劉　巍,馮雪梅,鄧金輝,張立紅,吳　斌,趙　偉
摘要:目的為載人離心機研制能模擬不同形狀過載曲線的測控系統(tǒng)。方法采用測控計算機和實時控制器的上下位機控制方案。結(jié)果系統(tǒng)性能滿足載人離心機試驗要求。結(jié)論測控系統(tǒng)功能完善,安全可靠,操作簡單,控制精度高。
關(guān)鍵詞:載人離心機;試驗設(shè)備;系統(tǒng)開發(fā);測量;控制;環(huán)境模擬
　　載人離心機是模擬超重環(huán)境的zui有效設(shè)備,它也是用來進行航天員選拔和訓練以及超重生理學與醫(yī)學研究的大型地面環(huán)境模擬設(shè)備[1 ,2 ] 。
　　載人離心機主要由機械系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、測控系統(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)生的過載值就不同。主軸轉(zhuǎn)速是由直流電機、碼盤和調(diào)速器組成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),通過減速器進行控制。測控系統(tǒng)向調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出控制指令,控制載人離心機主軸轉(zhuǎn)速。
　　飛船的發(fā)射段和返回段過載曲線是不規(guī)則形狀的[3 ] （很難用數(shù)學解析函數(shù)表示） ,以前的載人離心機只能模擬固定形狀的過載曲線,如梯形過載曲線等,不能模擬像飛船發(fā)射段和返回段這樣的不規(guī)則形狀過載曲線。航天員在上天飛行之前需要體驗飛船發(fā)射段和返回段以及應急返回的過載環(huán)境,因此需要載人離心機具備這種模擬不規(guī)則形狀過載曲線的能力,為航天員訓練提供條件。
　　載人離心機的試驗對象是人,對設(shè)備的安全性和可靠性有特別嚴格的要求,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,為載人離心機研制一套測控系統(tǒng),使得載人離心機能夠模擬過載G值介于1. 4～16 g 之間,G值增長率小于6 g/ s ,G值下降率小于3 g/ s 的任意形狀過載曲線;同一時刻模擬G值和給定G值之差即模擬誤差小于±0. 2 g ;同時方便載人離心機試驗操作。
系統(tǒng)方案及硬件配置
　　依據(jù)主要技術(shù)指標和要求以及載人離心機的實際情況,提出如圖1 所示的上下位機測控系統(tǒng)方案。該方案中實時控制器作為下位機,測控計算機作為上位機。
　　實時控制器選用PC104 嵌入式計算機,安裝于控制臺內(nèi),配置RS232 和RS485 兩個串口,1 個數(shù)字量輸入口。RS232 接口用于與測控計算機通信,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定點停車信號,實現(xiàn)定點停車功能。測控計算機選用通用PC 機,配置2 個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） 。

　　測控原理　該測控系統(tǒng)中,實時控制器即PC104 嵌入式計算機負責主軸轉(zhuǎn)速控制功能,測控計算機負責載人離心機狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)控、過載曲線編輯和系統(tǒng)操作界面的功能。
　　用戶用二維表格（時間和過載值對應） 描述任意形狀的過載曲線。測控計算機將該表格數(shù)據(jù)進行插值計算,時間間隔取10 ms ,而后依據(jù)艙內(nèi)超重G值與電機轉(zhuǎn)速關(guān)系換算成電機的運轉(zhuǎn)指令文件,然后通過RS232 串行通訊的方式將電機的運轉(zhuǎn)指令數(shù)據(jù)下載到實時控制器中。
　　測控計算機向?qū)崟r控制器發(fā)布啟動命令后,實時控制器就按事先下載的數(shù)據(jù)以10 ms 的時間間隔控制電機按給定過載曲線運轉(zhuǎn),曲線運轉(zhuǎn)完畢后實時控制器根據(jù)定點停車信號自動實現(xiàn)定點停車功能。
　　保證試驗安全的技術(shù)措施　載人離心機試驗安全的基本原則是離心機不該轉(zhuǎn)動的時候不能因為干擾等原因轉(zhuǎn)動起來;離心機運轉(zhuǎn)過程中不能超過要求的zui高轉(zhuǎn)速;當出現(xiàn)意外情況時一定能夠及時停車。
　　基于以上安全考慮采取了如下保證試驗安全的技術(shù)措施:1） 調(diào)速系統(tǒng)主電源與設(shè)備狀態(tài)聯(lián)鎖。當?shù)跖撻T、大廳門及設(shè)備狀態(tài)不正常時,操作員不能通過控制臺的啟動按鈕聯(lián)通調(diào)速系統(tǒng)主電源,測控計算機不能控制離心機運轉(zhuǎn)。2） 運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)異常情況時,測控計算機自動切斷調(diào)速系統(tǒng)主電源。操作員通過控制臺的應急停車按鈕可以隨時手動切斷拖動系統(tǒng)主電源,強迫離心機自由停車。3） 一旦過載曲線運轉(zhuǎn)完畢,測控計算機自動切斷拖動系統(tǒng)主電源。4） 直流調(diào)速器超速保護功能。離心機運轉(zhuǎn)前,測控計算機根據(jù)本次試驗模擬的過載曲線自動計算（模擬zui大G值+ 0. 5g） 超速保護參數(shù),下載到6RA24 直流調(diào)速器。運轉(zhuǎn)過程中一旦出現(xiàn)超速情況,直流調(diào)速器自動切斷調(diào)速系統(tǒng)主電源,強迫離心機自由停車。5） 監(jiān)測載人離心機的主要設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)。監(jiān)測吊艙門、大廳門、拖動系統(tǒng)（主電源） 、滑油泵等狀態(tài),監(jiān)測艙內(nèi)超重G值、主軸轉(zhuǎn)速、減速器油壓、油溫及傳動軸溫度等。操作員可以通過對這些參數(shù)進行監(jiān)控,判斷和了解離心機的技術(shù)狀態(tài),確保試驗安全可靠。6） 實時控制器有醫(yī)學停車和緊急停車功能。
　　軟件功能描述
　　該測控系統(tǒng)包括實時控制器和測控計算機兩臺計算機,采用RS232 串行通信[4 ] ,軟件分為實時控制器軟件和測控軟件兩部分。
　　實時控制器軟件功能　1） 接收測控計算機的通信命令。實時控制器以串行中斷方式接收測控計算機的命令,有G值曲線下載、離心機啟動、醫(yī)學停車、緊急停車、手動運行及狀態(tài)查詢6 條命令。2） 控制載人離心機按要求的G值曲線運轉(zhuǎn)。將G值曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電機運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳給6RA24直流調(diào)速器,控制離心機運轉(zhuǎn)。3） 控制載人離心機醫(yī)學停車和緊急停車。4） 控制載人離心機定點停車。
　　測控軟件功能　1） G值曲線的編輯和下載。可以編輯梯形G值曲線和技術(shù)指標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G值、平臺時間和下降率;任意形狀G值曲線以時刻和該時刻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)下載到實時控制器中,以便將來試驗使用。2） 監(jiān)測和記錄離心機的吊艙G值等主要參數(shù)。3） 設(shè)置離心機運轉(zhuǎn)的安全保護G值。當選定試驗用G值曲線后,測控軟件自動將安全保護G值設(shè)置到6RA24 直流調(diào)速中,一旦離心機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)超過保護G值,6RA24 直流調(diào)速器自動控制離心機斷電停機。4） 提供友好人機操作界面。測控軟件界面分為參數(shù)及狀態(tài)監(jiān)測和試驗操作按鈕兩部分。監(jiān)測界面顯示離心機的吊艙門、大廳門、拖動系統(tǒng)、滑油泵狀態(tài)和艙內(nèi)過載G值、主軸轉(zhuǎn)速、減速器油壓、油溫及傳動軸溫度等主要參數(shù)。
　　結(jié)果及應用
　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了技術(shù)指標和要求的全部功能,能夠模擬包括飛船發(fā)射、飛船正常返回及飛船應急返回在內(nèi)的任意形狀過載曲線,模擬曲線精度符合±0. 2 g 的要求,系統(tǒng)的安全措施有效,操作簡便,運行良好。圖2～3 為載人離心機運行的幾種過載曲線,圖中虛線為設(shè)定曲線,實線為實測曲線。
　　載人離心機應用該測控系統(tǒng)運行了700 多次,其中進行載人試驗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的要求。