鐵鳥測(cè)控系統(tǒng)特點(diǎn)分析及解決方法

陸鵬

摘要：以某型飛機(jī)鐵鳥綜合試驗(yàn)室液壓測(cè)試系統(tǒng)的研究為工程應(yīng)用背景，根據(jù)試驗(yàn)需求和運(yùn)用環(huán)境分析了在該測(cè)試系統(tǒng)中的特點(diǎn)和難點(diǎn)，針對(duì)提出的相關(guān)問題提出相應(yīng)的技術(shù)解決方案。該測(cè)試系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、抗干擾技術(shù)、多任務(wù)系統(tǒng)交聯(lián)管理的方法。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、記錄與分析，為鐵鳥綜合試驗(yàn)提供準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：測(cè)控；分布式；數(shù)據(jù)預(yù)處理；抗干擾

鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)時(shí)按照飛機(jī)1：1比例搭建的液壓、操縱系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。在鐵鳥平臺(tái)上一般安裝由真實(shí)的飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)，有些機(jī)型還配置航電、電源等系統(tǒng)。鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)肩負(fù)著飛行控制、液壓系統(tǒng)交付飛行試驗(yàn)前的一個(gè)系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)過程。鐵鳥試驗(yàn)?zāi)軌驑O大程度上驗(yàn)證飛機(jī)多個(gè)系統(tǒng)性能是否滿足要求和安全性是否滿足要求。鐵鳥試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是開展飛行試驗(yàn)的重要依據(jù)。對(duì)試驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)離不開對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析處理[1]。因此測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求分析對(duì)試驗(yàn)尤為重要。

本文將從目前某型號(hào)飛機(jī)鐵鳥試驗(yàn)中測(cè)試需求的情況著手分析，為測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。測(cè)控系統(tǒng)能夠完成飛機(jī)液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)，具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、試驗(yàn)流程管理的功能。通過測(cè)控系統(tǒng)可以參與完成液壓系統(tǒng)鐵鳥臺(tái)性能試驗(yàn)和操縱系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，為液壓、操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析提供準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供保障。下面分析鐵鳥試驗(yàn)室的測(cè)控需求的特點(diǎn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.1 信號(hào)分布廣種類多

對(duì)于大型的鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)而言，測(cè)試點(diǎn)分布于座艙、前起落架、主起落架、左右機(jī)翼、機(jī)身液壓附件艙、4臺(tái)液壓泵、升降舵、方向舵、水舵、各類型助力以及其他任務(wù)系統(tǒng)等，需要采集信號(hào)的位置很多，傳感器布局較分散。需要對(duì)操縱系統(tǒng)的舵偏、位移、力以及液壓系統(tǒng)的壓力、流量、溫度、脈動(dòng)、等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量[2]。

根據(jù)對(duì)液壓、操縱系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)要求的整理，對(duì)測(cè)試需求具體見表1所示。

1.2 信號(hào)類型、采樣率不同

全系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)不同的系統(tǒng)其采樣率要求不盡相同，如操縱系統(tǒng)傳感器試驗(yàn)僅需100Hz采樣率即可滿足試驗(yàn)需求；正常液壓采樣率僅需1000Hz采樣率，而脈動(dòng)測(cè)試的采樣率需要3000Hz。

在進(jìn)行剖面試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)要完成從滑跑、起飛、巡航、著陸等飛行階段，涉及到起落架、襟翼、剎車、前輪轉(zhuǎn)彎、液壓泵、舵面等試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)試采集，各個(gè)系統(tǒng)對(duì)于測(cè)試的精度、采樣率要求不同，同時(shí)數(shù)據(jù)量也比較大，對(duì)測(cè)試設(shè)備的實(shí)時(shí)處理存儲(chǔ)提出了更高的要求。

1.3 使用環(huán)境復(fù)雜

在液壓系統(tǒng)傳感器信號(hào)調(diào)試過程中，前期在原理調(diào)試過程中，還暫未發(fā)現(xiàn)電磁干擾的問題。但隨著試驗(yàn)設(shè)備的不斷增加，這類干擾問題也逐漸浮現(xiàn)。

由于鐵鳥試驗(yàn)室是一個(gè)兼具強(qiáng)電和弱電設(shè)備環(huán)境的場(chǎng)所。

干擾的來源有很多種，我們通常所說的干擾是電氣的干擾，但是從廣義上說，鐵鳥試驗(yàn)室的噪聲、溫度效應(yīng)、振動(dòng)等都可能給測(cè)量帶來影響，產(chǎn)生干擾。在測(cè)量過程中，如果不能排除這些干擾的影響，儀表就不能夠正常的工作。

1.4 交聯(lián)系統(tǒng)眾多

鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)不僅要測(cè)量眾多的傳感器數(shù)據(jù)，還承擔(dān)著與各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的責(zé)任[3]。同時(shí)兼?zhèn)淞朔瓷鋬?nèi)存網(wǎng)接口、以太網(wǎng)通信接口、同步時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)等，具體功能如下：

a）具有與簡(jiǎn)易飛行模擬系統(tǒng)通過VMIC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的接口，提供操縱參數(shù)，如各舵面偏度、起落架狀態(tài)、剎車狀態(tài)等用于飛行仿真模擬；

b）具有與機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)裝置的以太網(wǎng)通信接口，主要用于遠(yuǎn)程控制機(jī)械泵的啟動(dòng)、停止。

c）具有與加載系統(tǒng)通信的以太網(wǎng)接口，轉(zhuǎn)發(fā)部分飛行仿真數(shù)據(jù)如速度、高度，發(fā)送部分測(cè)量數(shù)據(jù)，如舵面偏度，以便加載系統(tǒng)用于加載力的計(jì)算，同時(shí)監(jiān)測(cè)加載力的大小，對(duì)加載系統(tǒng)起到一定監(jiān)控作用。

d）具有與機(jī)械位移發(fā)生器的以太網(wǎng)接口，主要用于遠(yuǎn)程操作驅(qū)動(dòng)設(shè)備的啟動(dòng)和停止。

e）具有與襟翼控制盒、擾流板控制計(jì)算機(jī)、傳感器處理計(jì)算機(jī)、前輪轉(zhuǎn)彎控制盒、機(jī)輪剎車控制盒、起落架控制盒、自駕儀、飛行仿真系統(tǒng)、虛擬儀表系統(tǒng)的ARINC429總線通訊接口，429總線的通訊速率為100kbps；

4解決方法

4.1 分布式數(shù)據(jù)采集

各系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)分散，為減小信號(hào)傳遞長(zhǎng)度，盡量減少干擾，選用雙基站式分布式的測(cè)量系統(tǒng)，將各種信號(hào)在通艙前部、中后部集中采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至測(cè)控間客戶端。

兩個(gè)基站間建立1588同步時(shí)間網(wǎng)絡(luò)保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)間同步性。1588時(shí)鐘同步網(wǎng)用于測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備之間的時(shí)間同步。采用獨(dú)立組網(wǎng)的方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

針對(duì)系統(tǒng)通道多、速度快、精度要求高的特點(diǎn)，采用“信號(hào)調(diào)理模塊+數(shù)據(jù)采集模塊”的形式，選用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡加信號(hào)調(diào)理設(shè)備的方案，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)上，測(cè)控系統(tǒng)采用分布式、層次化的測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。依據(jù)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組成形式。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

針對(duì)不同類型，不同采樣率的測(cè)試信號(hào)，在信號(hào)采集后，顯示存儲(chǔ)之前根據(jù)不同類型的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。

首先是信號(hào)調(diào)理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、增益調(diào)節(jié)。然后根據(jù)不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特別處理，如流量傳感器信號(hào)測(cè)量方式為一段時(shí)間的流量均值，需要對(duì)0.5s內(nèi)的數(shù)據(jù)求平均才能正常測(cè)量實(shí)際流量。最后是根據(jù)試驗(yàn)配置要求，自動(dòng)識(shí)別配置任務(wù)中的最高采樣頻率，以最高采樣頻率為準(zhǔn)自動(dòng)補(bǔ)齊低采樣頻率要求的傳感器數(shù)據(jù)，并保存在試驗(yàn)結(jié)果中，這樣可以在試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理中保證所有數(shù)據(jù)長(zhǎng)度一致，便于試驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比。

4.3 抗干擾措施

在鐵鳥試驗(yàn)室環(huán)境中，這些干擾總體上分為兩大類：內(nèi)部干擾和外部干擾，詳細(xì)分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動(dòng)、傳輸、感應(yīng)、電源、接地幾個(gè)方面。來自傳輸?shù)母蓴_主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源或公用信號(hào)儀表的供電電源即配電器串入的電網(wǎng)干擾；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾[4]。

對(duì)于第一類干擾，主要是測(cè)試系統(tǒng)會(huì)受到電網(wǎng)波動(dòng)的干擾而在信號(hào)傳輸線路上產(chǎn)生波動(dòng)。尤其是在機(jī)械泵啟停這類處于同一供電網(wǎng)內(nèi)的大功率設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)通過電纜線路對(duì)儀用電源產(chǎn)生干擾。因此在所有測(cè)控系統(tǒng)基站及傳感器電源的供電端都增加了電源隔離模塊，同時(shí)在每個(gè)基站增加一個(gè)電源低通濾波器。電源隔離模塊能夠有效降低內(nèi)部噪聲和外部噪聲的生成頻率，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)的抗干擾能力。電源低通濾波器的引進(jìn)與應(yīng)用能夠?yàn)V除高次諧波，進(jìn)一步完善電源的性能。

對(duì)于第二類電磁輻射的干擾，在硬件上選用帶屏蔽的信號(hào)線纜，傳感器信號(hào)類型盡量選擇電流型，注意工作接地：信號(hào)回路接地和屏蔽接地。采取硬件抗干擾后.雖然大部分干擾信號(hào)可以被過濾掉或屏蔽掉，但是因?yàn)楦蓴_信號(hào)產(chǎn)生的原因種類多樣。因此為了保證高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)量與控制。往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上。采取軟件抗干擾技術(shù)加以補(bǔ)充，作為硬件措施的輔助手段。

4.4 試驗(yàn)管理系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)不僅要完成飛控、液壓和操縱系統(tǒng)的試驗(yàn)，而且需要與飛機(jī)的其它部分進(jìn)行各種交聯(lián)試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目較多，測(cè)控軟件采用面向應(yīng)用的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)方法。通過把軟件功能劃分成很多小的功能模塊，各模塊相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)地聯(lián)系。測(cè)控軟件使用過程中，有效地選擇軟件模塊進(jìn)行組合，改變軟件時(shí)序。每個(gè)具體試驗(yàn)項(xiàng)目均由測(cè)試軟件提供的各種功能組合而成，測(cè)試結(jié)果的顯示形式與分析方法、數(shù)據(jù)是否傳輸或保存等亦可通過選擇實(shí)現(xiàn)在不同試驗(yàn)中的不同組合，從而使測(cè)控系統(tǒng)不僅能夠滿足飛控、液壓和操縱系統(tǒng)的試驗(yàn)需要，而且可以靈活組合，適應(yīng)硬件支持的任何其它試驗(yàn)，擴(kuò)展測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

試驗(yàn)管理系統(tǒng)通過千兆以太網(wǎng)對(duì)試驗(yàn)室的多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)集中管理。各試驗(yàn)系統(tǒng)都提供了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，并定義了可供管理的指令。試驗(yàn)管理系統(tǒng)對(duì)這些管理指令進(jìn)行編碼，采用網(wǎng)絡(luò)通訊的方式和各試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行指令交互，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

試驗(yàn)管理軟件通過可視化的設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建好試驗(yàn)流程，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，通過自動(dòng)化管理軟件就可以執(zhí)行該試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)管理系統(tǒng)會(huì)按照規(guī)定的試驗(yàn)步驟，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)送指令，同時(shí)接收各子系統(tǒng)發(fā)送的關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在不同的屏幕上，在主控屏上顯示目前正在執(zhí)行的試驗(yàn)步驟，并可隨時(shí)中斷試驗(yàn)。

5結(jié)束語

根據(jù)某型飛機(jī)飛控液壓系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的要求，分析該型號(hào)中測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用同步時(shí)鐘，運(yùn)用分布式、層次化的測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。建立了具備分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)試平臺(tái)。根據(jù)不同類型的信號(hào)，靈活運(yùn)用信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)補(bǔ)齊等處理方法，提供了完善的數(shù)據(jù)后處理功能。同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，從軟、硬件上分別采取相應(yīng)的抗干擾措施，避免信號(hào)損失，保證數(shù)據(jù)有效性。實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)管理系統(tǒng)通過千兆以太網(wǎng)對(duì)試驗(yàn)室的多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)集中管理的目標(biāo)。在某型號(hào)鐵鳥試驗(yàn)應(yīng)用中，已完成近幾百次試驗(yàn)，并多次成功配合完成試驗(yàn)排除故障工作，測(cè)試控制精度高，人機(jī)交互良好，試驗(yàn)結(jié)果可靠性高。

參考文獻(xiàn)：

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