航空發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

曹 陽，李文峰，陳震宇，喬 黎

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

1 引言

作為飛機最重要的組成部分，航空發(fā)動機的試驗測試貫穿全壽命期，在研制過程中起著舉足輕重的作用。沒有大量高效的試驗，就沒有高性能的航空發(fā)動機[1]。在整機試驗過程中產(chǎn)生的試車數(shù)據(jù)為發(fā)動機設(shè)計和改進提供了重要依據(jù)，如何利用并充分使用通過整機試驗所搜集更多的試車相關(guān)數(shù)據(jù)顯得尤為重要。

本文介紹了經(jīng)改進的新型航空發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)分析

航空發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)考慮了系統(tǒng)實施的要求以及國內(nèi)外相似系統(tǒng)的現(xiàn)狀，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用分成了3級結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過數(shù)采設(shè)備以一定的速率將發(fā)動機的參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)收集起來，存儲在本地磁盤，再通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序?qū)⒃囼灁?shù)據(jù)提交給遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行存儲和管理。使用者如需對試驗數(shù)據(jù)進行分析應(yīng)用，即可通過合法的身份驗證后連接到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫，再對發(fā)動機的歷程數(shù)據(jù)進行回放等相關(guān)操作。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分的硬件主要由數(shù)采計算機、數(shù)字綜調(diào)與PLC通訊計算機、NEFF470數(shù)采系統(tǒng)、溫度采集模塊DTS3250、壓力采集模塊DSA3017、傳感器等組成。其配置框圖如圖2所示。

3.1.1 NEFF470數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

NEFF470數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是美國NEFF公司的產(chǎn)品，其采用GPIB總線，精度均優(yōu)于0.05%，具有數(shù)據(jù)吞吐能力強、可靠性高、模塊化等特點。本設(shè)計采用3塊470050、11 塊 470051、2 塊 470055和1塊470012用于測量臺架所有電壓信號以及頻率信號，采集速率理論可達(dá)每通道45次/s。

3.1.2 DTS3250和DSA3017模塊

本系統(tǒng)采用的DTS3250為32通道電偶掃描閥，可單獨設(shè)置每通道的電偶類型，并有加熱功能，冬季也可在試車間內(nèi)使用，支持RS232和TCP/IP協(xié)議，可將采集到的溫度信號直接轉(zhuǎn)化為溫度值或電壓值，用串口或者網(wǎng)絡(luò)傳給采集計算機，有效地解決了溫度信號模擬量在傳輸過程中易受干擾和易衰減問題。DSA3017為16路氣壓測量掃描閥，采樣速率為每通道45次/s，支持TCP/IP協(xié)議，在17 kPa～3.5 MPa范圍內(nèi)精度可達(dá)0.05%，可將其置于臨近發(fā)動機的位置，這樣大大減弱了測量氣壓時的容腔效應(yīng)，提高了動態(tài)響應(yīng)頻率，保證了測試精度。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是在WindowsXP環(huán)境下，采用VB和MeasurementStudio進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL2005系統(tǒng)，通過ADO實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。

為了滿足試車時的測試要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和管理功能，降低軟件開發(fā)復(fù)雜程度，本系統(tǒng)按照功能結(jié)構(gòu)分成3部分：數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序和客戶端程序，其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.2 主要功能

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，并使用了大量的生動、豐富的圖形界面，方便試驗者使用[2]。將本系統(tǒng)概括起來主要包括3個部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與處理、歷程數(shù)據(jù)的回放。

（1）數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)在進行NEFF470采集通道初始化時，根據(jù)實際參數(shù)個數(shù)動態(tài)初始化通道，減少了采集通道的數(shù)量，避免了系統(tǒng)資源浪費。在采集速率上使用多媒體定時器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集速率的控制，最低定時精度可以達(dá)到1 ms，并且有很高的優(yōu)先級，與NEFF470配合可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集。對于DTS3250和DSA3017，可以在數(shù)采程序中分別對其進行設(shè)置，再通過Winsock方式將數(shù)字信號傳輸給數(shù)采計算機。

（2）數(shù)據(jù)存儲與處理

為輔助整機試驗后的分析、數(shù)據(jù)處理及輸出，將每次開車時由數(shù)采計算機所采集到的發(fā)動機全參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、報警信息和相關(guān)配置信息都暫存在本地硬盤上，試車結(jié)束后通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件將試車數(shù)據(jù)提交給遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。這樣就可以借用數(shù)據(jù)庫命令方便地實現(xiàn)相關(guān)的查詢、統(tǒng)計等功能，而且通過為不同用戶賦予不同的訪問權(quán)限，使試車數(shù)據(jù)的安全性和有效性得到了保障。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)記錄數(shù)據(jù)是發(fā)動機性能計算的重要參照數(shù)據(jù)，目前穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集的主要手段是依靠試車記錄員手工記錄，這樣產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)誤操作和漏記現(xiàn)象，也無法保證一定能夠采集到合適的穩(wěn)態(tài)采集點，從而使設(shè)計人員分析、挑選數(shù)據(jù)遇到很大麻煩。本系統(tǒng)根據(jù)油門桿角度變化來自動判定穩(wěn)態(tài)起始點和結(jié)束點，再根據(jù)起始點、結(jié)束點記錄的時間參數(shù)來判定穩(wěn)態(tài)段的時間長度。同時為了避免因為操縱員控制油門桿時的調(diào)整帶來穩(wěn)態(tài)段的誤判，又增加了穩(wěn)態(tài)段時間長度判斷條件，并使用了狄克遜準(zhǔn)則[3]對異常數(shù)據(jù)進行剔除，保證了通過本系統(tǒng)自動產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

狄克遜準(zhǔn)則步驟如下：

a.按大小次序排列的觀測值x(1)≤x(2)≤…≤x(n)計算統(tǒng)計量。

b.按表 1 計算 D、D'。

d.當(dāng)D＞D',D＞?D1-α(n),x(n)離群；當(dāng)D'＞D，D'＞?D1-α(n),x(1)離群；重復(fù)a～c，否則判斷無離群值。

（3）歷程數(shù)據(jù)回放

發(fā)動機試車數(shù)據(jù)主要用來驗證發(fā)動機設(shè)計及排故，而如何通過繪制發(fā)動機歷程曲線讓設(shè)計人員更加便捷地了解發(fā)動機的工作狀態(tài)十分重要。本系統(tǒng)實現(xiàn)了繪制發(fā)動機多參數(shù)隨時間變化曲線功能，而且考慮到全屏繪制試車歷程曲線可能對局部細(xì)節(jié)描繪不清晰，特別提供了曲線局部放大功能，再考慮到用戶可能將歷程數(shù)據(jù)做進一步分析計算，又提供了歷程數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

表1 雙側(cè)狄克遜檢驗式

表2 雙側(cè)狄克遜檢驗的臨界值1-α(n)

表2 雙側(cè)狄克遜檢驗的臨界值1-α(n)

n 統(tǒng)計量 95% n 統(tǒng)計量 95%3 0.529 4 0.829 18 0.514 5 0.710 19 0.501 6 0.628 20 0.489 7 0.569 21 0.478 r10和 r10′中的較大者0.970 17 r22和r22′中的較大者0.608 22 0.468 9 0.564 23 0.459 10 0.530 24 0.451 11 8 r11和 r11′中的較大者0.619 25 0.443 12 0.583 26 0.436 13 0.557 27 0.429 14 r21和 r21′中的較大者0.586 28 0.423 15 0.565 29 0.417 16 0.564 30 0.412 r22和r22′中的較大者

4 結(jié)束語

本文介紹的航空發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)將航空發(fā)動機、試驗設(shè)備、傳感器以計算機為基礎(chǔ)組成了1個包含航空發(fā)動機測試和試驗數(shù)據(jù)管理分析的綜合系統(tǒng)，充分地挖掘了現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集設(shè)備能力，有效地管理數(shù)目繁多的試驗數(shù)據(jù)，而且通過使用者對試驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)的科學(xué)分析，極大地提高了試驗數(shù)據(jù)的使用效率，較好地滿足了航空發(fā)動機研制和排故的需要，實現(xiàn)了采集信號的準(zhǔn)確測量和試車數(shù)據(jù)的高效管理，提高了試車數(shù)據(jù)的使用效率。經(jīng)實踐證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，測試精度高，界面美觀，滿足了系統(tǒng)設(shè)計性能的要求，對推進試驗合理進行，提升發(fā)動機研制水平，縮短發(fā)動機研制周期都具有重要的現(xiàn)實意義，具有較高的推廣價值。

[1]單曉明.數(shù)字化試驗業(yè)務(wù)平臺在航空發(fā)動機測試領(lǐng)域的應(yīng)用與實踐 [J].工程實踐，2009(6):35-37.

[2]李曉松.渦噴發(fā)動機動態(tài)模擬試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計 [J].機械設(shè)計與制造，2005(10):56-57.

[3]馮榮琥.狄克遜準(zhǔn)則剔除粗誤差的微機應(yīng)用 [J].四川標(biāo)準(zhǔn)化與計量，1995(2):29-31.