飛機液壓鐵鳥試驗臺測試系統研究

劉永智，安思危，王紀森

(1.成都飛機工業 (集團)有限責任公司，四川成都 610092；2.西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072)

飛機液壓鐵鳥試驗臺是飛機液壓試驗系統的重要組成部分，關系到飛機整體安全性、可靠性、經濟性和可維護性。鐵鳥試驗臺一般由鐵鳥試驗臺架、液壓動力源、電源系統、控制系統、數據采集系統以及實時監控系統組成。在鐵鳥試驗臺上，可驗證飛機液壓系統的功能和性能指標，以及與飛機上其他系統的相互關系是否正常。其主要應用于飛機起落架、護板的收放;平尾、副翼方向舵的操控;機輪剎車控制等。由于液壓系統壓力高，油液容易泄漏和污染，因而故障較多。因此，為保證飛機液壓系統的可靠性，滿足我國航空工業發展的需要，開發一種能滿足試驗要求的飛機液壓試驗臺測試系統就變得十分必要［1－5］。

飛機液壓試驗臺測試系統要求測試準確、模擬真實、內容全面，然而試驗中信號分散、數量多、種類繁雜，故其難點集中在采集信號的準確性、數據通信的實時性和開發軟件平臺的易操作性和可維護性。

某型無人機液壓系統相比傳統的有人駕駛飛機存在諸多不同，在設計上存在如下難點: (1)既有程序控制，又有人工干預;(2)電磁兼容要求高;(3)新增適航性試驗要求。所以相對應的測試系統必須通過提高采樣頻率和精度、使用軟件編程模擬、軟件擴展性好等方式，以滿足上述要求。

下面將綜述國內外文獻對于上述難點的處理方案，根據某型無人機液壓系統的測試要求，給出自己的見解。

1 測試系統組成

飛機液壓鐵鳥試驗臺測試系統主要由控制子系統、數據采集子系統以及實時監控子系統組成。控制子系統的核心是一臺功能齊全、人機界面友好的控制計算機，主要發出各種操作指令，以操縱受試設備，如試驗臺的啟動、起落架的收放、機載油泵的轉速控制等;數據采集子系統由工控機、多功能信號調理器、采集板卡以及連接它們的電纜組成，主要完成試驗過程中設備參數、環境條件的數據采集;實時監控子系統主要用來監控試驗的整個過程，當控制系統出現異常或故障時，以提示或報警等方式通知試驗人員。測試系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 測試系統結構框圖

2 數據采集

采集數據的準確性是衡量飛機液壓鐵鳥試驗測試系統可靠性的首要前提，而采集數據的準確性主要取決于傳感器的測量精度、數據采集器性能和信號調理電路設計。因測試系統對傳感器的測量精度有明確的性能指標，故文中不在贅述傳感器的選擇，將主要介紹數據采集器的選擇和信號調理電路設計的注意事項。

一般來說，數據采集器的選擇需要考慮的因素有數據通信接口、數據存儲空間的大小、首讀率和數據采集器的價格等。在工業現場，數據采集器的防震等功能也十分重要［6－7］。目前數據采集器正朝著智能化、模塊化的方向發展，市場上也出現了不同型號的數據采集器，其基本功能大體相同。經常使用的兩種數據采集器的性能比較如下:

(2)研華PCI-1760采集板卡。8路光隔離量數字輸入;在噪聲環境下為采集數字量輸入提供2 500 V DC的隔離保護;自帶8個繼電器，可用作開關控制式小型電源斷路開關;2個可自定義的隔離脈沖調制PWM輸出;采樣速率高達100 kHz［8］。

總的來說，兩種數據采集器都能滿足測量精度和速度。相比較而言，Agilent34972a有較好的兼容性和可擴展性，可輕松連接至PC，而PCI-1760則需要專門的PCI插槽接口;在價格方面，Agilent34972a的價格為1.4萬，而PCI-1760的價格為2 000元左右。在具體選擇時，可根據采集通道數量、經濟性以及兼容性等因素做出最佳選擇或選擇同系列的其他產品。

某型無人機液壓鐵鳥試驗臺測試系統需要測量的數據主要有:(1)測量電動液壓泵的啟動電流，捕捉啟動電流的尖峰值; (2)測量加載起落架、護板的兩腔壓力以及右泵的進出口壓力;(3)測量左右機輪剎車壓力; (4)測量機載、加載油箱的油溫、流量。另外需要模擬無人機控制系統輸出PWM波控制剎車閥工作。所以選擇采集頻率高且具有PWM波輸出功能的研華系列采集板卡。

飛機液壓鐵鳥測試系統主要用于工業現場的測量與控制，工業現場環境復雜，存在著許多干擾源，為了提高整個系統的可靠性，信號調理電路在測試系統中極為重要，也很容易受到外界干擾，因此在電路設計前要考慮采取一些抗干擾措施，如濾波技術、信號隔離技術、電磁屏蔽技術和接地技術等。

3 通信模塊

實時測試一直是測試系統追求的目標，尤其是對于像鐵鳥試驗這種大型復雜分布式系統的測試。在構成廣域測試網絡時，實時同步是前提條件，測試網絡的安全穩定是基礎。目前，在國內外數據通信主要采用的是工業以太網和LXI總線技術，對兩種技術的比較如下:

工業以太網基于TCP/IP，是一種標準開放式的網絡，由其組成的系統兼容性和互操作性好，資源共享能力強，可以很容易地實現將控制現場的數據與信息系統上的資源共享;數據的傳輸距離長、傳輸速率高;易與Internet連接，低成本、易組網，與計算機、服務器的接口十分方便，受到了廣泛的技術支持。其通信速率均達100 Mb/s，因此被廣泛應用于工業自動化領域。但是以太網采用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議 (CSMA/CD)，無法保證數據傳輸的實時性要求，是一種非確定性的網絡系統。以太網采用超時重發機制，單點的故障容易擴散，造成整個網絡系統的癱瘓［9－13］。

LXI是一代新型的儀器平臺，其最突出的優點是在儀器技術中加入了計算機網絡技術。它采用獨立儀器方式、自帶處理器、LAN連接、電源和觸發器輸入。LXI提供了3種觸發方式，網絡消息觸發、IEEE1588時鐘同步觸發和總線觸發。由于實時測試是測試系統的重要追求指標，而IEEE1588時鐘同步觸發方式是根據明確的時間啟動，其精確性僅取決于儀器時鐘的精確度。其時鐘同步延時將在10 ns以內，因此特別適合于分布式測試系統［7］。

某型無人機液壓鐵鳥試驗臺測試系統，要完成剎車閥響應時間的測試，即剎車閥接受控制信號時刻t1、剎車閥開始輸出壓力時刻t2和輸出滿壓力時刻t3;以及要完成起落架收放響應時間的測試，即起落架、護板收上到位時刻t'1、t'2和起落架、護板放下到位時刻t'3、t'4。所以對于信號傳遞要求的實時性極高，采集頻率高;同樣，在試驗完成后，對試驗數據的分析、回放等對于實時性要求較低，但是由于試驗數據量較大，則對于平均傳輸速率要求較高。

綜上所述，工業以太網的優勢在于適用于信息量需求大但對實時性要求不嚴格的場合，而LXI總線可以很好地滿足對實時性要求嚴格的場合。故在設計中可以考慮兩者相結合的辦法，對于實時監控的部分采用LXI總線技術，而對實時性要求不嚴格的部分(例如試驗數據回放等)采用工業以太網技術。

4 軟件平臺

在測試系統試驗中，要完成復雜多樣的測試任務，操作軟件的易操作性、易維護性、可擴展性和安全性也一直是整個測試系統必須考慮的重要問題之一。目前主要的軟件開發平臺有Windows操作系統下的C++Bulider6.0和NI公司推出的專門面向測控領域的開發平臺Lab Windows/CVI。

C++Bulider6是Borland公司出品的一種基于C++的快速開發工具，它不僅易學易用，而且功能強大、目標程序效率高。C++Builder6具有快速的可視化開發環境:C++Builder內置了100多個完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴展性 (包括全面支持ActiveX控件)的可重用控件;C++Builder具有一個專業C++開發環境所能提供的全部功能:快速、高效、靈活的編譯器優化，逐步連接，CPU透視，命令行工具等。它實現了可視化的編程環境和功能強大的編程語言 (C++)的完美結合［5］。

LabWindows/CVI是National Instruments公司 (美國國家儀器公司，簡稱NI公司)推出的交互式C語言開發平臺［8］。LabWindows/CVI將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數據采集分析和顯示的測控專業工具有機地結合起來，利用它的集成化開發環境、交互式編程方法、函數面板和豐富的庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發設計人員編寫檢測系統、自動測試環境、數據采集系統、過程監控系統等應用軟件提供了一個理想的軟件開發環境。

相比較而言，LabWindows/CVI是專門應用于開發虛擬儀器的應用系統，內置強大的函數庫用于完成數據采集、分析和顯示任務，十分方便快捷。在這方面，C++Builder相比則略顯不足。但C++Bulider面對眾多的測試任務，可以融合現在面向對象和組件思想、技術，采用框架軟件開發方法，有助于減少框架開發的迭代次數和工作量，提高框架的開發效率以及可復用性和擴展性，而且保證了測試系統框架與應用體系結構的一致性，解決了軟件系統維護困難的問題。總之，兩種主流的開發平臺各有優略，讀者在選擇時，可根據實際測試任務的要求做出取舍。另外，在對可視性要求較高的場合，虛擬視景系統的引入可以完美地解決試驗需求。虛擬視景系統即利用Open-GL或Vega等開發視景平臺，構建飛機及其附件的三維模型。在試驗運行過程中，虛擬視景系統通過實時采集相關傳感器的信息，實時更新飛機視景畫面［13］。

某型無人機液壓鐵鳥試驗臺測試系統，為了滿足客戶對無人機適航性的要求，需要根據適航驗證試驗的具體條款進行編程，要求編程軟件功能強大、擴展性好，所以LabWindows/CVI開發平臺滿足要求。

5 結束語

隨著自動化工業技術的高速發展，工業以太網、LXI總線等技術被廣泛應用于飛機液壓系統。飛機液壓鐵鳥試驗臺測試系統變得越來越智能化、實時化、高度靈活化和可視化。文中綜述了國內外幾種主流測試系統的實現方法，各有優點和不足。基于以上構建的某型無人機液壓試驗臺測試系統，在飛機地面模擬試驗中，能實現液壓系統及客戶的自動控制，模擬飛機起飛、飛行和降落的全部工作過程，同時監測飛機模擬行進過程中各階段的工作狀態并進行試驗記錄。該系統的主要技術指標要求滿足設計要求，在某型號飛機應用中，已完成上千次試驗，并多次成功配合完成試飛排除故障工作，累計使用時間約600 h，試驗控制精度高，人機交互良好，試驗結果可靠性高。近些年來，ARM和DSP處理器高速發展，在以后測試系統中引入ARM和DSP替代工控機將會使得測試系統變得更加輕便、靈活，同時還能節約成本。

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