飞机液压铁鸟试验台测试系统研究

2015-02-24刘永智安思危王纪森

机床与液压 2015年16期

刘永智，安思危，王纪森

(1.成都飞机工业 (集团)有限责任公司，四川成都 610092；2.西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072)

飞机液压铁鸟试验台是飞机液压试验系统的重要组成部分，关系到飞机整体安全性、可靠性、经济性和可维护性。铁鸟试验台一般由铁鸟试验台架、液压动力源、电源系统、控制系统、数据采集系统以及实时监控系统组成。在铁鸟试验台上，可验证飞机液压系统的功能和性能指标，以及与飞机上其他系统的相互关系是否正常。其主要应用于飞机起落架、护板的收放;平尾、副翼方向舵的操控;机轮刹车控制等。由于液压系统压力高，油液容易泄漏和污染，因而故障较多。因此，为保证飞机液压系统的可靠性，满足我国航空工业发展的需要，开发一种能满足试验要求的飞机液压试验台测试系统就变得十分必要［1－5］。

飞机液压试验台测试系统要求测试准确、模拟真实、内容全面，然而试验中信号分散、数量多、种类繁杂，故其难点集中在采集信号的准确性、数据通信的实时性和开发软件平台的易操作性和可维护性。

某型无人机液压系统相比传统的有人驾驶飞机存在诸多不同，在设计上存在如下难点: (1)既有程序控制，又有人工干预;(2)电磁兼容要求高;(3)新增适航性试验要求。所以相对应的测试系统必须通过提高采样频率和精度、使用软件编程模拟、软件扩展性好等方式，以满足上述要求。

下面将综述国内外文献对于上述难点的处理方案，根据某型无人机液压系统的测试要求，给出自己的见解。

1 测试系统组成

飞机液压铁鸟试验台测试系统主要由控制子系统、数据采集子系统以及实时监控子系统组成。控制子系统的核心是一台功能齐全、人机界面友好的控制计算机，主要发出各种操作指令，以操纵受试设备，如试验台的启动、起落架的收放、机载油泵的转速控制等;数据采集子系统由工控机、多功能信号调理器、采集板卡以及连接它们的电缆组成，主要完成试验过程中设备参数、环境条件的数据采集;实时监控子系统主要用来监控试验的整个过程，当控制系统出现异常或故障时，以提示或报警等方式通知试验人员。测试系统的结构框图如图1所示。

图1 测试系统结构框图

2 数据采集

采集数据的准确性是衡量飞机液压铁鸟试验测试系统可靠性的首要前提，而采集数据的准确性主要取决于传感器的测量精度、数据采集器性能和信号调理电路设计。因测试系统对传感器的测量精度有明确的性能指标，故文中不在赘述传感器的选择，将主要介绍数据采集器的选择和信号调理电路设计的注意事项。

一般来说，数据采集器的选择需要考虑的因素有数据通信接口、数据存储空间的大小、首读率和数据采集器的价格等。在工业现场，数据采集器的防震等功能也十分重要［6－7］。目前数据采集器正朝着智能化、模块化的方向发展，市场上也出现了不同型号的数据采集器，其基本功能大体相同。经常使用的两种数据采集器的性能比较如下:

(2)研华PCI-1760采集板卡。8路光隔离量数字输入;在噪声环境下为采集数字量输入提供2 500 V DC的隔离保护;自带8个继电器，可用作开关控制式小型电源断路开关;2个可自定义的隔离脉冲调制PWM输出;采样速率高达100 kHz［8］。

总的来说，两种数据采集器都能满足测量精度和速度。相比较而言，Agilent34972a有较好的兼容性和可扩展性，可轻松连接至PC，而PCI-1760则需要专门的PCI插槽接口;在价格方面，Agilent34972a的价格为1.4万，而PCI-1760的价格为2 000元左右。在具体选择时，可根据采集通道数量、经济性以及兼容性等因素做出最佳选择或选择同系列的其他产品。

某型无人机液压铁鸟试验台测试系统需要测量的数据主要有:(1)测量电动液压泵的启动电流，捕捉启动电流的尖峰值; (2)测量加载起落架、护板的两腔压力以及右泵的进出口压力;(3)测量左右机轮刹车压力; (4)测量机载、加载油箱的油温、流量。另外需要模拟无人机控制系统输出PWM波控制刹车阀工作。所以选择采集频率高且具有PWM波输出功能的研华系列采集板卡。

飞机液压铁鸟测试系统主要用于工业现场的测量与控制，工业现场环境复杂，存在着许多干扰源，为了提高整个系统的可靠性，信号调理电路在测试系统中极为重要，也很容易受到外界干扰，因此在电路设计前要考虑采取一些抗干扰措施，如滤波技术、信号隔离技术、电磁屏蔽技术和接地技术等。

3 通信模块

实时测试一直是测试系统追求的目标，尤其是对于像铁鸟试验这种大型复杂分布式系统的测试。在构成广域测试网络时，实时同步是前提条件，测试网络的安全稳定是基础。目前，在国内外数据通信主要采用的是工业以太网和LXI总线技术，对两种技术的比较如下:

工业以太网基于TCP/IP，是一种标准开放式的网络，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易地实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享;数据的传输距离长、传输速率高;易与Internet连接，低成本、易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，受到了广泛的技术支持。其通信速率均达100 Mb/s，因此被广泛应用于工业自动化领域。但是以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议 (CSMA/CD)，无法保证数据传输的实时性要求，是一种非确定性的网络系统。以太网采用超时重发机制，单点的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪［9－13］。

LXI是一代新型的仪器平台，其最突出的优点是在仪器技术中加入了计算机网络技术。它采用独立仪器方式、自带处理器、LAN连接、电源和触发器输入。LXI提供了3种触发方式，网络消息触发、IEEE1588时钟同步触发和总线触发。由于实时测试是测试系统的重要追求指标，而IEEE1588时钟同步触发方式是根据明确的时间启动，其精确性仅取决于仪器时钟的精确度。其时钟同步延时将在10 ns以内，因此特别适合于分布式测试系统［7］。

某型无人机液压铁鸟试验台测试系统，要完成刹车阀响应时间的测试，即刹车阀接受控制信号时刻t1、刹车阀开始输出压力时刻t2和输出满压力时刻t3;以及要完成起落架收放响应时间的测试，即起落架、护板收上到位时刻t'1、t'2和起落架、护板放下到位时刻t'3、t'4。所以对于信号传递要求的实时性极高，采集频率高;同样，在试验完成后，对试验数据的分析、回放等对于实时性要求较低，但是由于试验数据量较大，则对于平均传输速率要求较高。

综上所述，工业以太网的优势在于适用于信息量需求大但对实时性要求不严格的场合，而LXI总线可以很好地满足对实时性要求严格的场合。故在设计中可以考虑两者相结合的办法，对于实时监控的部分采用LXI总线技术，而对实时性要求不严格的部分(例如试验数据回放等)采用工业以太网技术。

4 软件平台

在测试系统试验中，要完成复杂多样的测试任务，操作软件的易操作性、易维护性、可扩展性和安全性也一直是整个测试系统必须考虑的重要问题之一。目前主要的软件开发平台有Windows操作系统下的C++Bulider6.0和NI公司推出的专门面向测控领域的开发平台Lab Windows/CVI。

C++Bulider6是Borland公司出品的一种基于C++的快速开发工具，它不仅易学易用，而且功能强大、目标程序效率高。C++Builder6具有快速的可视化开发环境:C++Builder内置了100多个完全封装了Windows公用特性且具有完全可扩展性 (包括全面支持ActiveX控件)的可重用控件;C++Builder具有一个专业C++开发环境所能提供的全部功能:快速、高效、灵活的编译器优化，逐步连接，CPU透视，命令行工具等。它实现了可视化的编程环境和功能强大的编程语言 (C++)的完美结合［5］。

LabWindows/CVI是National Instruments公司 (美国国家仪器公司，简称NI公司)推出的交互式C语言开发平台［8］。LabWindows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。

相比较而言，LabWindows/CVI是专门应用于开发虚拟仪器的应用系统，内置强大的函数库用于完成数据采集、分析和显示任务，十分方便快捷。在这方面，C++Builder相比则略显不足。但C++Bulider面对众多的测试任务，可以融合现在面向对象和组件思想、技术，采用框架软件开发方法，有助于减少框架开发的迭代次数和工作量，提高框架的开发效率以及可复用性和扩展性，而且保证了测试系统框架与应用体系结构的一致性，解决了软件系统维护困难的问题。总之，两种主流的开发平台各有优略，读者在选择时，可根据实际测试任务的要求做出取舍。另外，在对可视性要求较高的场合，虚拟视景系统的引入可以完美地解决试验需求。虚拟视景系统即利用Open-GL或Vega等开发视景平台，构建飞机及其附件的三维模型。在试验运行过程中，虚拟视景系统通过实时采集相关传感器的信息，实时更新飞机视景画面［13］。

某型无人机液压铁鸟试验台测试系统，为了满足客户对无人机适航性的要求，需要根据适航验证试验的具体条款进行编程，要求编程软件功能强大、扩展性好，所以LabWindows/CVI开发平台满足要求。

5 结束语

随着自动化工业技术的高速发展，工业以太网、LXI总线等技术被广泛应用于飞机液压系统。飞机液压铁鸟试验台测试系统变得越来越智能化、实时化、高度灵活化和可视化。文中综述了国内外几种主流测试系统的实现方法，各有优点和不足。基于以上构建的某型无人机液压试验台测试系统，在飞机地面模拟试验中，能实现液压系统及客户的自动控制，模拟飞机起飞、飞行和降落的全部工作过程，同时监测飞机模拟行进过程中各阶段的工作状态并进行试验记录。该系统的主要技术指标要求满足设计要求，在某型号飞机应用中，已完成上千次试验，并多次成功配合完成试飞排除故障工作，累计使用时间约600 h，试验控制精度高，人机交互良好，试验结果可靠性高。近些年来，ARM和DSP处理器高速发展，在以后测试系统中引入ARM和DSP替代工控机将会使得测试系统变得更加轻便、灵活，同时还能节约成本。

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