基于LabVIEW的推進(jìn)系統(tǒng)通用試驗(yàn)臺設(shè)計(jì).doc

基于LabVIEW的推進(jìn)系統(tǒng)通用試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)張猛1 李亞南2 王平1 張作琦1 （1、中航工業(yè)特種飛行器研究所，湖北 荊門 44803521江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）摘要：針對無人機(jī)、通用飛機(jī)和對流層飛艇推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求，通過試驗(yàn)臺架模塊化設(shè)計(jì)與基于LabVIEW平臺的虛擬儀器測試技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了多型號發(fā)動機(jī)及不同動力裝置系統(tǒng)地面試驗(yàn)過程中的快速換裝及測試，運(yùn)行結(jié)果表明該試驗(yàn)臺測試數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確，發(fā)動機(jī)操縱控制快速精確。達(dá)到了通用性強(qiáng)、測試周期短、試驗(yàn)成本低的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞： 推進(jìn)系統(tǒng)、LabVIEW、通用試驗(yàn)臺中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Powerplant Option and Application of Large and Medium Troposphere AirshipZhang Meng1, li yanan2,wang ping1, Zhang Zuoqi1(1. China Special Vehicle Research Institute, Hubei Jingmen 448035)(2. (Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003)Abstract: With the practical need of Unmanned Aerial Vehicle, general purpose airplane and troposphere airship propulsion system ground test-bed, On the combined way of test-bed modularitydesign and testing technique of fictitiousapparatus based on LabVIEW, multi-type engines and numerous power plants ground test is realized, Computational results indicate that the test-bed data is complete, exact and the control of engine is rapid and accurate. It meet the design requirement of high universality, short test cycle and low design cost.Keywords: propulsion system; LabVIEW; universal test-bed大部分無人機(jī)、通用飛機(jī)和對流層飛艇都采用航空活塞發(fā)動機(jī)或中小型渦槳發(fā)動機(jī)為動力。在這些飛行器的研制過程中，進(jìn)行必要的發(fā)動機(jī)或動力裝置系統(tǒng)的測試可以縮短研制周期，提高產(chǎn)品的可靠性收稿日期：2014-05-30 修回日期XXXX-XX-XX基金項(xiàng)目：基礎(chǔ)研保條件建設(shè)項(xiàng)目（科工2008563號）作者簡介：張猛（1968），男，重慶，漢，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器動力與試驗(yàn)。合理設(shè)計(jì)可替換機(jī)械接口的試驗(yàn)臺架，同時(shí)搭建基于LabVIEW平臺的虛擬儀表測試系統(tǒng)，充分利用軟件開發(fā)平臺針對數(shù)據(jù)采集、信號分析與處理等任務(wù)，提供的接點(diǎn)函數(shù)對底層協(xié)議進(jìn)行了高度的封裝，用戶可以直接調(diào)用的特點(diǎn)1，通過通道自定義及通道擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了多種型號發(fā)動機(jī)及動力裝置系統(tǒng)的測試。試驗(yàn)臺的通用性是設(shè)計(jì)建設(shè)的目標(biāo)和重點(diǎn)?；贚abVIEW測試系統(tǒng)是目前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，有關(guān)文獻(xiàn)很多，文獻(xiàn)2-3主要關(guān)注的是汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)測試，未涉及與發(fā)動機(jī)及螺旋槳安裝相關(guān)的應(yīng)變、振動加速度測試；文獻(xiàn)4-5主要側(cè)重于對某一個(gè)方面的研究。本文較為全面地介紹了通用試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)、測試系統(tǒng)硬件配置、軟件構(gòu)建等方面的內(nèi)容，可作為試驗(yàn)臺人員的參考。1 通用試驗(yàn)臺組成推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺由用于發(fā)動機(jī)調(diào)試的臺架、用于動力裝置試驗(yàn)的臺架、燃油系統(tǒng)及與臺架配套的數(shù)據(jù)測量和操縱控制系統(tǒng)三部分組成。2通用臺架設(shè)計(jì)2.1調(diào)試臺架調(diào)試臺架用于單臺發(fā)動機(jī)的性能調(diào)試及試驗(yàn)。發(fā)動機(jī)安裝支架通過螺栓固定在安裝板上，更換不同的安裝支架即可實(shí)現(xiàn)不同發(fā)動機(jī)在調(diào)試臺架的安裝；安裝板由4個(gè)套筒型循環(huán)球直線軸承支承，可前后移動，布置拉（壓）力傳感器在安裝板后方可測試發(fā)動機(jī)直連螺旋槳的拉（推）力。設(shè)計(jì)的三維數(shù)模見圖2。圖1 發(fā)動機(jī)調(diào)試臺架數(shù)模2.2試驗(yàn)臺架試驗(yàn)臺架主要用于飛艇動力裝置系統(tǒng)的試驗(yàn)。與飛機(jī)不同，現(xiàn)代飛艇動力裝置系統(tǒng)必須具有動力傳動及拉（推）力矢量轉(zhuǎn)向等功能。將動力裝置系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)臺架上，地面模擬飛艇飛行過程中動力裝置系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的各種功能并進(jìn)行測試（矢量轉(zhuǎn)向、最大拉力測試、差動控制、連接部位應(yīng)力應(yīng)變測試等）有其必要性。臺架由左、右及上部三個(gè)組件構(gòu)成，寬度方向可調(diào)節(jié)，左、右兩個(gè)獨(dú)立的活動組件分別連接兩個(gè)直線軸承，直線軸承懸掛在固定軸上，可沿軸向移動及旋轉(zhuǎn)。通過對固定臺架在地面上的不同位置的固定可進(jìn)行不同飛艇動力裝置系統(tǒng)的地面試驗(yàn)。圖3為三維設(shè)計(jì)模型及安裝動力裝置系統(tǒng)的實(shí)物。圖2 試驗(yàn)臺架模型及實(shí)物3測控系統(tǒng)測控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控、發(fā)動機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集三大功能。系統(tǒng)由操作臺、工控機(jī)、顯示器、攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服電機(jī)及打印機(jī)組成。攝像系統(tǒng)相對獨(dú)立，和數(shù)據(jù)采集及發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)在操作臺進(jìn)行集成。系統(tǒng)組成見圖4。圖3 測控系統(tǒng)組成3.1 系統(tǒng)硬件方案本試驗(yàn)臺的測控系統(tǒng)的硬件由兩部分組成，一是數(shù)據(jù)采集模塊；二是發(fā)動機(jī)操縱控制模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采用美國NI公司的PXI總線產(chǎn)品搭建的，操縱控制模塊由研華公司的PCI系列多軸運(yùn)動控制卡及交流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器輸出信號不統(tǒng)一，還需要使用信號調(diào)理模塊對信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化處理。測控系統(tǒng)的硬件配置見圖5。圖4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的配置4 發(fā)動機(jī)操縱控制系統(tǒng)對于各類中小型航空發(fā)動機(jī)而言，單臺發(fā)動機(jī)需要連續(xù)操控的變量一般不超過3個(gè)，對活塞發(fā)動機(jī)而言包括混合比、節(jié)氣門及螺旋槳變距機(jī)構(gòu)的控制。共設(shè)置6套操縱回路，可以滿足飛艇動力裝置系統(tǒng)兩臺發(fā)動機(jī)同時(shí)試驗(yàn)的控制需求。4.1 操縱控制系統(tǒng)構(gòu)成一般來說，從安全角度考慮發(fā)動機(jī)控制監(jiān)測室與發(fā)動機(jī)工作現(xiàn)場應(yīng)處于隔斷狀態(tài)，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的運(yùn)行噪聲特別大這很大程度上會影響測試人員的測試效率和效果，同時(shí)發(fā)動機(jī)測試過程中可能會出現(xiàn)意外情況。 推動操控手柄偏轉(zhuǎn)一定的角度，操控手柄就會輸出相應(yīng)的模擬電壓量，數(shù)據(jù)采集卡將手柄輸出的模擬電壓量傳送給工控機(jī)，在控制軟件LabVIEW的作用下根據(jù)給定的電壓量以及各傳感器反饋的發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，工控機(jī)會給出精確地控制角度量值輸出到伺服運(yùn)動控制卡中，這樣就實(shí)現(xiàn)了發(fā)動節(jié)氣門以及螺旋槳變節(jié)距機(jī)構(gòu)的精確控制，本系統(tǒng)的操控系統(tǒng)框圖如圖6所示。圖6 操縱組合控制框圖該模塊的主要功能是利用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序、控制算法和運(yùn)動控制卡的驅(qū)動等相互配合，最終生成交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的精確控制。由于發(fā)動機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)電綜合體，其運(yùn)動工況具有非線性和時(shí)變性。為了增加發(fā)動機(jī)節(jié)氣門和變節(jié)距機(jī)構(gòu)控制精確性和可靠性，本文采用交流伺服系統(tǒng)。4.2矢量控制算法本系統(tǒng)的操控模塊選用的是交流伺服系統(tǒng)，其具有價(jià)格低廉控制精度高而且可選等優(yōu)點(diǎn)，如圖5所示為本文選用的永磁式同步交流伺服電機(jī)（PMSM）結(jié)構(gòu)簡圖，圖中已經(jīng)假定了電流的正方向5。as-A相繞組軸線 bs-B相繞組軸線 cs-C相繞組軸線、空間矢量 AX-A相線圈 BX-B相線圈 CX-C相線圈圖5 永磁同步交流伺服電機(jī)Fig5 Permanent magnet synchronous AC servo motor如圖q軸超前d軸90電角度（順著方向），而永磁體基波磁場的方向即為d軸。轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的空間坐標(biāo)以q軸與固定軸線間的電角度來決定。通過推導(dǎo)，電壓方程可以寫為 （4-1）同理可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩方程為 （4-2）上述方程構(gòu)成了PMSM的基本數(shù)學(xué)模型，由于三相永磁同步伺服電機(jī)含有電角速度以及電流或的乘積項(xiàng)，因此，它是一個(gè)典型的非線性模型?？梢詫⑸鲜龇匠虒懗蔂顟B(tài)方程形式，如下所示。 （4-3）三相永磁同步伺服電機(jī)空間矢量圖在形式上與時(shí)間向量圖相同，并且q軸與，與，與分別互相對應(yīng)。其中以及都是空間向量，為和的空間夾角。 若實(shí)現(xiàn)對角的控制就實(shí)現(xiàn)了角度控制，是電流空間向量在dq坐標(biāo)中的空間相位角，在d、q軸上的分量和決定了角的大小。 對于本文選用的凸裝式轉(zhuǎn)子電機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩為 （4-4）上式中 -電磁轉(zhuǎn)矩-極對數(shù)；-d軸勵(lì)磁電感。-計(jì)算到定子一側(cè)的等效勵(lì)磁電流。因?yàn)槭枪潭ǖ臒o法調(diào)整，則電磁轉(zhuǎn)矩就與成正比，兩者之間是線性關(guān)系。當(dāng)給定了指令，那么同時(shí)也就確定了。定子電流在d軸的分量對永磁體具有增、消磁作用，因此它的數(shù)值需要根據(jù)運(yùn)行要求來確定5。在實(shí)際運(yùn)行過程中，給電機(jī)輸入的是、和三相電流，而不是、的d、q軸電流，前者為交流量，而后在則為直流量。為了從實(shí)際輸入的、和三相電流中得到所需要的、直流量，就需要進(jìn)行坐標(biāo)系變換，其關(guān)系為公式4-1。在實(shí)際控制中，通常需要設(shè)置電流控制環(huán)，通過電流的控制迫使三相電流能夠嚴(yán)格跟蹤指令電流，這樣才能使得、和與變換后的、和相一致。（4-5） 但是僅僅上述的條件是不夠的，還需要知道（dq相對定子A相繞組軸線as的空間坐標(biāo)）。一般來說，是在電機(jī)的輸出軸一側(cè)安裝編碼器來檢測轉(zhuǎn)子的磁極相對于as軸的位置。5 測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)主要完成參數(shù)采集、處理和顯示等功能。本試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（LabVIEW）下進(jìn)行開發(fā)，LabVIEW是基于G語言圖形化編程語言，編程過程相對簡單。前面板提供了各種開關(guān)、按鈕等經(jīng)典控件，自定義用戶界面，使設(shè)計(jì)出的操作界面形象直觀6。5.1 采集信號試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)按兩臺萊康明公司生產(chǎn)的活塞發(fā)動機(jī)TIO-540-A2C的運(yùn)行參數(shù)為主要信號進(jìn)行配置，同時(shí)對傳動扭矩、發(fā)動機(jī)安裝框架的應(yīng)變、振動加速度、螺旋槳拉力及大氣溫度壓力等信號進(jìn)行測試，需要采集的傳感器型號、信號類型及通道數(shù)量見表1。表1 采集參數(shù)信號名稱傳感器型號通道數(shù)量信號類型氣缸頭溫度P-10012電壓量進(jìn)氣壓力PT-60ABS2排氣溫度P-1112渦輪進(jìn)口P-1112滑油溫度P-1202滑油壓力PT-100GA2燃油壓力PT-100GA2動態(tài)扭矩TT10K1振動加速度KD10008拉力BK-4（0.5t）2拉力BK-4（1.0t）2動態(tài)應(yīng)變放大器KD60058動態(tài)應(yīng)變放大器KD600116發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速T1A9-22脈沖量燃油流量FT-602油量測量1通訊大氣溫度壓力JX106000222電流量5.2 信號調(diào)理本系統(tǒng)主要的信號調(diào)理任務(wù)由LabVIEW軟件來實(shí)現(xiàn)。作為輔助手段，采用JLD4U2P8直流電壓隔離傳感器和NI SCB-68A屏蔽式I/O接線盒來輔助完成信號預(yù)調(diào)理。從表1可知本試驗(yàn)臺需要采集的信號主要有模擬信號（電壓量、電流量）及脈沖信號兩類，油量測量傳感器的輸出為數(shù)字信號可以直接由工控機(jī)采集和顯示。模擬信號調(diào)理使用了無限增益反饋低通濾波器，脈沖信號經(jīng)74LS240施密特總線驅(qū)動器整形后輸出。振動加速度、動態(tài)應(yīng)變及靜態(tài)應(yīng)變由于測量精度要求高，需要專用的信號調(diào)理設(shè)備。本試驗(yàn)臺的振動加速度計(jì)KD1000配套KD5007電荷放大器，動/靜態(tài)應(yīng)變信號由KD6001 /KD6005動態(tài)應(yīng)變放大器進(jìn)行調(diào)理。5.3 軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW的CAT軟件系統(tǒng)分為五部分，分別為用戶管理、系統(tǒng)管理、發(fā)動機(jī)操縱、試驗(yàn)管理和事后管理。試車前，完成用戶管理、通道自檢、通道校準(zhǔn)及試驗(yàn)工程編輯（試車信息編輯、采集通道定義）等功能。試車中，完成采集數(shù)據(jù)、試驗(yàn)控制、試車步驟提示、顯示參數(shù)、存儲數(shù)據(jù)、判斷報(bào)警、實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算、實(shí)時(shí)顯示曲線等功能。試車后，完成報(bào)表生成、打印。各項(xiàng)動態(tài)數(shù)據(jù)存儲在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中，靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲在Microsoft Excel里。本試驗(yàn)臺CAT軟件系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)見圖7。圖7 軟件結(jié)構(gòu)圖a) 用戶管理模塊該功能主要是用來管理各種使用權(quán)限。用戶管理分為三部分，身份驗(yàn)證、用戶權(quán)限分配和用戶權(quán)限更改及刪除。b) 系統(tǒng)管理模塊該模塊主要是用來檢測發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡是否能夠正常運(yùn)行，同時(shí)也可以為用戶提供幫助文件查詢和系統(tǒng)軟件查詢等功能。c) 發(fā)動機(jī)操縱模塊該模塊的主要功能是利用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序、基于多傳感器信息融合的控制算法和運(yùn)動控制卡的驅(qū)動等相互配合，最終生成運(yùn)動控制卡的驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的精確控制。發(fā)動機(jī)操控模塊的主要組成見圖8所示。 圖8 發(fā)動機(jī)操控模塊構(gòu)成d) 試驗(yàn)管理模塊該模塊是本系統(tǒng)的核心。本模塊包括試驗(yàn)運(yùn)行和工程管理兩大功能，其中包含了發(fā)動機(jī)試車實(shí)時(shí)參數(shù)處理、試車過程提示、報(bào)警監(jiān)視、試車信息定義、采集通道定義和發(fā)動機(jī)型號定義等功能，見圖9。5.4 軟件實(shí)現(xiàn)本試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件采用了分離式設(shè)計(jì)思想，即把用戶界面與數(shù)據(jù)流進(jìn)行分離，兩者互不干擾，不會因?yàn)橛脩舻那岸瞬僮鞫绊懙綌?shù)據(jù)的采集。 由于數(shù)據(jù)采集是記錄高速動態(tài)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)臺處理動態(tài)數(shù)據(jù)的方法是使用LabVIEW SQL Toolkit（也被稱為LabVIEW Database Connectivity Toolset），它是用于數(shù)據(jù)庫訪問的附加工具包，集成了一系列的高級功能模塊，這些模塊封裝了大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫操作和一些高級的數(shù)據(jù)庫訪問功能。圖11為利用LabVIEW編寫其中一個(gè)功能程序。圖11 LabVIEW編寫的程序本試驗(yàn)臺基本的測試界面可以測試兩臺活塞發(fā)動機(jī)同時(shí)工作的各種參數(shù)，設(shè)計(jì)界面見圖12。圖12 測試系統(tǒng)軟件界面6試驗(yàn)及結(jié)論6.1 操控系統(tǒng)試驗(yàn)對于發(fā)動機(jī)操控系統(tǒng)，要求具有較好的穩(wěn)定性及精度。本文利用階躍信號對操控系統(tǒng)進(jìn)行測試，檢測了試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)輸出值及超調(diào)量等重要指標(biāo)。表1給出了一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的操控系統(tǒng)角度控制響應(yīng)曲線如圖6所示。表1 角度控制測試參數(shù)Tab1 Test parameters of angle control 試驗(yàn)編號設(shè)定角度值穩(wěn)態(tài)輸出值穩(wěn)態(tài)誤差響應(yīng)時(shí)間1909000.7s圖6 階躍響應(yīng)Fig6 Step response6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗(yàn)對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的試驗(yàn)，本文選取了最為典型的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號作為檢測對象。因本次檢測對象萊康明 TIO-540-A2C發(fā)動機(jī)的最低穩(wěn)定怠速為1200r/min，最高轉(zhuǎn)速為5800r/min，為了能夠反映本測控系統(tǒng)的精度，本試驗(yàn)分別檢測低