基于虛擬儀器的飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)處理通用軟件設(shè)計(jì)

張芹芹 周愛(ài)賢 關(guān)愛(ài)銳 中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

基于虛擬儀器的飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)處理通用軟件設(shè)計(jì)

張芹芹 周愛(ài)賢 關(guān)愛(ài)銳 中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

本文主要介紹基于虛擬儀器的飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)處理通用軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。該軟件以Labwindows/CVI為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可視化程度高，處理時(shí)可隨時(shí)顯示、查看采集參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的曲線，并且軟件第一次采用了自動(dòng)識(shí)別FES激勵(lì)信號(hào)的加入狀態(tài)，自動(dòng)生成時(shí)間段文件，以供后續(xù)二次處理使用，大大提高了精確度，節(jié)省了時(shí)間。

虛擬儀器；顫振；Labwindows/CVI；FES

引言

顫振其實(shí)是一種危險(xiǎn)的振動(dòng)形式，這種振動(dòng)是飛機(jī)在空氣動(dòng)力、彈性恢復(fù)力和慣性力三者耦合作用下產(chǎn)生的。飛機(jī)一旦在空中發(fā)生顫振并發(fā)散，會(huì)在幾秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)解體，飛行員幾乎沒(méi)有處置的時(shí)間，飛機(jī)逃脫的概率基本為零。

顫振飛行試驗(yàn)是顫振研究的最終環(huán)節(jié)，它使用真實(shí)的飛機(jī)在真實(shí)的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，效果是最直觀和真實(shí)的。進(jìn)行顫振試飛時(shí)，試驗(yàn)機(jī)其實(shí)是在“亞臨界”狀態(tài)下進(jìn)行的，試飛員在空中通過(guò)既定的激勵(lì)方法和程序，誘發(fā)飛機(jī)產(chǎn)生“顫振”，從而達(dá)到試驗(yàn)的目的。顫振試飛既是對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的考驗(yàn)，更是對(duì)顫振的認(rèn)知程度、試飛方法的科學(xué)性以及試飛員心理素質(zhì)的綜合考驗(yàn)，其中的過(guò)程充滿了未知和風(fēng)險(xiǎn)。

筆者有幸承擔(dān)了XX型飛機(jī)的顫振數(shù)據(jù)處理任務(wù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理工作者的不斷探討與不懈努力，攻克了一道道技術(shù)難關(guān)，及時(shí)、準(zhǔn)確的提供了數(shù)據(jù)結(jié)果，得到各個(gè)方面的認(rèn)可，與此同時(shí)形成了一套完整的“顫振FES數(shù)據(jù)處理軟件”（以下簡(jiǎn)稱軟件）。 本文簡(jiǎn)要描述該軟件的功能與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)思想和解決的技術(shù)問(wèn)題，旨在與各位同仁共同探討。

1 軟件的功能

本軟件采用結(jié)構(gòu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由六個(gè)模塊組成。即飛行狀態(tài)參數(shù)處理、去除跳點(diǎn)、自動(dòng)選取動(dòng)作時(shí)間段，振動(dòng)參數(shù)處理、ASE參數(shù)處理以及FCS參數(shù)處理。

本軟件的應(yīng)用功能為：

1.1 飛行參數(shù)

將飛行參數(shù)轉(zhuǎn)換為物理量，并進(jìn)行部分參數(shù)計(jì)算，按要求格式輸出結(jié)果：

1.2 振動(dòng)參數(shù)

將振動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為物理量，并進(jìn)行部分參數(shù)計(jì)算，按要求建立一、二級(jí)子目錄，并形成多動(dòng)作段文件結(jié)果；

1.3 ASE參數(shù)

將ASE參數(shù)轉(zhuǎn)換為物理量，并與多路（如平尾偏度、副翼偏度及方向舵偏度等）模擬量參數(shù)進(jìn)行時(shí)間協(xié)調(diào)、合并及FES參數(shù)計(jì)算，按要求建立一、二級(jí)子目錄，最終形成多動(dòng)作段文件結(jié)果；

1.4 FCS參數(shù)

將FCS參數(shù)轉(zhuǎn)換為物理量，并按要求進(jìn)行部分參數(shù)計(jì)算，建立一、二級(jí)子目錄，最終形成多動(dòng)作段文件結(jié)果。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖

2 飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)處理通用軟件設(shè)計(jì)

2.1 顫振數(shù)據(jù)處理通用軟件前面板設(shè)計(jì)

LabWindows/CVI有很豐富的控件庫(kù)，用戶可以在LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境中構(gòu)建具有個(gè)性化的前面板，前面板提供一個(gè)虛擬的儀器圖視面板，用戶只需按測(cè)試前面板的引導(dǎo)，就可以自動(dòng)完成測(cè)試，并顯示測(cè)試的結(jié)果。設(shè)計(jì)前面板只需從控件庫(kù)中選取所需的類似傳統(tǒng)儀器的開(kāi)關(guān)和按鈕，可簡(jiǎn)便地為它們?cè)O(shè)置合適的屬性(如尺寸、顏色、量程等)和位置。通過(guò)前面板上的一些控件即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)試，波形、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存等功能。

界面上部顯示曲線，界面中間選取數(shù)據(jù)源、時(shí)間段及結(jié)果文件，并設(shè)置提取速率。界面下方有6個(gè)按鈕：顫振—飛參，狀態(tài)生成，顫振—振動(dòng)，顫振—ASE*，顫振—FCS*，退出。飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)通用軟件的前面板如圖2所示。

圖2 飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)通用軟件

2.2 編程與實(shí)現(xiàn)

課題需在事后飛行狀態(tài)參數(shù)中計(jì)算M數(shù)、氣壓高度QDHP、計(jì)算表速Q(mào)DVX、真速Q(mào)DV和油耗等。

2.2.1 數(shù)學(xué)公式

a. 計(jì)算馬赫數(shù)(M)

計(jì)算馬赫數(shù)的數(shù)學(xué)公式如下：

(1)式中，DELTP、PSB分別為加裝機(jī)頭位置的總壓和靜壓， 式中DM為激波氣動(dòng)修正量，由表1通過(guò)插值得出。

表 1 激波氣動(dòng)修正量

計(jì)算馬赫數(shù)函數(shù)使用牛頓迭代法，計(jì)算馬赫數(shù)MB。

函數(shù)名稱如下：

2.2.2 修正大氣壓力QDPH:

2.3 軟件的數(shù)據(jù)流程

本軟件的數(shù)據(jù)流程如下：

處理飛行參數(shù)的數(shù)據(jù)流程如圖3所示，處理振動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖3和圖4中：橢圓形代表處理；矩形代表存儲(chǔ)；有方向的線段表示數(shù)據(jù)流向。

數(shù)據(jù)處理步驟：

2.3.1 飛行狀態(tài)參數(shù)處理步驟：

2.3.1.1 從PCM數(shù)據(jù)中飛行狀態(tài)參數(shù)；

2.3.1.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算。連同計(jì)算結(jié)果一并輸出結(jié)果文件，提供試飛工程師。

2.3.2 振動(dòng)參數(shù)處理步驟：

2.3.2.1 從PCM數(shù)據(jù)中提取振動(dòng)數(shù)據(jù)序列（ZD）；

2.3.2.2 從PCM數(shù)據(jù)中提取FES數(shù)據(jù)序列；

2.3.2.3 以FES數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取動(dòng)作時(shí)間段，并輸出“top.tim”文件，以備后續(xù)使用；

2.3.2.4 以第一步產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)據(jù)序列（ZD）文件和第三步產(chǎn)生的“top.tim”時(shí)間段文件為數(shù)據(jù)源，計(jì)算和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并將結(jié)果按時(shí)間段序號(hào)寫入相關(guān)文件，提供試飛工程師，以供分析。

2.3.3 ASE處理步驟 同“振動(dòng)參數(shù)處理步驟”。

2.3.4 FCS處理步驟，同“振動(dòng)參數(shù)處理步驟”。

圖3 飛參處理數(shù)據(jù)流程圖

圖4 振動(dòng)參數(shù)處理數(shù)據(jù)流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

筆者介紹了使用Labwindows/CVI設(shè)計(jì)飛行試驗(yàn)顫振數(shù)據(jù)處理通用軟件的方法，并經(jīng)過(guò)實(shí)際飛行中顫振數(shù)據(jù)處理，驗(yàn)證了其可行性和有效性。

經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，實(shí)踐證明該軟件具有如下特點(diǎn)：

3.1 實(shí)用性：本軟件所有代碼均由自己編寫。為以后擴(kuò)充、修改、完善奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 通用性：軟件具有較好的通用性，完全適用于其他型號(hào)飛機(jī)顫振科目的數(shù)據(jù)處理使用；

3.3 重用性：本軟件具有重用性，是因?yàn)樗褂玫囊恍┕δ芎瘮?shù)生成的靜態(tài)（OBJ）和動(dòng)態(tài)庫(kù)（DLL）函數(shù)庫(kù)可提供其他科目和實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面調(diào)用，可以確保其正確性和精確度，避免重復(fù)性開(kāi)發(fā)和調(diào)試，縮短試飛周期；

3.4 可視化：該軟件采用先進(jìn)的Labwindows/CVI工具開(kāi)發(fā)，可視化程度高，處理時(shí)，可隨時(shí)顯示、查看采集參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的曲線；

3.5 智能化：該軟件第一次采用了自動(dòng)識(shí)別FES激勵(lì)信號(hào)的加入狀態(tài)，自動(dòng)生成時(shí)間段文件，以供后續(xù)二次處理使用，大大提高了精確度，節(jié)省了時(shí)間。

[1]孫曉云，孫會(huì)琴，郭立煒，梁永春.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.02.031

張芹芹（1984年2月），碩士，助理工程師，主要從事飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工作。

周愛(ài)賢，女，高級(jí)工程師，主要從事飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工作。