刘 巍,冯雪梅,邓金辉,张立红,吴 斌,赵 伟
摘要:目的为载人离心机研制能模拟不同形状过载曲线的测控系统。方法采用测控计算机和实时控制器的上下位机控制方案。结果系统性能满足载人离心机试验要求。结论测控系统功能*,安全可靠,操作简单,控制精度高。
关键词:载人离心机;试验设备;系统开发;测量;控制;环境模拟
载人离心机是模拟超重环境的zui有效设备,它也是用来进行航天员选拔和训练以及超重生理学与医学研究的大型地面环境模拟设备[1 ,2 ] 。
载人离心机主要由机械系统、调速系统、测控系统和辅助系统组成。被试者仰卧（或坐） 于吊舱内的座椅上,吊舱绕主轴旋转产生离心加速度使得被试者感受到超重环境。主轴转速不同吊舱内产生的过载值就不同。主轴转速是由直流电机、码盘和调速器组成的闭环调速系统,通过减速器进行控制。测控系统向调速系统发出控制指令,控制载人离心机主轴转速。
飞船的发射段和返回段过载曲线是不规则形状的[3 ] （很难用数学解析函数表示） ,以前的载人离心机只能模拟固定形状的过载曲线,如梯形过载曲线等,不能模拟像飞船发射段和返回段这样的不规则形状过载曲线。航天员在上天飞行之前需要体验飞船发射段和返回段以及应急返回的过载环境,因此需要载人离心机具备这种模拟不规则形状过载曲线的能力,为航天员训练提供条件。
载人离心机的试验对象是人,对设备的安全性和可靠性有特别严格的要求,要保证参试人员和设备的安全。
主要技术指标和要求
在保证设备安全性和可靠性的前提下,为载人离心机研制一套测控系统,使得载人离心机能够模拟过载G值介于1. 4～16 g 之间,G值增长率小于6 g/ s ,G值下降率小于3 g/ s 的任意形状过载曲线;同一时刻模拟G值和给定G值之差即模拟误差小于±0. 2 g ;同时方便载人离心机试验操作。
系统方案及硬件配置
依据主要技术指标和要求以及载人离心机的实际情况,提出如图1 所示的上下位机测控系统方案。该方案中实时控制器作为下位机,测控计算机作为上位机。
实时控制器选用PC104 嵌入式计算机,安装于控制台内,配置RS232 和RS485 两个串口,1 个数字量输入口。RS232 接口用于与测控计算机通信,RS485 接口用于与6RA24 调速器通信,数字量输入接口用于检测定点停车信号,实现定点停车功能。测控计算机选用通用PC 机,配置2 个RS232 串口和1 块多功能数据采集板（8 路差分AD ,16 路数字输入,16 路数字输出） 。
测控原理 该测控系统中,实时控制器即PC104 嵌入式计算机负责主轴转速控制功能,测控计算机负责载人离心机状态和参数的监控、过载曲线编辑和系统操作界面的功能。
用户用二维表格（时间和过载值对应） 描述任意形状的过载曲线。测控计算机将该表格数据进行插值计算,时间间隔取10 ms ,而后依据舱内超重G值与电机转速关系换算成电机的运转指令文件,然后通过RS232 串行通讯的方式将电机的运转指令数据下载到实时控制器中。
测控计算机向实时控制器发布启动命令后,实时控制器就按事先下载的数据以10 ms 的时间间隔控制电机按给定过载曲线运转,曲线运转完毕后实时控制器根据定点停车信号自动实现定点停车功能。
保证试验安全的技术措施 载人离心机试验安全的基本原则是离心机不该转动的时候不能因为干扰等原因转动起来;离心机运转过程中不能超过要求的zui高转速;当出现意外情况时一定能够及时停车。
基于以上安全考虑采取了如下保证试验安全的技术措施:1） 调速系统主电源与设备状态联锁。当吊舱门、大厅门及设备状态不正常时,操作员不能通过控制台的启动按钮联通调速系统主电源,测控计算机不能控制离心机运转。2） 运转过程中出现异常情况时,测控计算机自动切断调速系统主电源。操作员通过控制台的应急停车按钮可以随时手动切断拖动系统主电源,强迫离心机自由停车。3） 一旦过载曲线运转完毕,测控计算机自动切断拖动系统主电源。4） 直流调速器超速保护功能。离心机运转前,测控计算机根据本次试验模拟的过载曲线自动计算（模拟zui大G值+ 0. 5g） 超速保护参数,下载到6RA24 直流调速器。运转过程中一旦出现超速情况,直流调速器自动切断调速系统主电源,强迫离心机自由停车。5） 监测载人离心机的主要设备参数和状态。监测吊舱门、大厅门、拖动系统（主电源） 、滑油泵等状态,监测舱内超重G值、主轴转速、减速器油压、油温及传动轴温度等。操作员可以通过对这些参数进行监控,判断和了解离心机的技术状态,确保试验安全可靠。6） 实时控制器有医学停车和紧急停车功能。
软件功能描述
该测控系统包括实时控制器和测控计算机两台计算机,采用RS232 串行通信[4 ] ,软件分为实时控制器软件和测控软件两部分。
实时控制器软件功能 1） 接收测控计算机的通信命令。实时控制器以串行中断方式接收测控计算机的命令,有G值曲线下载、离心机启动、医学停车、紧急停车、手动运行及状态查询6 条命令。2） 控制载人离心机按要求的G值曲线运转。将G值曲线数据转化为电机运转数据传给6RA24直流调速器,控制离心机运转。3） 控制载人离心机医学停车和紧急停车。4） 控制载人离心机定点停车。
测控软件功能 1） G值曲线的编辑和下载。可以编辑梯形G值曲线和技术指标要求的任意形状超重G值曲线。梯形曲线编辑参数有上升率、平台G值、平台时间和下降率;任意形状G值曲线以时刻和该时刻G值的二维表格数据为编辑参数。编辑后的G值曲线数据下载到实时控制器中,以便将来试验使用。2） 监测和记录离心机的吊舱G值等主要参数。3） 设置离心机运转的安全保护G值。当选定试验用G值曲线后,测控软件自动将安全保护G值设置到6RA24 直流调速中,一旦离心机转转超过保护G值,6RA24 直流调速器自动控制离心机断电停机。4） 提供友好人机操作界面。测控软件界面分为参数及状态监测和试验操作按钮两部分。监测界面显示离心机的吊舱门、大厅门、拖动系统、滑油泵状态和舱内过载G值、主轴转速、减速器油压、油温及传动轴温度等主要参数。
结果及应用
本系统实现了技术指标和要求的全部功能,能够模拟包括飞船发射、飞船正常返回及飞船应急返回在内的任意形状过载曲线,模拟曲线精度符合±0. 2 g 的要求,系统的安全措施有效,操作简便,运行良好。图2～3 为载人离心机运行的几种过载曲线,图中虚线为设定曲线,实线为实测曲线。
载人离心机应用该测控系统运行了700 多次,其中进行载人试验260 余人次,满足了包括飞船发射和返回等各种超重模拟试验的要求。
摘要:目的为载人离心机研制能模拟不同形状过载曲线的测控系统。方法采用测控计算机和实时控制器的上下位机控制方案。结果系统性能满足载人离心机试验要求。结论测控系统功能*,安全可靠,操作简单,控制精度高。
关键词:载人离心机;试验设备;系统开发;测量;控制;环境模拟
载人离心机是模拟超重环境的zui有效设备,它也是用来进行航天员选拔和训练以及超重生理学与医学研究的大型地面环境模拟设备[1 ,2 ] 。
载人离心机主要由机械系统、调速系统、测控系统和辅助系统组成。被试者仰卧（或坐） 于吊舱内的座椅上,吊舱绕主轴旋转产生离心加速度使得被试者感受到超重环境。主轴转速不同吊舱内产生的过载值就不同。主轴转速是由直流电机、码盘和调速器组成的闭环调速系统,通过减速器进行控制。测控系统向调速系统发出控制指令,控制载人离心机主轴转速。
飞船的发射段和返回段过载曲线是不规则形状的[3 ] （很难用数学解析函数表示） ,以前的载人离心机只能模拟固定形状的过载曲线,如梯形过载曲线等,不能模拟像飞船发射段和返回段这样的不规则形状过载曲线。航天员在上天飞行之前需要体验飞船发射段和返回段以及应急返回的过载环境,因此需要载人离心机具备这种模拟不规则形状过载曲线的能力,为航天员训练提供条件。
载人离心机的试验对象是人,对设备的安全性和可靠性有特别严格的要求,要保证参试人员和设备的安全。
主要技术指标和要求
在保证设备安全性和可靠性的前提下,为载人离心机研制一套测控系统,使得载人离心机能够模拟过载G值介于1. 4～16 g 之间,G值增长率小于6 g/ s ,G值下降率小于3 g/ s 的任意形状过载曲线;同一时刻模拟G值和给定G值之差即模拟误差小于±0. 2 g ;同时方便载人离心机试验操作。
系统方案及硬件配置
依据主要技术指标和要求以及载人离心机的实际情况,提出如图1 所示的上下位机测控系统方案。该方案中实时控制器作为下位机,测控计算机作为上位机。
实时控制器选用PC104 嵌入式计算机,安装于控制台内,配置RS232 和RS485 两个串口,1 个数字量输入口。RS232 接口用于与测控计算机通信,RS485 接口用于与6RA24 调速器通信,数字量输入接口用于检测定点停车信号,实现定点停车功能。测控计算机选用通用PC 机,配置2 个RS232 串口和1 块多功能数据采集板（8 路差分AD ,16 路数字输入,16 路数字输出） 。
测控原理 该测控系统中,实时控制器即PC104 嵌入式计算机负责主轴转速控制功能,测控计算机负责载人离心机状态和参数的监控、过载曲线编辑和系统操作界面的功能。
用户用二维表格（时间和过载值对应） 描述任意形状的过载曲线。测控计算机将该表格数据进行插值计算,时间间隔取10 ms ,而后依据舱内超重G值与电机转速关系换算成电机的运转指令文件,然后通过RS232 串行通讯的方式将电机的运转指令数据下载到实时控制器中。
测控计算机向实时控制器发布启动命令后,实时控制器就按事先下载的数据以10 ms 的时间间隔控制电机按给定过载曲线运转,曲线运转完毕后实时控制器根据定点停车信号自动实现定点停车功能。
保证试验安全的技术措施 载人离心机试验安全的基本原则是离心机不该转动的时候不能因为干扰等原因转动起来;离心机运转过程中不能超过要求的zui高转速;当出现意外情况时一定能够及时停车。
基于以上安全考虑采取了如下保证试验安全的技术措施:1） 调速系统主电源与设备状态联锁。当吊舱门、大厅门及设备状态不正常时,操作员不能通过控制台的启动按钮联通调速系统主电源,测控计算机不能控制离心机运转。2） 运转过程中出现异常情况时,测控计算机自动切断调速系统主电源。操作员通过控制台的应急停车按钮可以随时手动切断拖动系统主电源,强迫离心机自由停车。3） 一旦过载曲线运转完毕,测控计算机自动切断拖动系统主电源。4） 直流调速器超速保护功能。离心机运转前,测控计算机根据本次试验模拟的过载曲线自动计算（模拟zui大G值+ 0. 5g） 超速保护参数,下载到6RA24 直流调速器。运转过程中一旦出现超速情况,直流调速器自动切断调速系统主电源,强迫离心机自由停车。5） 监测载人离心机的主要设备参数和状态。监测吊舱门、大厅门、拖动系统（主电源） 、滑油泵等状态,监测舱内超重G值、主轴转速、减速器油压、油温及传动轴温度等。操作员可以通过对这些参数进行监控,判断和了解离心机的技术状态,确保试验安全可靠。6） 实时控制器有医学停车和紧急停车功能。
软件功能描述
该测控系统包括实时控制器和测控计算机两台计算机,采用RS232 串行通信[4 ] ,软件分为实时控制器软件和测控软件两部分。
实时控制器软件功能 1） 接收测控计算机的通信命令。实时控制器以串行中断方式接收测控计算机的命令,有G值曲线下载、离心机启动、医学停车、紧急停车、手动运行及状态查询6 条命令。2） 控制载人离心机按要求的G值曲线运转。将G值曲线数据转化为电机运转数据传给6RA24直流调速器,控制离心机运转。3） 控制载人离心机医学停车和紧急停车。4） 控制载人离心机定点停车。
测控软件功能 1） G值曲线的编辑和下载。可以编辑梯形G值曲线和技术指标要求的任意形状超重G值曲线。梯形曲线编辑参数有上升率、平台G值、平台时间和下降率;任意形状G值曲线以时刻和该时刻G值的二维表格数据为编辑参数。编辑后的G值曲线数据下载到实时控制器中,以便将来试验使用。2） 监测和记录离心机的吊舱G值等主要参数。3） 设置离心机运转的安全保护G值。当选定试验用G值曲线后,测控软件自动将安全保护G值设置到6RA24 直流调速中,一旦离心机转转超过保护G值,6RA24 直流调速器自动控制离心机断电停机。4） 提供友好人机操作界面。测控软件界面分为参数及状态监测和试验操作按钮两部分。监测界面显示离心机的吊舱门、大厅门、拖动系统、滑油泵状态和舱内过载G值、主轴转速、减速器油压、油温及传动轴温度等主要参数。
结果及应用
本系统实现了技术指标和要求的全部功能,能够模拟包括飞船发射、飞船正常返回及飞船应急返回在内的任意形状过载曲线,模拟曲线精度符合±0. 2 g 的要求,系统的安全措施有效,操作简便,运行良好。图2～3 为载人离心机运行的几种过载曲线,图中虚线为设定曲线,实线为实测曲线。
载人离心机应用该测控系统运行了700 多次,其中进行载人试验260 余人次,满足了包括飞船发射和返回等各种超重模拟试验的要求。
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