面向民機(jī)總裝的液壓能源信號模擬器開發(fā)與驗證技術(shù)研究

李徐輝 楊達(dá)勇 童 彥 聶松亮 焦 陽

(上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324)

0 引 言

我國民用飛機(jī)總裝自動化、集成化、智能化測試技術(shù)研究尚處于起步階段，各項技術(shù)的研究正在不斷地深入完善。飛機(jī)液壓系統(tǒng)是飛機(jī)上以油液為工作介質(zhì)，靠油壓驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定操縱動作的整套裝置，主要用于飛行控制、起落架等機(jī)電系統(tǒng)，其功能的可靠性嚴(yán)重影響飛行安全。目前液壓系統(tǒng)的總裝功能測試必須在航電系統(tǒng)正常工作情況下開展(因液壓與航電存在交互信號)，若測試過程中出現(xiàn)故障，無法排除是航電系統(tǒng)還是液壓系統(tǒng)故障，難以進(jìn)行故障定位和故障隔離，會造成總裝測試效率低下、排故困難的現(xiàn)狀。

近年來，國內(nèi)外研究人員對飛機(jī)液壓系統(tǒng)開展了大量的研究，主要集中在液壓系統(tǒng)的故障診斷方面[2-4]。張莉等[5]提出了一種基于AHP故障樹下的飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析方法，為主觀故障診斷提供參考。樊慶和等[6]在研究中提出直讀式鐵譜儀和分析式鐵譜儀兩種方法，對飛機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究，可判斷液壓系統(tǒng)主要部件液壓泵的磨損情況。研究表明儀表、設(shè)備診斷法對早期故障的排除或故障的預(yù)防具有重要意義。竇丹丹等[7]基于信息熵特征權(quán)值分配和支持向量機(jī)(SVM)多分類的故障診斷方法，通過提取飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力信號的統(tǒng)計特征并建立SVM多分類器，對正常狀態(tài)與多種故障狀態(tài)進(jìn)行分類，不僅有效降低了支持向量機(jī)模型的計算復(fù)雜度,還提高了分類精度。此外，李耀華等[8]采用熵權(quán)ABC-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型對液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，為飛機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷提供一種新思路。綜上可知，目前研究主要圍繞液壓系統(tǒng)的故障診斷方法進(jìn)行開展，而對飛機(jī)液壓系統(tǒng)的功能測試方法研究相對較少。

因此，為了解決當(dāng)前液壓系統(tǒng)測試過程效率較低的問題，有必要設(shè)計飛機(jī)液壓能源信號模擬器。基于控制單元的控制邏輯對各種激勵信號進(jìn)行模擬，通過控制液壓能源系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如泵類、閥類等，以驗證各功能部件是否工作正常，進(jìn)而在航電系統(tǒng)非工作狀態(tài)下，實現(xiàn)對液壓能源系統(tǒng)的功能測試。

本文首先基于Visual Studio 2010軟件平臺，運用ARINC429、離散量、模擬量等信號板卡開發(fā)了液壓能源系統(tǒng)信號模擬器。其次，通過建立液壓能源系統(tǒng)控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型，搭建了功能測試與模擬平臺，從而實現(xiàn)對功能測試所需離散量、模擬量及總線接口信號接收、顯示。最后，基于硬件在環(huán)測試平臺，對液壓能源信號模擬器的有效性、準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。該地面信號模擬器構(gòu)建工作穩(wěn)定、性能良好且可滿足液壓能源系統(tǒng)功能測試，對提高飛機(jī)液壓系統(tǒng)功能測試效率有重要理論價值。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 ICD文件管理

對于總線來說，任何數(shù)據(jù)被采集時都是沒有物理意義的源數(shù)據(jù)，只有把源數(shù)據(jù)根據(jù)一定的預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行解析后，源數(shù)據(jù)才會變成最終有意義的物理數(shù)據(jù)。而這一切規(guī)則的定義文件就是ICD文件。

一個ICD文件描述了飛機(jī)所有液壓起落架設(shè)備運行的應(yīng)用的參數(shù)信息。對于每個描述的參數(shù)，ICD文件對其特性的描述都是完備的，至少包括的信息有：屬于哪個設(shè)備、屬于哪個應(yīng)用、屬于哪個總線、運行的物理總線類型、特性值(如最小值、最大值、范圍、單位)等信息。通過將ICD文件導(dǎo)入軟件數(shù)據(jù)庫，從而可以在測試時將ICD文件與總線數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，將原始數(shù)據(jù)解析成物理數(shù)據(jù)。本文先接收數(shù)據(jù)，通過ICD文件定位到label號里的數(shù)據(jù)位，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)解析成相應(yīng)的物理意義，例如飛機(jī)速度、輔助能源裝置開關(guān)、輪載和襟翼手柄。

測試軟件預(yù)設(shè)了以下幾種解析規(guī)則用于解析一些常見數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 解析規(guī)則

總裝功能測試平臺架構(gòu)中最重要的環(huán)節(jié)之一就是對復(fù)雜的設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)間的接口控制描述文件(即ICD文件)進(jìn)行管理，其可支持的接口類型包括總線類型和非總線類型?？偩€類型：ARINC429，ARINC664(AFDX)，CAN，RS232，RS485等；非總線類型：模擬信號，離散信號，開關(guān)信號，脈沖信號等。本文所用到的接口類型有ARINC429、模擬信號、離散信號。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

本文建立的飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)功能測試系統(tǒng)為半實物仿真平臺，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成?；谟布O(shè)備實現(xiàn)各類輸入信號與輸出信號的模擬，基于軟件平臺實現(xiàn)對信號的處理及顯示。飛機(jī)起落架系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)一般采用ARINC429信號完成通信。因此，為了使信號模擬系統(tǒng)可直接與液壓能源系統(tǒng)控制器實物連接并實現(xiàn)通信，本文采用ARINC429接口板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。測試過程中，采用AIT公司的PXI-C429航空總線板卡，其具有16個發(fā)送通道、16個接收通道，共32通道。此外，選用PXI機(jī)箱、PXI-8115控制器、DAQ PXI-6230等硬件設(shè)備，并基于Visual Studio 2010平臺進(jìn)行軟件編程。

液壓能源系統(tǒng)的測試可通過對各個閥門的控制間接完成，因此，本文對液壓能源系統(tǒng)中7個閥門進(jìn)行信息輸入和處理，閥門的開斷狀態(tài)可通過顯控平臺觀察[9]。同時將控制信號輸出給控制開關(guān)(代替閥門)，閥門開通時，控制開關(guān)導(dǎo)通，本文將控制開關(guān)用在實驗中代替閥門，能更加直觀地觀察實驗現(xiàn)象。閥門的內(nèi)在控制邏輯判斷由軟件編程來實現(xiàn)。

利用液壓能源信號模擬器驗證平臺代替在開展液壓能源系統(tǒng)總裝地面功能試驗時飛機(jī)駕駛艙、航電部分及部分閥，可以實現(xiàn)在試驗室狀態(tài)下開展信號模擬器的驗證工作，提前識別信號模擬器信號的正確性。圖1為硬件在環(huán)液壓能源信號模擬器驗證架構(gòu)。

圖1 民機(jī)液壓能源系統(tǒng)測試控制邏輯框圖

2 系統(tǒng)功能測試實現(xiàn)

信號模擬系統(tǒng)可為飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)功能測試提供多種信號輸入，其系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 信號模擬器系統(tǒng)框圖

信號模擬系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面主要包含兩部分：(1) 429信號發(fā)送模塊；(2) 429信號接收模塊，同時完成相應(yīng)的信號處理及顯示功能等。

2.1 信號發(fā)送模塊設(shè)計

信號模擬系統(tǒng)信號發(fā)送過程如圖3所示。測試系統(tǒng)根據(jù)要求在顯控界面輸入對應(yīng)參數(shù)的數(shù)值，并點擊開始。發(fā)送信號時，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對待發(fā)送數(shù)據(jù)的配置。基于ARINC429總線協(xié)議，通過編程實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)化，并將429數(shù)據(jù)包發(fā)送至目標(biāo)機(jī)[10]。

圖3 總線信號發(fā)送流程圖

2.2 信號接收模塊設(shè)計

信號模擬系統(tǒng)接收信號的流程如圖4所示。系統(tǒng)接收信號過程，首先對接收信號進(jìn)行奇偶檢驗并解析成相應(yīng)的Label、SDI、Data和SSM。其次，通過將解析結(jié)果與相應(yīng)的429協(xié)議進(jìn)行匹配，實現(xiàn)將接收32位數(shù)據(jù)包解析為實際物理意義信號。最終，通過將此信號輸入至液壓能源系統(tǒng)，判斷是否滿足閥門導(dǎo)通條件并通過顯控平臺上顯示。測試完成后，點擊停止按鈕，停止接收信號和顯示。

圖4 總線信號接收流程圖

3 試驗驗證

3.1 測試系統(tǒng)

某型飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)總裝功能試驗測試系統(tǒng)如圖5所示。在該測試系統(tǒng)中，將液壓能源信號模擬器接入液壓邏輯控制單元，通過模擬試驗過程中所需的WOW、RAT、襟/縫翼、FADEC等激勵信號，實現(xiàn)功能試驗的前期調(diào)試、試驗支持及過程排故，提高試驗質(zhì)量及效率。

圖5 液壓系統(tǒng)總裝功能試驗測試系統(tǒng)示意圖

3.2 試驗過程

根據(jù)液壓能源系統(tǒng)總裝功能試驗中ACMP1B、ACMP2B、PUV3B、PUV3A、ACMP3A、ACMP3B、PTU共7個閥門的測試需求，操作人員在信號模擬器主控界面上完成ARINC429、離散量、模擬量的信號配置及信號加載，實現(xiàn)物理信號的輸出并注入至液壓邏輯控制單元進(jìn)行解算。信號配置加載界面如圖6所示，信號流及邏輯解析界面如圖7所示。

圖6 信號配置加載界面

圖7 信號流及邏輯解析界面

通過邏輯解算，得到控制ACMP1B、ACMP2B、PUV3B、PUV3A、ACMP3A、ACMP3B、PTU共7個閥門的開關(guān)信號，實現(xiàn)相應(yīng)閥門的開啟，并通過駕駛艙液壓簡圖頁顯示閥門狀態(tài)。

3.3 試驗結(jié)果

驗證結(jié)果表明，信號模擬器工作穩(wěn)定、性能良好，能滿足液壓能源系統(tǒng)功能試驗所需的離散量、模擬量及總線信號的激勵需求，實現(xiàn)測試效率的提升。以液壓能源系統(tǒng)ACMP1B試驗為例，結(jié)果如表2所示。

表2 ACMP1B功能試驗分析

3.4 試驗推廣

本文設(shè)計的信號模擬器具有通用性、可擴(kuò)展性，能夠基于ICD文件及功能試驗具體需求加載產(chǎn)生飛機(jī)常見類型的總線信號，因此可推廣至起落架、飛控系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的功能測試中,如表3所示。

表3 試驗推廣

4 結(jié) 語

在飛機(jī)地面功能測試中，通過對飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)能源模擬器的搭建?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：

(1) 當(dāng)前對民機(jī)液壓能源系統(tǒng)進(jìn)行功能測試時，需將相關(guān)聯(lián)的各系統(tǒng)配合工作以完成測試，即需要將多個系統(tǒng)同時開啟。針對液壓系統(tǒng)測試成本高、效率低的特點，本文所研制的地面信號模擬器通過對飛控、起落架和壓力開關(guān)等總線或離散量信號的模擬，從而替代相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。通過直接為被測液壓能源系統(tǒng)提供信號，達(dá)到節(jié)約測試成本、提高測試效率的目的。

(2) 基于信號模擬器開展總裝地面功能試驗的測試方式可推廣到其他系統(tǒng)功能測試中，比如起落架、飛控系統(tǒng)等功能測試。