Abstract: This paper simply introduces the structure system and functions of the sub-system of the high full-task simulator. The control system of the Ejection Seat Training Simulator is designed and implemented by using the standard Bus data acquisition card, the PLC control technology and MCGS on the foundations of detail analysis of the control system data. A method which develops application program of data acquisition card is given on the VC++ development environment. And the procedure flow controlling graph of the control system is given. It has been proved practically that the design method can shorten soft development cycle, improve work efficiency and better economic efficiency.

Keywords: Simulator; Ejection; Data acquisition; Application program

摘要: 论述了高端全任务模拟器的系统构成及各子系统功能。通过对飞行弹射模拟器(Ejection Seat Training Simulator)控制系统数据需求较为详尽的分析,利用符合PCI总线标准的数据采集卡、运用PLC控制技术和组态软件设计了飞行弹射模拟器的控制系统,并加以实现。具体提出了在VC++开发环境下开发应用程序的方法,给出了弹射控制系统主控流程图。工程实践证明这种设计方法可以缩短开发周期、提高效率,取得良好的经济效益。

关键词: 模拟器; 弹射; 数据采集; 应用程序

1 引言

模拟器(Simulator)在不同领域中的应用越来越广泛。计算机技术和仿真技术的不断发展,使模拟器的功能、品质得以全面提升成为可能。工程应用中的模拟器,以计算机和各专业中物理效应设备为工具,利用系统模型对真实的或假想的系统实施逼真模拟或动态研究。它集仿真技术、计算机技术、自动控制、软件开发、通讯技术、图象处理、音频技术、机械制造等技术于一体[1]。ESTS模拟器的设计要求是模拟我国出口到埃及K-8E型飞机飞行及飞行时出现故障弹射逃生的操作过程。整套训练系统包括理论教学与实际操作两部分,采用双座舱(前、后座舱)真实模拟。通过训练:可以减少真实飞行、弹射操作时间,掌握正确弹射姿势,熟练弹射操作动作,给飞行员以弹射感觉,从而达到提高弹射成功率节省训练成本的目的。其系统结构简述如下。

图1 控制系统结构图

2 控制系统的设计与实现

ESTS模拟器控制系统主要由两部分组成, 如图1所示。其一是前后舱操作控制(飞行操作部分)。这部分的主要任务是采用数据采集卡将表征各操纵部件操作状态的数字量采集后经局域网送入主控计算机进行解算。其二是弹射座椅控制(弹射逃逸操作部分)。这部分主要由PLC、工业平板计算机加上组态软件(MCGS)来实现。

3前后舱飞行控制设计与实现

各操纵信号描述见数据需求表1.

表1 数据需求

前后舱的结构相同:有操纵杆、油门拉杆、脚蹬。操纵杆:控制飞行状态,用4个位移传感器将操纵状态转换为数字量,前后舱共8个位移传感器。油门拉杆:控制发动机的功率输出,用1个高精度角位移传感器将操纵状态转换为数字量,前后舱共2个角位移传感器。脚蹬:控制转弯飞行,用1个位移传感器将操纵状态转换为数字量前后舱共有2个位移传感器。

由上面分析可知,前后舱共有12路模拟量需要采样转换,并要将每一路转换后的数据经局域网传输给主控计算机。

3.1数据采集卡的选型

目前市场上有众多的数据采集卡产品,选择时考虑产品要符合现时计算机主流总线标准,要有足够的转换精度、分辨率、灵敏度,性价比适中。在经多方比较后决定采用台湾研华公司PCI总线系列数据采集卡,具体型号为: PCI-1710。它采用差分输入时具有8路A/D转换通道,采用单端输入时可有16路A/D通道[2]。在ESTS模拟器控制系统设计中采用单端输入。

3.2 应用程序的编写

PCI-1710数据采集卡应用程序采用Visual C++编写,并且要用到MFC和Win32 API等技术。大多数专业数据采集卡产品都支持多种高级语言编写应用程序,并提供已封装好的底层驱动接口函数。在编写应用程序之前,需要认真分析数据采集卡生产商所提供的VC++底层接口函数和相关结构。如通道配置、读写方式选择、打开设备、关闭设备、设备属性设置等与硬件紧密相关的函数。

编程思路:在MFC (Microsoft Foundation Class Library) 中各种类所构成的应用程序框架的基础上利用MFC对Win 32 API的封装、继承的特性,应用事件驱动和消息处理机制可以用Visual C++较为容易地编写出采集卡应用程序[3]。其编程思路如图2所示。

应用程序中CPCI1710App类派生于CWinApp。基于框架的应用程序必须有且只有一个应用程序对象,它负责应用程序的初始化、运行和结束。其主要作用是统一管理程序收到的所有的消息,然后把消息分配到相应的对象。文档与视窗分离的另一个好处就是在程序中可以处理多个文档,通过对不同的视窗的处理达到对不同的文档分别处理的目的。在MFC方式的Windows应用程序中,用来处理消息的是系统自动生成的MFC中的类CWinApp的派生类CPCI1710App。这是一种相对SDK来说更为简单的方法。Microsoft Visual C++所提供的工具:AppWizard可以用来生成初步的框架文件.

图2 应用程序构成3.3 动态链接库(.DLL)的导入

32位视窗操作系统的函数库是动态链接的,没有直接编译到应用程序的可执行文件中,只是将动态数据库路径信息保存在可执行文件中。底层设备驱动程序在执行过程中动态链接库被调用时才连接到应用程序中。通常情况下数据采集卡供应商提供了丰富的动态库函数,充分利用这些库函数可以极大限度地提高开发效率。因此编写应用程序时应该注意动态链接库的导入。

4 前、后舱弹射控制

当飞机飞行出现故障时要求飞行员应能在极短的时间内做出正确判断。学员通过规定典型场景模拟和固定操作的课程培训,提高对弹射时机的掌握能力、缩短判断处置时间,避免技术上的延迟以提高救生机率。弹射控制结构如图3所示。

图3 弹射控制结构图

弹射控制虽然受控于教员台,但就其控制功能而言自成一体。主要由: TPC150-TC21 15英寸TFT液晶平板计算机、三菱FX-2N48M PLC和FX2N 4AD 4模拟量输入模块、压力传感器、位置传感器、加速度传感器、执行元件构成。

平板计算机TCP150-TC21与主控计算机的通讯用以太网接口。它的2个RS-232串行接口为弹射控制所用,其中1个用于与PLC之间的数据通讯;另1个用来与电子称的连接。飞行员体重数据和弹射压力是用于计算弹射座椅加速度的理论值。

FX-2N 4AD有4个独立的模拟量输入通道,分别用于前、后舱弹射压力输入,前、后舱加速度传感器模拟量的输入。

4.1弹射控制主要过程

(1) 电源接通后,PLC始终监视气罐气压值,进行自检、密封检查、弹射压力设定,自动调节压力在设定值±0.01MPa范围内,当差值超过0.05MPa时,会发出超压报警提示。当PLC故障或4AD模块出现故障时也会自动报警显示。

(2) 当气压达到设定值、上缓冲到位、座椅在初始位置状态,飞行员头部、臀部到位,在教员台“允许弹射开关”接通状态下,按动弹射开关方可弹射,条件缺一不可。若上缓冲不到位,上缓冲到位灯闪烁;头或臀不到位(由位置传感器检测),当拉动弹射手柄后,头或臀到位灯闪烁并有报警声鸣响,指示头或臀不到位,此次弹射失败,必须重新开始。

(3) 弹射启动后,首先肩带拉紧气缸工作,延迟0.3秒后转阀工作向弹射气缸充气。弹射初始位置开关离开约0.3秒转阀转180°,停转限位开关接通,自动关闭电机。弹射气缸伸出700mm时,弹射到位开关工作,小压力缓冲阀开启,减少弹射冲击,此时弹射座椅靠惯性维持动作。

(4) 座椅停止运动时学员按下下降按钮,下降电机开锁,座椅开始缓慢下降。此时肩胛带放开(肩带拉紧气缸释放气压),学员可随机启/停下降电机。当回到气缸700mm处,弹起开关再次接通,复位阀自动放气,使座椅仍可继续下降。但是若学员没按下降开关(座椅失控坠落),复位阀不会开启,气缸可起到缓冲作用。

(5) 当座椅回到初始位置,下降电机和小压力缓冲阀断电,复位阀延迟0.5秒断电,将气缸气体排净。

(6) 从座椅启动开始,PLC以40～50ms的采样周期分10次采集弹射过载值(弹射时的加速度G),自动选出最大值送平板计算机显示,并可依次读出10次采样值并可显示历史曲线。

(7) 控制台还会在弹射开始给出“弹射”,弹射过程中给出0.5秒的 “声光”开光信号。

4.2 PLC梯形图

把弹射控制系统中输入/输出信号分配给PLC相应的输入/输出端。设计时根据控制逻辑编制弹射控制程序流程图。再用三菱PLC编程软件根据弹射控制程序编写正确的梯形图。设计时要求所有执行元件能够单独手动控制以便于控制系统的调试。

4.3 MCGS开发平台的应用

MCGS是基于Windows 平台的用于构造和生成上位机监控系统的应用软件。它可方便快捷地构造应用系统,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能[4]。

建立一个名为弹射控制系统.mcg的工程,在工程中建立三个用户窗口分别用于显示弹射自动控制流程、手动调试、显示弹射加速度历史曲线;在弹射自动控制流程窗口中运用动画构件直观动态地表示弹射过程中各运动部件、各执行元件、各传感器的工作状态。

在设备窗口中设置平板计算机与上位机(主控计算机)通讯参数:端口号:COM1,波特率:9600,数据位数:8位,停止位:1位,校验方式:无,数据采样方式:同步采样。类似地设置平板计算机与PLC通讯端口数。选用实时曲线构件用于显示弹射过程加速度的变化轨迹。

本文作者创新点

本文论设计了高端全任务模拟器的系统构成及各子系统功能。在设计中全面分析控制需求,运用不同的控制技术完成控制系统的构造与实现。设计时采用集成度高稳定可靠的数据采集卡完成原始数据的采集与转换,过程控制用PLC技术来实现以缩短开发周期、提高效率。工程实践证明这种设计方法可以缩短开发周期、提高效率,取得良好的经济效益。