飞机液压铁鸟试验台测试系统研究.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3 卷 第 l 6 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I ．CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 4 2 飞机液压铁鸟试验台测试系统研究 刘永智 ，安 思危 ，王纪森 1 ．成都飞机工业 集团有限责任公司，四川成都 6 1 0 0 9 2 ； 2 ．西北工业大学 自动化学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要飞机液压铁鸟试验台是飞机地面试验的重要装置，其测试系统的精度直接影响到飞机的整个飞行过程和降落过 程的安全性。然而其试验回路多、设备分散、试验过程难以控制管理。针对此，综述国内外文献飞机液压铁鸟试验测试系 统解决方案，分析其优缺点，结合某型无人机液压铁鸟试验台测试系统测试要求选择适合的方案，并对未来测试系统的发 展趋势作出展望。 关键词液压铁鸟试验台；测试系统；安全性 中图分类号T P 2 7 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 6 1 3 2 3 Re s e a r c h o f M e a s u r e me n t S y s t e m f o r Ai r p l a n e I r o n Bi r d Hy d r a u l i c T e s t b e d L I U Yo n g z h i ，A N S i w e i ，WANG J i s e n 1 ． C h e n g d u A i r c r a f t I n d u s t r i a l G r o u p C o ． ，L t d ． ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 9 2 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f A u t o ma t i o n，No h we s t e m P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y 。Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2．C h i n a Ab s t r a c t Ai r p l a n e i r o n b i r d h y d r a u l i c t e s t b e d i s a n i mp o r t a n t d e v i c e o f a i r c r a f t g r o u n d t e s t ，t h e a c c u r a c y o f t h e t e s t i n g s y s t e m d i r e c t l y a f f e c t s t h e s afe t y o f t h e wh o l e f l i g h t p r o c e s s a n d l a n d i n g p r o c e s s o f a i r c r a f t ． B u t i t h a s ma n y t e s t l o o p s ，t h e e q u i p me n t s a r e s c a t t e r e d，t e s t p r o c e s s i s d i ffic u l t t o c o n t r o 1 ．Ac c o r d i n g t o t h e s e ，t h e l i t e r a t u r e a b o u t i r o n b i r d t e s t a i r c r aft h y d r a u l i c s y s t e m s o l u t i o n s a t h o me a n d a b r o a d we r e r e v i e we d ，t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s w e r e a n a l y z e d ． Co mb i n i n g w i t h a c e r t a i n t y p e o f me a s u r e me n t s y s t e rn f o r u n ma n n e d a i rpl an e i r o n b i r d h y d r a u l i c t e s t - b e d r e q u i r e me n t s ，t h e s u i t a b l e s c h e me w e r e c h o s e n，a n d t h e f u t u r e t r e n d o f t h e t e s t s y s t e m wa s d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s Ai r p l a n e i r o n b i r d h y d r a u l i c t e s t - b e d；Me a s u r e me n t s y s t e m ；S e c u r i t y 飞机液压铁鸟试验台是飞机液压试 验系统 的重要 组成部分。关系到飞机整体安全性 、可靠性、经济性 和可维护性 。铁鸟试验台一般 由铁鸟试验 台架 、液压 动力源 、电源系统、控制系统、数据采集系统以及实 时监控系统组成。在铁鸟试验台上，可验证飞机液压 系统的功能和性能指标，以及与飞机上其他系统的相 互关系是否正常。其主要应用于飞机起落架、护板的 收放 平尾 、副翼方 向舵 的操 控 ；机轮 刹车 控制 等。 由于液压系统压力高 。油液容易泄漏和污染，因而故 障较多。因此 ，为保证飞机液压系统的可靠性 ，满足 我国航空工业发展的需要 ，开发一种能满足试验要求 的飞机 液压试验 台测试 系统就变得十分必要 1 ] 。 飞机液压试验台测试系统要求测试准确、模拟真 实、内容全面，然而试验中信号分散、数量多、种类 繁杂，故其难点集中在采集信号的准确性、数据通信 的实时性和开发软件平台的易操作性和可维护性。 某型无人机液压系统相 比传统的有人 驾驶飞机存 在诸多不 同，在设计 上存在 如下难 点 1 既有程 序控制，又有人工干预； 2 电磁兼容要求高； 3 新增适航性试验要求。所以相对应的测试系统必须通 过提高采样频率和精度、使用软件编程模拟、软件扩 展性好等方式 ，以满足上述要求。 下面将综 述 国 内外 文献 对 于上 述难 点 的处 理方 案。根据某型无人机液压系统的测试要求。给出自己 的见解。 1 测试 系统组成 飞机液压铁鸟试验台测试系统主要 由控制子系 统 、数据采集子系统以及 实时监控子系统组成 。控制 子系统 的核心是一台功能 齐全 、人机界面友好 的控制 计算机 ，主要发出各种操作指令，以操纵受试设备 ， 如试验台的启动、起落架的收放 、机载油泵的转速控 制等 ；数据采 集 子系 统 由工控 机 、多功 能信 号调 理 器 、采集板卡 以及连接它们的电缆组成 ，主要完成试 验过程中设备参数、环境条件的数据采集 ；实时监控 子系统 主要用来监控试验的整个过程 ，当控制 系统 出 现异常或故障时，以提示或报警等方式通知试验人 员。测试系统的结构框图如图 1 所示。 收稿 日期 2 O 1 4 一 o 7 1 6 作者简介刘永智 1 9 7 9 一 ，男，本科，高级工程师，主要从事机电一体化设计工作。E - m a i l c q u l y z 1 6 3 ． c o rn。 第 l 6期 刘永智 等飞机液压铁鸟试验台测试系统研究 1 3 3 控制计算机 实 时监控 计 算 机 数据采集计算机 机械设备指令信号 数字信号 压 力 、 受试 设 备 图 1 测试 系统 结构框图 2 数据采集 采集数据 的准确性 是衡 量飞机液压铁鸟试验测试 系统可靠性的首要前提，而采集数据的准确性主要取 决于传感器的测量精度、数据采集器性能和信号调理 电路设计。因测试系统对传感器的测量精度有明确的 性能指标 ，故文 中不在赘 述传感器 的选 择 ，将 主要介 绍数据采集器 的选择和信号调理 电路设计的注意事项。 一 般来说．数据采集器的选择需要考虑的因素有 数据通信接口、数据存储空间的大小、首读率和数据 采集器的价格等。在工业现场 ，数据采集器的防震等 功能也十分重要 1 ] 。目前数据采集器正朝着智能 化、模块化的方向发展，市场上也出现了不同型号的 数据采集器，其基本功能大体相同。经常使用的两种 数据采集器的性能比较如下 1 美国安捷伦 A g i l e n t 3 4 9 7 2 a数据采集器。3 1 插槽主机， 具有内置6 位数字万用表和8 种开关及 控制插 入式模 块 ；可 以测 量 和转换 1 1种不 同 的输 入 信号 ； 1 G b i t L A N、U S B 3 4 9 7 2 A 、G P I B和 R S 一 2 3 2 接 口 3 4 9 7 0 A可轻松连 接至 P C ；可配 置和控 制测 试 、显示测量结果以及收集数据，以便进行进一步分 析 ；0 ． 0 0 4 ％I 基本 d c V精度 和超 低 的读数 噪声 ．高 达 2 5 0通道／ 秒的扫描速率 。 。 2 研华 P C I ． 1 7 6 0采集板卡。8路光隔离量数 字输入；在噪声环境下为采集数字量输入提供 2 5 0 0 V D C的隔离保护 ；自带 8个继电器，可用作开关控 制式小型电源断路开关；2 个可自定义的隔离脉冲调 制 P WM输出；采样速率高达 1 0 0 k H z _ 8 ] 。 总的来说，两种数据采集器都能满足测量精度和 速度。相比较而言，A g i l e n t 3 4 9 7 2 a 有较好的兼容性和 可扩展性，可轻松连接至 P C，而 P C I ． 1 7 6 0则需要专 门的 P C I 插槽接 E l ；在价格方 面 ，A g i l e n t 3 4 9 7 2 a的价 格为 1 ． 4万 ，而 P C I ． 1 7 6 0的价格 为 2 0 0 0元左右 。在 具体选择时，可根据采集通道数量 、经济性以及兼容 性等因素做出最佳选择或选择同系列的其他产品。 某型无人机液压铁 鸟试验 台测试 系统需要 测量 的 数据主要有 1 测量电动液压泵的启动电流 。捕 捉启动电流的尖峰值； 2 测量加载起落架、护板 的两腔 压力 以及右泵 的进 出 口压力 ； 3 测 量左右 机轮刹车压力； 4 测量机载、加载油箱 的油温、 流量 。另外需要模拟无人 机控制 系统输 出 P WM波 控 制刹车阀工作。所以选择采集频率高且具有 P WM波 输 出功 能的研 华系列采集板卡 。 飞机液压铁鸟测试系统主要用于工业现场 的测量 与控制 ，工业现场环境复杂 ，存在着许多干扰源 ，为 了提高整个系统的可靠性 ，信号调理电路在测试系统 中极为重要 ．也很容易受到外界干扰 ，因此在电路设 计前要考虑采取一些抗 干扰 措施 ，如滤波技术 、信号 隔离技术 、电磁屏蔽技术 和接地技 术等。 3 通信模块 实时测试一直是测试系统追求的 目标，尤其是对 于像铁鸟试验这种大型复杂分布式系统的测试。在构 成广域测试网络时，实时同步是前提条件。测试网络 的安全稳定是基础。目前，在国内外数据通信主要采 用的是工业以太 网和 L X I 总线技术 ，对两种技术 的比 较如下 工业以太网基于 T C P ／ I P ，是一种标准开放式的 网络，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共 享能力强 ， 可以很容易地实现将控制现场的数据与信 息系统上的资源共享； 数据的传输距离长 、传输速率 高； 易与 I n t e r n e t 连接 ， 低成本、易组 网，与计算机 、 服务器的接 口十分方便 ， 受到了广泛的技术支持。其 通信速率均达 1 0 0 M b ／ s ，因此被广泛应用于工业 自 动化领域。但是以太网采用的是带有冲突检测的载波 侦听多路访问协议 C S MA ／ C D ， 无法保证数据传输 的实时性要求 ， 是一种非确定性的网络系统。以太 网 采用超时重发机制， 单点的故障容易扩散 ， 造成整个 网络系统的瘫痪 引 。 L X I 是一代新型的仪器平台，其最突出的优点是 在仪器技术中加入了计算机网络技术。它采用独立仪 器 方式 、自带 处 理器 、L A N 连接 、电 源和 触发 器 输 入。L X I 提 供 了 3种 触 发 方 式，网络 消 息 触 发、 I E E E 1 5 8 8时钟同步触发和总线触发。由于实时i 见 0 试 是测试系统的重要追求指标，而 I E E E 1 5 8 8时钟同步 触发方式是根据明确的时间启动，其精确性仅取决于 仪器时钟 的精确度。其时钟 同步延时将在 1 0 n s以 内，因此特别适合于分布式测试系统[ 7 ] 。 某型无人机液压铁鸟试验 台测试 系统 。要完成刹 车阀响应时间的测试，即刹车阀接受控制信号时刻 t ， 、刹车阀开始输出压力 时刻 t ， 和输 出满压力时刻 t ；以及要完成起落架收放响应时间的测试 ，即起落 架、护板收上到位时刻 t 、f 和起落架、护板放下到 位时刻 t ； 、￡ 。所 以对 于信号传递要求的实时性极 高，采集频率高；同样，在试验完成后 ，对试验数据 的分析、回放等对于实时胜要求较低 ，但是由于试验 数据量较大 ，则对于平均传输速率要求较高。 综上所述 ，工业以太网的优势在于适用于信息量 需求大但对实时性要求不严格的场合 ，而 L X I 总线可 以很好地满足对实时陛要求严格的场合。故在设计中 1 3 4 机床与液压 第 4 3卷 可 以考虑两者相结合的办法 ，对于实时监控 的部分采 用 L X I总线 技 术 。而 对 实 时 性 要 求 不 严 格 的 部 分 例如试验数据 回放等 采用工业以太 网技术 。 4 软件平台 在测试 系统试 验 中 。要 完成 复杂 多 样 的测试 任 务 ，操作软件的易操作性、易维护性 、可扩展性和安 全性也一直 是整个 测试 系统必 须考 虑 的重要 问题之 一 。 目前主要的软件开发平台有 Wi n d o w s 操作 系统下 的 C B u l i d e r 6 ． 0和 N I 公 司推出 的专 门面 向测 控领 域 的开发平 台 L a b Wi n d o w s ／ C V I 。 C B u l i d e r 6是 B o d a n d 公 司出品 的一种基于 C 的快速开发工具 ，它不 仅易 学易用 ，而且功 能强大 、 目标程序效率高。c B u i l d e r 6具有快速的可视化开 发环境 C B u i l d e r内置 了 1 0 0多个 完 全 封 装 了 Wi n d o w s 公用 特性且具有完全可扩展性 包括全面支 持 A c t i v e X控件 的可重用控件 C B u i l d e r 具有一 个专业 C 开发环境 所能提供的全部 功能 快速 、高 效、灵活的编译器优化，逐步连接，C P U透视，命 令行工具等。它实现了可视化的编程环境和功能强大 的编程语言 c 的完美结合 J 。 L a b Wi n d o w s ／ C V I 是 N a t i o n a l I n s t r u m e n t s 公 司 美 国国家仪器公司，简称 N I 公司推出的交互式 c语 言开 发平 台[ 8 ] 。L a b wi n d o w s ／ C v I 将 功能 强大 、使用 灵 活的 C语言平 台与用 于数据 采集分 析 和显示 的测 控专业工具有机地结合起来 ，利用它的集成化开发环 境 、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大 增强 了 c语言的功能 ，为熟悉 C语 言的开发设计人员 编写检测 系统、 自动测试 环境 、数据 采集系统 、过 程 监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。 相 比较 而言 ，L a b Wi n d o w s ／ C V I 是专 门应 用 于 开 发虚拟仪器的应用系统 ，内置强大的函数库用于完成 数据采集 、分析 和显示任务 ，十分方便快捷 。在这方 面 ．C B u i l d e r 相 比则 略显不 足 。但 c B u l i d e r 面 对众多的测试任务 ，可以融合 现在 面向对象和组件思 想 、技术 ．采用 框架 软件 开发方法 ，有助于减少框架 开发的迭代次数和工作量， 提高框架的开发效率以及 可复用性和扩展性 ，而且保证 了测试 系统框架 与应用 体系结构 的一致 性 ． 解 决 了软 件 系统 维 护 困难 的 问 题 。总之 ．两种主流的开发平 台各有 优略 ，读者在选 择时 ，可根据实际测试任务的要求做出取舍。另外 ， 在对可视性要求较高的场合，虚拟视景系统的引入可 以完美地解决试验需求 。虚拟视景 系统 即利用 O p e n ． G L或 V e g a 等开发视景平 台，构建飞机及其附件 的三 维模 型。在试验运行过程 中，虚拟视景系统 通过实 时 采集相关传感器的信息，实时更新飞机视景画面 。 某 型无人机液压铁鸟试验 台测试系统 ，为 了满足 客户对无人机适航性的要求 ，需要根据适航验证试验 的具体条款进行编程 ，要求编程软件功能强大 、扩展 性好 ，所 以 L a b wi n d o w s ／ c V I 开发平 台满足要求 。 5结束语 随着 自动化工 业技术 的高速 发展 ．工 业 以太 网、 L X I 总线等技术被广泛应用 于飞机 液压系统 。飞 机液 压铁鸟试验台测试系统变得越来越智能化、实时化、 高度灵活化 和可 视化 。文 中综述 了国内外几种主流测 试 系统 的实现方法 ，各有优点和不足 。基于 以上构建 的某型无 人机液 压试验 台测试 系统 ，在飞机地面模拟 试 验中 ，能实现液压系统及客户的 自动控制 ，模 拟飞 机起飞、飞行和降落的全部工作过程．同时监测飞机 模拟行进过程中各阶段的工作状态并进行试验记录 该 系统 的主要技术指标要求满足设计要求 ，在某型号 飞机应用 中 ，已完成上千次试验 ，并多次成功配合完 成 试飞排 除故 障工作 ，累计使 用时 间约 6 0 0 h ．试 验 控制精度高，人机交互良好，试验结果可靠性高。近 些 年来 ，A R M 和 D S P处理 器高速 发展 ，在 以后测 试 系统中引人 A R M和 D S P替代工控机将会 使得测试 系 统变得更加轻便 、灵活 ，同时还能节约成本 。 参考文献 [ 1 ]L A N D R Y J r L M M． A p p fi c a t i o n o f Mo d e l i n g ，S i mu l a t i o n a n d L a b s t o t h e F - 3 5 P r o g r a m[ C] ／ ／ A I A A Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n Te c h n o l o g i e s C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] D O U G Me y e r ， WE B E R K e n t ， S c o T r Wa l t e r ． E l e c t r i c A u x i l i a r y P o w e r U n i t f o r S h u t t l e E v o l u t i o n [ J ] ． J o u rna l o f P r o p u l s i o n a n d P o w e r ， 1 9 9 2 ， 8 1 2 3 3 2 3 9 ． 『 3 ]李军， 谢晖， 王纪森． 基于 P L C和工业 E t h e r n e t 的飞机液 压综合试验测 控系统 [ J ] ． 计算机测 量与控制， 2 0 0 9 1 2 2 3 9 1 - 2 3 9 3 ． [ 4 ]李生杰， 田剑波， 曹丹青， 等． 某型飞机液压铁鸟试验自 动控制系统的实现[ J ] ． 航空精密制造技术， 2 0 1 2 6 8 ． f 5 1支超有 ． 高亚奎． 基于 L X I 总线的飞机液压试验分布式测 试系统[ J ] ．计算机测量与控制， 2 0 0 7 ， 1 5 5 5 9 9 6 0 1 ． [ 6 ]王琳， 商周， 王学伟． 数据采集系统的发展与应用[ J ] ． 电 测与仪表， 2 0 o 4 ， 4 1 8 4 8 ． [ 7 ]周射． 基于 L X I的数据采集模块的研究与设计[ D] ． 成 都 电子科技大学， 2 0 0 7 ． 『 8 ]马萍， 唐卫华， 李绪志． 基于 P C I E x p r e s s总线高速数据 采集卡的设计与实现 [ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 8 9 1 1 61 1 8． 『 9 ]俞兴民． 基于以太网的飞机液压地面模拟试验综合控制 系统设计[ J ] 。 工业控制计算机， 2 0 1 2 ， 2 5 7 4 5 ． [ 1 0 ]马世平． 现场总线标准的现状和工业以太网技术 [ J ] ． 机 电一体化 ， 2 0 0 7 ， 1 3 3 6 8 ． 『 1 1 ]陈磊． 从现场总线到工业 以太 网的实时性问题研究 [ D 1 ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 4 ． f 1 2 ]李鸣， 高娜， 江义东． L X I 总线标准规范关键技术研究 [ J ] ． 电子测量技术 ， 2 0 1 0 8 2 2 - 2 4 ． 『 1 3 ]王保 中 ， 涂亚庆 ， 张丽娟． 工业 以太 网与 C A N现 场总线 比较和应用方案分析 『 J 1 ． 工业仪表与 自动化装置， 2 0 0 6 5 1 0 - 1 2 ． 『 l 4 ]赵孟文 ， 袁朝晖． 结合虚拟视景系统的飞机液压试验台 [ J ] ． 液压气动 与密 封 ， 2 0 0 9 6 6 7 - 6 8 ．