基于虛擬儀器的航空電源測試系統(tǒng)設(shè)計

張麗君 上海交通大學(xué)

基于虛擬儀器的航空電源測試系統(tǒng)設(shè)計

張麗君 上海交通大學(xué)

本文在虛擬儀器技術(shù)、計算機測控技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了航空電源綜合性能的測試，介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、交流發(fā)電機輸出電壓的測量及其異常識別方法。

虛擬儀器 航空電源 性能測試

電源系統(tǒng)是飛機等航空器的重要組成部分，對其它部件的正常運行有著決定性的影響。因此，對其性能測試顯得尤為重要。但是航空電源系統(tǒng)的組成部件較多，傳統(tǒng)的測試方式是人工手動進行，先分別對各個部件進行檢測，讀取數(shù)據(jù)后再人為判斷其性能。這種測試方式存在較大的局限，如動態(tài)瞬時出現(xiàn)的故障或部件性能變差通常難以發(fā)現(xiàn)和定位；大量數(shù)據(jù)難于記錄，不能用于進一步的分析處理；其準確性受到人為因素的影響較大等等。但是，隨著計算機控制技術(shù)、自動檢測技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，這一現(xiàn)狀得到了一定的緩解。虛擬儀器是計算機控制技術(shù)和儀器測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其利用利用軟件對各種數(shù)據(jù)進行分析、處理，用軟件來代替硬件，在傳統(tǒng)的測試技術(shù)上做出了重大突破，具有極為強大的功能。

1 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該測試系統(tǒng)由傳感器模塊、隔離電路及信號調(diào)理模塊、開關(guān)量電平轉(zhuǎn)換及隔離模塊、PCI6071E多功能卡及DIO卡、工控機以及變頻調(diào)速器、高速變頻拖動電機、發(fā)電機、交直流負載箱等組成，其硬件原理如圖1所示。

由于航空電源的測試要求較高，因而選擇工控機作為檢測系統(tǒng)的計算機。虛擬儀器的開發(fā)平臺則選擇美國NI公司的LabWin-dows/CVI，在此平臺上完成航空電源各個部件的性能測試，并做出判定。

該航空電源測試系統(tǒng)的核心是工控機，工控機通過PCI6071E多功能卡及DIO卡或許電源工作過程中的各種信號，并通過變頻調(diào)速器來對發(fā)電機以及航空電源運行過程中的各種操作進行控制。最后，對檢測過程中獲取的各種數(shù)據(jù)進行處理與分析，并對測試結(jié)果進行判定。

傳感器模塊包括電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等模擬量傳感器和脈沖量傳感器。由傳感器將交、直流模擬信號轉(zhuǎn)換為4～20mA信號或電壓信號或隨動電信號，經(jīng)隔離電路及信號調(diào)理模塊進行整形、放大、濾波等調(diào)理后輸入PCI6071E多功能數(shù)據(jù)采集卡，由工控機對這些電信號進行采集并進行數(shù)據(jù)處理與分析。

由于航空電源的交、直流發(fā)電機轉(zhuǎn)速高、速度范圍寬，一般的電機難以適應(yīng)被測發(fā)電機。因此，在檢測過程中，采用高速大功率寬調(diào)頻范圍三相異步電動機與被測試的發(fā)電機直接相連，減少了中間增速器的使用，簡化了測試結(jié)構(gòu)，降低了成本的同時還提高了運行的可靠性。

2 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

航空電源測試系統(tǒng)的軟件部分包含測控軟件和數(shù)據(jù)庫管理軟件兩個部分。該軟件在LabWin-dows/CVI平臺及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Ac-cess2000上進行開發(fā)。通過一定的設(shè)計，可完成測試方便、功能齊全、外觀美觀的的操作界面設(shè)計。

在軟件編程上，首先對整個測試系統(tǒng)進行分解，將其功能和程序均模塊化，分別對每個模塊進行設(shè)計，并進行編程。為了方便日后對測試系統(tǒng)進行維護與功能擴展，在編程時應(yīng)用參數(shù)/代碼分離技術(shù)。另外，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)的設(shè)計當中，可大大減少儀表的數(shù)量，簡化測試系統(tǒng)，降低成本的同時提高了系統(tǒng)的可靠性。測試系統(tǒng)軟件如圖2所示。

該測試系統(tǒng)的軟件主要由三個部分構(gòu)成：交流電源測試模塊、直流電源測試模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊。交流電源測試模塊負責(zé)對交流電源系統(tǒng)的開、閉環(huán)性能測試以及對各個部件的性能進行測試，并對測試數(shù)據(jù)進行分析處理；直流電源測試模塊功能相似；數(shù)據(jù)查詢模塊則是對測試過程中的各種數(shù)據(jù)進行記錄以及結(jié)果分析，便于使用者隨時進行查詢，并根據(jù)測試結(jié)果進行相應(yīng)的處理。

3 發(fā)電機輸出電壓的測量及其異常識別

該綜合測試系統(tǒng)能夠?qū)娇针娫粗械亩鄠€部件進行性能參數(shù)測試，并對測試數(shù)據(jù)進行分析，對測試結(jié)果進行判定。下面以交流發(fā)電機的輸出電壓為例對其監(jiān)測原理以及異常識別方法進行介紹。

3.1 發(fā)電機輸出電壓的檢測

式中：T為信號的周期，uj、ij為電壓、電流的采樣值，τ為采樣間隔時間。采用過零檢測信號的過零點，計算信號的周期，并進行采樣同步處理。

3.2 電壓信號的異常識別

工控機通過PCI6071E多功能數(shù)據(jù)采集卡來采集交流發(fā)電機發(fā)出的電壓信號，并利用系統(tǒng)軟件去除電壓中的濾波、噪聲、直流分量等，然后對其進行歸一化預(yù)處理。其歐式距離可用下式來表示：

作為距離函數(shù)進行匹配計算(式中：xi，yi∈[0.0，1.1]n是經(jīng)加窗處理后得到的n維向量)。然后，采用加窗處理的方法，生成本體集合S；由候選檢測子生成器隨機生成的檢測子向量，利用歐氏距離與本體集合S中的向量進行匹配計算，如果匹配，則該向量被取消，如果不匹配，則進入檢測子集合R。

用所生成的檢測子集合對待檢測信號集合M進行異常檢測，如圖3所示。待檢測信號集合M經(jīng)過預(yù)處理及加窗處理后，與檢測子進行匹配計算，如果匹配，說明發(fā)電機輸出頻率出現(xiàn)了異常，飛機交流發(fā)電機存在故障隱患。如果不匹配，則信號正常，繼續(xù)對待檢測信號集合M進行異常檢測。

4 結(jié)論

本文采用虛擬儀器技術(shù)、計算機測控技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)了對飛機交、直流電源系統(tǒng)的離位閉環(huán)性能的自動測試及其各部件性能的自動測試與校驗。采用虛擬儀器技術(shù)省卻了大量的測試儀表，增強了系統(tǒng)的靈活性；以變頻調(diào)速技術(shù)配合高速變頻異步電動機直接拖動負載，簡化了綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。采用LabWindows/CVI作為系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺，增強了系統(tǒng)軟件的可維護性及可擴展性，具有較好的實用性。

[1]項劍鋒,孟禹彤,曹雷.基于虛擬儀器的航空電源測試系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息.2014(34):90.

[2]陳超,黃建,梁旭.基于虛擬儀器技術(shù)的直升機電源試驗系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù).2016(1):89～93.