具备被测参数的虚拟仪表显示功能；f) 具备基本的数据管理功能；g) 能够生成运动曲线；h) 具备数据记录，历史数据查看、分析；3.1.2.2 软件的结构微型扑翼仿生模拟与测量系统软件在设计时充分考虑到软件设计的灵活性和可扩展性，可维护性，代码重用性以及可读性。采用结构化程序设计方法，将系统软件按功能分解为若干模块，对模块按照面向数据流、数据结构以及面向对象的设计方法进行开发。图2 微型扑翼仿生模拟与测量系统软件结构图系统软件按功能分解为三个测试应用子程序，相应的有三个模块，即设定运动规律、扑动掠动扭转、运动数据分析模块；对于通用功能，分解归纳为：计量/校准、数据浏览、数据保存、数据打印、帮助、退出六个子模块。3.2 硬件采购2008年3完成主要设备的采购,供货商主要选择在行业内有经验且能长期提供技术支持的公司，关键硬件均选用国内外知名企业的产品。3.3 系统调试硬件到货前，研究关键技术，主要包括基于数据库的流程控制、多轴控制技术、控制技术（PID调节）、数据采集等；硬件到货后对部分关键部件进行了测试，其中包括，驱动控制器DSM5803H、增量型旋转编码器EN5820C等硬件的测试；在确定系统没有技术瓶颈后，开始对控制试验台及机械联动机构进行生产、软件编写，各系统完成生产后，先对各分系统进行调试，再对整个系统进行联试。3.3.1 时间测试序号名称要求结果备注1工作时间1S-180Min1S0.5S2控制响应时间200Ms-1S合格3数据采集周期100Ms-1S合格4通讯200Ms-1s异常时会达到1.5秒异常时一般在第三个通讯周期恢复5按键响应500Ms合格3.3.2 电机调速系统电机调速调速范围在1000-10000RPM,精度一般在20-50RPM，并进行了双闭环调速。3.3.3 试验流程测试试验流程测试，先依据试验规程对以下各项进行了手动测试。a) 静态测试；b) 动态测试；c) 运动曲线生成；d) 数据查看；e) 多维力标定。完成手动测试，依次完成个软件模块的手动测试，均合格。3.3.4 试验数据的存储试验数据存储在计算机里，通过数据数据产看软件可进行查看分析。3.3.5 系统调试中出现的几个问题调试过程主要发现以下问题：a) 复合运动出现运动机构运动杆脱落现象，后经更换联轴机构，核对设计尺寸，故障现象消除。b) 变频调速由于采用了双闭环调节，有时出现超调和震荡，后软件调整为大范围调节由内环调节（即变频器调节），小范围调节为外环调节（计算机微调）。c) 系统扑动运动出现过电机过速和堵转现象，后调节了电机的电压和力矩的同步加载PID参数，反复