基于虛擬儀器的航空電源測試系統設計

張麗君 上海交通大學

基于虛擬儀器的航空電源測試系統設計

張麗君 上海交通大學

本文在虛擬儀器技術、計算機測控技術以及變頻調速技術的基礎上，實現了航空電源綜合性能的測試，介紹了系統的軟硬件設計、交流發電機輸出電壓的測量及其異常識別方法。

虛擬儀器 航空電源 性能測試

電源系統是飛機等航空器的重要組成部分，對其它部件的正常運行有著決定性的影響。因此，對其性能測試顯得尤為重要。但是航空電源系統的組成部件較多，傳統的測試方式是人工手動進行，先分別對各個部件進行檢測，讀取數據后再人為判斷其性能。這種測試方式存在較大的局限，如動態瞬時出現的故障或部件性能變差通常難以發現和定位；大量數據難于記錄，不能用于進一步的分析處理；其準確性受到人為因素的影響較大等等。但是，隨著計算機控制技術、自動檢測技術及虛擬儀器技術的發展，這一現狀得到了一定的緩解。虛擬儀器是計算機控制技術和儀器測量技術相結合的產物。其利用利用軟件對各種數據進行分析、處理，用軟件來代替硬件，在傳統的測試技術上做出了重大突破，具有極為強大的功能。

1 測試系統的硬件設計

該測試系統由傳感器模塊、隔離電路及信號調理模塊、開關量電平轉換及隔離模塊、PCI6071E多功能卡及DIO卡、工控機以及變頻調速器、高速變頻拖動電機、發電機、交直流負載箱等組成，其硬件原理如圖1所示。

由于航空電源的測試要求較高，因而選擇工控機作為檢測系統的計算機。虛擬儀器的開發平臺則選擇美國NI公司的LabWin-dows/CVI，在此平臺上完成航空電源各個部件的性能測試，并做出判定。

該航空電源測試系統的核心是工控機，工控機通過PCI6071E多功能卡及DIO卡或許電源工作過程中的各種信號，并通過變頻調速器來對發電機以及航空電源運行過程中的各種操作進行控制。最后，對檢測過程中獲取的各種數據進行處理與分析，并對測試結果進行判定。

傳感器模塊包括電壓傳感器、電流傳感器、轉速傳感器等模擬量傳感器和脈沖量傳感器。由傳感器將交、直流模擬信號轉換為4～20mA信號或電壓信號或隨動電信號，經隔離電路及信號調理模塊進行整形、放大、濾波等調理后輸入PCI6071E多功能數據采集卡，由工控機對這些電信號進行采集并進行數據處理與分析。

由于航空電源的交、直流發電機轉速高、速度范圍寬，一般的電機難以適應被測發電機。因此，在檢測過程中，采用高速大功率寬調頻范圍三相異步電動機與被測試的發電機直接相連，減少了中間增速器的使用，簡化了測試結構，降低了成本的同時還提高了運行的可靠性。

2 測試系統的軟件設計

航空電源測試系統的軟件部分包含測控軟件和數據庫管理軟件兩個部分。該軟件在LabWin-dows/CVI平臺及數據庫管理系統Ac-cess2000上進行開發。通過一定的設計，可完成測試方便、功能齊全、外觀美觀的的操作界面設計。

在軟件編程上，首先對整個測試系統進行分解，將其功能和程序均模塊化，分別對每個模塊進行設計，并進行編程。為了方便日后對測試系統進行維護與功能擴展，在編程時應用參數/代碼分離技術。另外，將虛擬儀器技術應用到系統的設計當中，可大大減少儀表的數量，簡化測試系統，降低成本的同時提高了系統的可靠性。測試系統軟件如圖2所示。

該測試系統的軟件主要由三個部分構成：交流電源測試模塊、直流電源測試模塊和數據查詢模塊。交流電源測試模塊負責對交流電源系統的開、閉環性能測試以及對各個部件的性能進行測試，并對測試數據進行分析處理；直流電源測試模塊功能相似；數據查詢模塊則是對測試過程中的各種數據進行記錄以及結果分析，便于使用者隨時進行查詢，并根據測試結果進行相應的處理。

3 發電機輸出電壓的測量及其異常識別

該綜合測試系統能夠對航空電源中的多個部件進行性能參數測試，并對測試數據進行分析，對測試結果進行判定。下面以交流發電機的輸出電壓為例對其監測原理以及異常識別方法進行介紹。

3.1 發電機輸出電壓的檢測

式中：T為信號的周期，uj、ij為電壓、電流的采樣值，τ為采樣間隔時間。采用過零檢測信號的過零點，計算信號的周期，并進行采樣同步處理。

3.2 電壓信號的異常識別

工控機通過PCI6071E多功能數據采集卡來采集交流發電機發出的電壓信號，并利用系統軟件去除電壓中的濾波、噪聲、直流分量等，然后對其進行歸一化預處理。其歐式距離可用下式來表示：

作為距離函數進行匹配計算(式中：xi，yi∈[0.0，1.1]n是經加窗處理后得到的n維向量)。然后，采用加窗處理的方法，生成本體集合S；由候選檢測子生成器隨機生成的檢測子向量，利用歐氏距離與本體集合S中的向量進行匹配計算，如果匹配，則該向量被取消，如果不匹配，則進入檢測子集合R。

用所生成的檢測子集合對待檢測信號集合M進行異常檢測，如圖3所示。待檢測信號集合M經過預處理及加窗處理后，與檢測子進行匹配計算，如果匹配，說明發電機輸出頻率出現了異常，飛機交流發電機存在故障隱患。如果不匹配，則信號正常，繼續對待檢測信號集合M進行異常檢測。

4 結論

本文采用虛擬儀器技術、計算機測控技術及變頻調速技術實現了對飛機交、直流電源系統的離位閉環性能的自動測試及其各部件性能的自動測試與校驗。采用虛擬儀器技術省卻了大量的測試儀表，增強了系統的靈活性；以變頻調速技術配合高速變頻異步電動機直接拖動負載，簡化了綜合測試系統結構，提高了系統的可靠性。采用LabWindows/CVI作為系統軟件的開發平臺，增強了系統軟件的可維護性及可擴展性，具有較好的實用性。

[1]項劍鋒,孟禹彤,曹雷.基于虛擬儀器的航空電源測試系統[J].黑龍江科技信息.2014(34):90.

[2]陳超,黃建,梁旭.基于虛擬儀器技術的直升機電源試驗系統設計[J].國外電子測量技術.2016(1):89～93.