劉永智，安思危，王紀森

(1.成都飛機工業(yè) (集團)有限責任公司，四川成都 610092；2.西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710072)

飛機液壓鐵鳥試驗臺是飛機液壓試驗系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系到飛機整體安全性、可靠性、經(jīng)濟性和可維護性。鐵鳥試驗臺一般由鐵鳥試驗臺架、液壓動力源、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及實時監(jiān)控系統(tǒng)組成。在鐵鳥試驗臺上，可驗證飛機液壓系統(tǒng)的功能和性能指標，以及與飛機上其他系統(tǒng)的相互關(guān)系是否正常。其主要應用于飛機起落架、護板的收放;平尾、副翼方向舵的操控;機輪剎車控制等。由于液壓系統(tǒng)壓力高，油液容易泄漏和污染，因而故障較多。因此，為保證飛機液壓系統(tǒng)的可靠性，滿足我國航空工業(yè)發(fā)展的需要，開發(fā)一種能滿足試驗要求的飛機液壓試驗臺測試系統(tǒng)就變得十分必要［1－5］。

飛機液壓試驗臺測試系統(tǒng)要求測試準確、模擬真實、內(nèi)容全面，然而試驗中信號分散、數(shù)量多、種類繁雜，故其難點集中在采集信號的準確性、數(shù)據(jù)通信的實時性和開發(fā)軟件平臺的易操作性和可維護性。

某型無人機液壓系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的有人駕駛飛機存在諸多不同，在設(shè)計上存在如下難點: (1)既有程序控制，又有人工干預;(2)電磁兼容要求高;(3)新增適航性試驗要求。所以相對應的測試系統(tǒng)必須通過提高采樣頻率和精度、使用軟件編程模擬、軟件擴展性好等方式，以滿足上述要求。

下面將綜述國內(nèi)外文獻對于上述難點的處理方案，根據(jù)某型無人機液壓系統(tǒng)的測試要求，給出自己的見解。

1 測試系統(tǒng)組成

飛機液壓鐵鳥試驗臺測試系統(tǒng)主要由控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及實時監(jiān)控子系統(tǒng)組成。控制子系統(tǒng)的核心是一臺功能齊全、人機界面友好的控制計算機，主要發(fā)出各種操作指令，以操縱受試設(shè)備，如試驗臺的啟動、起落架的收放、機載油泵的轉(zhuǎn)速控制等;數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由工控機、多功能信號調(diào)理器、采集板卡以及連接它們的電纜組成，主要完成試驗過程中設(shè)備參數(shù)、環(huán)境條件的數(shù)據(jù)采集;實時監(jiān)控子系統(tǒng)主要用來監(jiān)控試驗的整個過程，當控制系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚬收蠒r，以提示或報警等方式通知試驗人員。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)的準確性是衡量飛機液壓鐵鳥試驗測試系統(tǒng)可靠性的首要前提，而采集數(shù)據(jù)的準確性主要取決于傳感器的測量精度、數(shù)據(jù)采集器性能和信號調(diào)理電路設(shè)計。因測試系統(tǒng)對傳感器的測量精度有明確的性能指標，故文中不在贅述傳感器的選擇，將主要介紹數(shù)據(jù)采集器的選擇和信號調(diào)理電路設(shè)計的注意事項。

一般來說，數(shù)據(jù)采集器的選擇需要考慮的因素有數(shù)據(jù)通信接口、數(shù)據(jù)存儲空間的大小、首讀率和數(shù)據(jù)采集器的價格等。在工業(yè)現(xiàn)場，數(shù)據(jù)采集器的防震等功能也十分重要［6－7］。目前數(shù)據(jù)采集器正朝著智能化、模塊化的方向發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了不同型號的數(shù)據(jù)采集器，其基本功能大體相同。經(jīng)常使用的兩種數(shù)據(jù)采集器的性能比較如下:

(2)研華PCI-1760采集板卡。8路光隔離量數(shù)字輸入;在噪聲環(huán)境下為采集數(shù)字量輸入提供2 500 V DC的隔離保護;自帶8個繼電器，可用作開關(guān)控制式小型電源斷路開關(guān);2個可自定義的隔離脈沖調(diào)制PWM輸出;采樣速率高達100 kHz［8］。

總的來說，兩種數(shù)據(jù)采集器都能滿足測量精度和速度。相比較而言，Agilent34972a有較好的兼容性和可擴展性，可輕松連接至PC，而PCI-1760則需要專門的PCI插槽接口;在價格方面，Agilent34972a的價格為1.4萬，而PCI-1760的價格為2 000元左右。在具體選擇時，可根據(jù)采集通道數(shù)量、經(jīng)濟性以及兼容性等因素做出最佳選擇或選擇同系列的其他產(chǎn)品。

某型無人機液壓鐵鳥試驗臺測試系統(tǒng)需要測量的數(shù)據(jù)主要有:(1)測量電動液壓泵的啟動電流，捕捉啟動電流的尖峰值; (2)測量加載起落架、護板的兩腔壓力以及右泵的進出口壓力;(3)測量左右機輪剎車壓力; (4)測量機載、加載油箱的油溫、流量。另外需要模擬無人機控制系統(tǒng)輸出PWM波控制剎車閥工作。所以選擇采集頻率高且具有PWM波輸出功能的研華系列采集板卡。

飛機液壓鐵鳥測試系統(tǒng)主要用于工業(yè)現(xiàn)場的測量與控制，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜，存在著許多干擾源，為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，信號調(diào)理電路在測試系統(tǒng)中極為重要，也很容易受到外界干擾，因此在電路設(shè)計前要考慮采取一些抗干擾措施，如濾波技術(shù)、信號隔離技術(shù)、電磁屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)等。

3 通信模塊

實時測試一直是測試系統(tǒng)追求的目標，尤其是對于像鐵鳥試驗這種大型復雜分布式系統(tǒng)的測試。在構(gòu)成廣域測試網(wǎng)絡時，實時同步是前提條件，測試網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定是基礎(chǔ)。目前，在國內(nèi)外數(shù)據(jù)通信主要采用的是工業(yè)以太網(wǎng)和LXI總線技術(shù)，對兩種技術(shù)的比較如下:

工業(yè)以太網(wǎng)基于TCP/IP，是一種標準開放式的網(wǎng)絡，由其組成的系統(tǒng)兼容性和互操作性好，資源共享能力強，可以很容易地實現(xiàn)將控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享;數(shù)據(jù)的傳輸距離長、傳輸速率高;易與Internet連接，低成本、易組網(wǎng)，與計算機、服務器的接口十分方便，受到了廣泛的技術(shù)支持。其通信速率均達100 Mb/s，因此被廣泛應用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。但是以太網(wǎng)采用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議 (CSMA/CD)，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，是一種非確定性的網(wǎng)絡系統(tǒng)。以太網(wǎng)采用超時重發(fā)機制，單點的故障容易擴散，造成整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的癱瘓［9－13］。

LXI是一代新型的儀器平臺，其最突出的優(yōu)點是在儀器技術(shù)中加入了計算機網(wǎng)絡技術(shù)。它采用獨立儀器方式、自帶處理器、LAN連接、電源和觸發(fā)器輸入。LXI提供了3種觸發(fā)方式，網(wǎng)絡消息觸發(fā)、IEEE1588時鐘同步觸發(fā)和總線觸發(fā)。由于實時測試是測試系統(tǒng)的重要追求指標，而IEEE1588時鐘同步觸發(fā)方式是根據(jù)明確的時間啟動，其精確性僅取決于儀器時鐘的精確度。其時鐘同步延時將在10 ns以內(nèi)，因此特別適合于分布式測試系統(tǒng)［7］。

某型無人機液壓鐵鳥試驗臺測試系統(tǒng)，要完成剎車閥響應時間的測試，即剎車閥接受控制信號時刻t1、剎車閥開始輸出壓力時刻t2和輸出滿壓力時刻t3;以及要完成起落架收放響應時間的測試，即起落架、護板收上到位時刻t'1、t'2和起落架、護板放下到位時刻t'3、t'4。所以對于信號傳遞要求的實時性極高，采集頻率高;同樣，在試驗完成后，對試驗數(shù)據(jù)的分析、回放等對于實時性要求較低，但是由于試驗數(shù)據(jù)量較大，則對于平均傳輸速率要求較高。

綜上所述，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢在于適用于信息量需求大但對實時性要求不嚴格的場合，而LXI總線可以很好地滿足對實時性要求嚴格的場合。故在設(shè)計中可以考慮兩者相結(jié)合的辦法，對于實時監(jiān)控的部分采用LXI總線技術(shù)，而對實時性要求不嚴格的部分(例如試驗數(shù)據(jù)回放等)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

4 軟件平臺

在測試系統(tǒng)試驗中，要完成復雜多樣的測試任務，操作軟件的易操作性、易維護性、可擴展性和安全性也一直是整個測試系統(tǒng)必須考慮的重要問題之一。目前主要的軟件開發(fā)平臺有Windows操作系統(tǒng)下的C++Bulider6.0和NI公司推出的專門面向測控領(lǐng)域的開發(fā)平臺Lab Windows/CVI。

C++Bulider6是Borland公司出品的一種基于C++的快速開發(fā)工具，它不僅易學易用，而且功能強大、目標程序效率高。C++Builder6具有快速的可視化開發(fā)環(huán)境:C++Builder內(nèi)置了100多個完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴展性 (包括全面支持ActiveX控件)的可重用控件;C++Builder具有一個專業(yè)C++開發(fā)環(huán)境所能提供的全部功能:快速、高效、靈活的編譯器優(yōu)化，逐步連接，CPU透視，命令行工具等。它實現(xiàn)了可視化的編程環(huán)境和功能強大的編程語言 (C++)的完美結(jié)合［5］。

LabWindows/CVI是National Instruments公司 (美國國家儀器公司，簡稱NI公司)推出的交互式C語言開發(fā)平臺［8］。LabWindows/CVI將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來，利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)設(shè)計人員編寫檢測系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應用軟件提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

相比較而言，LabWindows/CVI是專門應用于開發(fā)虛擬儀器的應用系統(tǒng)，內(nèi)置強大的函數(shù)庫用于完成數(shù)據(jù)采集、分析和顯示任務，十分方便快捷。在這方面，C++Builder相比則略顯不足。但C++Bulider面對眾多的測試任務，可以融合現(xiàn)在面向?qū)ο蠛徒M件思想、技術(shù)，采用框架軟件開發(fā)方法，有助于減少框架開發(fā)的迭代次數(shù)和工作量，提高框架的開發(fā)效率以及可復用性和擴展性，而且保證了測試系統(tǒng)框架與應用體系結(jié)構(gòu)的一致性，解決了軟件系統(tǒng)維護困難的問題?？傊?，兩種主流的開發(fā)平臺各有優(yōu)略，讀者在選擇時，可根據(jù)實際測試任務的要求做出取舍。另外，在對可視性要求較高的場合，虛擬視景系統(tǒng)的引入可以完美地解決試驗需求。虛擬視景系統(tǒng)即利用Open-GL或Vega等開發(fā)視景平臺，構(gòu)建飛機及其附件的三維模型。在試驗運行過程中，虛擬視景系統(tǒng)通過實時采集相關(guān)傳感器的信息，實時更新飛機視景畫面［13］。

某型無人機液壓鐵鳥試驗臺測試系統(tǒng)，為了滿足客戶對無人機適航性的要求，需要根據(jù)適航驗證試驗的具體條款進行編程，要求編程軟件功能強大、擴展性好，所以LabWindows/CVI開發(fā)平臺滿足要求。

5 結(jié)束語

隨著自動化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)、LXI總線等技術(shù)被廣泛應用于飛機液壓系統(tǒng)。飛機液壓鐵鳥試驗臺測試系統(tǒng)變得越來越智能化、實時化、高度靈活化和可視化。文中綜述了國內(nèi)外幾種主流測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，各有優(yōu)點和不足。基于以上構(gòu)建的某型無人機液壓試驗臺測試系統(tǒng)，在飛機地面模擬試驗中，能實現(xiàn)液壓系統(tǒng)及客戶的自動控制，模擬飛機起飛、飛行和降落的全部工作過程，同時監(jiān)測飛機模擬行進過程中各階段的工作狀態(tài)并進行試驗記錄。該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標要求滿足設(shè)計要求，在某型號飛機應用中，已完成上千次試驗，并多次成功配合完成試飛排除故障工作，累計使用時間約600 h，試驗控制精度高，人機交互良好，試驗結(jié)果可靠性高。近些年來，ARM和DSP處理器高速發(fā)展，在以后測試系統(tǒng)中引入ARM和DSP替代工控機將會使得測試系統(tǒng)變得更加輕便、靈活，同時還能節(jié)約成本。

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